串級變比值模糊PID煙氣脫硫漿液pH值控制優(yōu)化及仿真

黃 磊，官正強，唐德東，宋樂鵬

（重慶科技學(xué)院 電氣工程學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

火電廠濕法煙氣脫硫工藝自煙氣進入吸收塔到生成石膏全過程本質(zhì)上是一種酸堿中和反應(yīng)。吸收塔內(nèi)漿液pH值的控制是提高脫硫效率，掌控石膏品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文針對火電廠濕法煙氣脫硫吸收塔漿液pH值調(diào)節(jié)過程具有非線性、大滯后性、耦合性與時變性等特點，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)：單回路控制方法存在調(diào)節(jié)延遲大的問題，可以利用串級控制反應(yīng)快且能及時消除內(nèi)擾的特點來應(yīng)對；由于串級控制又存在PID參數(shù)難以整定的特點，故可以利用模糊控制的優(yōu)勢來化解；而煙氣參數(shù)不穩(wěn)定則可以利用變比值的思想來消除，最后提出了一種基于串級變比值模糊PID控制方法。

1 吸收塔漿液pH值控制系統(tǒng)

本文研究的對象是火電廠煙氣脫硫系統(tǒng)中的吸收塔脫硫部分，其簡化的工藝流程如圖1所示。

由工藝簡圖可以看出，吸收塔是工序的核心，原煙氣從吸收塔中部入塔，石灰石漿液由漿液循環(huán)泵打入塔上部的噴淋裝置，形成水霧狀態(tài)往下噴淋，與原煙氣接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)后的煙氣經(jīng)過除霧器后從頂部出塔。吸收塔系統(tǒng)的關(guān)鍵就是通過調(diào)節(jié)新鮮的石灰石漿液流量來保證吸收塔內(nèi)漿液的pH值穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，根據(jù)實際某環(huán)保單位設(shè)計的實際報警pH值為5～7，但通過經(jīng)驗總結(jié)和化學(xué)計算分析，在實際控制過程中應(yīng)使其保持在4.9～5.6為最佳。若pH值高于5.6，吸收塔漿液中的鈣離子溶出速度減緩，同時亞硫酸根離子的氧化也受到抑制，且亞硫酸鈣和半水亞硫酸鈣會增加，易發(fā)生結(jié)垢和堵塞。若低于4.9，則不利于二氧化硫的吸收[1]。

圖1 石灰石-石膏濕法脫硫工藝流程簡圖Fig.1 Schematic diagram of limestone-gypsum wet desulfurization process

圖2 串級變比值模糊PID控制框圖Fig.2 Block diagram of cascade PID with variable ratio fuzzy control

2 串級變比值模糊PID控制

模糊控制與經(jīng)典控制的根本區(qū)別是：它不需要建立關(guān)于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而是完全憑借操作工人或?qū)＜业慕?jīng)驗知識，應(yīng)用人的邏輯推理方式來“直觀”地進行控制[2]。模糊控制的這些特點能夠適合漿液pH值的控制，所以本文將模糊控制運用到漿液pH值的控制中，然后加入變比值方法來調(diào)節(jié)pH值，最后通過Matlab對所設(shè)計的控制方法進行仿真，驗證該方法對漿液pH值的控制效果。

本文設(shè)計的串級變比值模糊PID控制框圖如圖2中的方案2所示。方案1通過副回路的漿液流量來調(diào)節(jié)，其副控制器是PID控制；方案2的副回路加入煙氣流量Q2，通過脫硫工藝計算出比值器的參數(shù)K作為副回路的反饋，同時將副回路的經(jīng)典PID控制器換為模糊PID控制器。圖中u0是經(jīng)過pH調(diào)節(jié)器后副回路的輸入電壓值，u1是漿液流量變送后電壓反饋值；u2是漿液流量Q1與煙氣流量Q2經(jīng)比值器后再通過增益得到的方案2的電壓反饋值；u3是經(jīng)模糊PID調(diào)整后直接控制變頻器的電壓值，得到頻率f，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速n，從而達到漿液流量的控制。最終通過對比兩種方案得到的漿液pH值仿真圖來驗證串級變比值模糊PID控制的控制效果。

