基于专家协调级的模糊PID在pH值串级控制回路中的应用

张爱娟　胡慕伊　黄亚南　熊智新

(南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏南京，210037)



·废水处理pH值控制·

基于专家协调级的模糊PID在pH值串级控制回路中的应用

张爱娟胡慕伊*黄亚南熊智新

(南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏南京，210037)

制浆造纸废水厌氧处理过程的pH值是一个非线性,大时滞,强干扰的控制对象。因此,为提高模糊控制器的精度,利用专家控制规则调整模糊控制的量化因子,本课题设计了基于专家协调级的模糊PID控制的pH值串级控制系统。应用结果表明，控制方案实用性强,控制效果较佳。

专家协调；模糊PID；厌氧处理；pH值控制

(*E-mail: muyi_hu@njfu.com.cn)

制浆造纸的废水处理一般都采用好氧和厌氧相结合的方法。影响厌氧处理过程的因素有温度、pH值、常量及微量营养元素等[1]。厌氧处理中的pH值范围为6.8～7.2。厌氧菌一般在中性或弱酸性中生长,过酸或过碱对厌氧菌的活动都不利[2]。为提高厌氧过程的处理效果,本课题设计了基于专家协调级的模糊PID串级控制系统,对厌氧处理过程的pH值进行调节控制。

从酸碱中和曲线可知，pH值的控制过程是非线性过程,在中和曲线中点附近,pH值变化的灵敏度很高。除此之外,调节制浆造纸废水pH值时需要