圖3 模糊自適應(yīng)PID控制器原理圖Fig.3 Schematic diagram of fuzzy adaptive PID controller

根據(jù)系統(tǒng)驗證及有關(guān)資料表明，其傳遞函數(shù)[3]可以近似表示為：

2.1 模糊控制原理

吸收塔漿液pH值的模糊PID的控制原理如圖3所示，吸收塔pH值的偏差e以及偏差變化率ec不斷被檢測計算，通過模糊控制器中設(shè)定的規(guī)則進行模糊推理和模糊運算，得到3個參數(shù)的修正值，以此來調(diào)整PID控制器，實現(xiàn)被控對象的自適應(yīng)控制。

2.2 模糊集及影響因子

模糊等級過多會造成“規(guī)則爆炸”[4]。因此，采用7個模糊等級劃分法。輸入量包括偏差e和偏差變化率ec，輸出量包括ΔKp、ΔKi、ΔKd，這5個量的模糊集分為{負大（NB），負中（NM），負小（NS），零（Z），正小（PS），正中（PM），正大（PB）}。輸入量e和ec的論域定義為（-3，3），ΔKp定義為（-2，2），ΔKi和ΔKd定義為（-0.6，0.6）。由論域可得量化因子Ke為3，Kec為3，比例因子都選1/3。5個變量選擇工程中常用的三角隸屬度函數(shù)。

表1 ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制規(guī)則表Table 1 ΔKp,ΔKi,ΔKd Fuzzy control rules table

圖4 漿液pH值Matlab/Simulink仿真程序圖Fig.4 Matlab/Simulink simulation program diagram of slurry pH value

2.3 模糊控制規(guī)則表

根據(jù)前人的經(jīng)驗，通過實踐操作，理論研究整理得出ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制規(guī)則表如表1所示[5]。

當輸入量e和ec通過模糊化接口后轉(zhuǎn)化為模糊量，然后根據(jù)表1的模糊規(guī)則進行模糊推理，得到對應(yīng)的整定值ΔKp、ΔKi、ΔKd，將其乘以比例因子在加上之前的PID參數(shù)值，通過疊加計算得出新的PID參數(shù)，公式為：

3 仿真與結(jié)果分析

為了對上述的理論分析進行驗證，本文在Matlab/Simulink軟件中搭建了該控制系統(tǒng)的仿真程序，同時將其與常規(guī)串級PID進行比對，如圖4所示。

吸收塔漿液pH值的傳遞函數(shù)見公式（1），其中常規(guī)串級PID控制中，Kp=2.9，Ki=1.98，Kd=0.89，串級變比值模糊PID中，PID初始設(shè)定值Kp=3.18，Ki=1.85，Kd=0.75，漿液pH值初始設(shè)定為5.5，兩種控制方式產(chǎn)生的波形對比圖如圖5 所示。

通過仿真結(jié)果的對比可知，串級變比值模糊PID控制對漿液pH值的調(diào)節(jié)比常規(guī)的串級PID控制具有小的超調(diào)量，同時振蕩周期有明顯地降低，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好，表明使用這個控制方式達到了理想的效果。

圖5 仿真結(jié)果對比圖Fig.5 Comparison chart of simulation results

4 結(jié)論

吸收塔系統(tǒng)是整個脫硫的中央樞紐，對漿液pH值的調(diào)控直接決定脫硫的成敗。本文建立的串級變比值模糊PID控制系統(tǒng)能夠改善漿液pH值的控制。通過理論分析和仿真實驗可得：改善后的控制策略，提高了控制品質(zhì)，增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性，能夠滿足漿液pH值控制要求，具有很好的應(yīng)用參考價值。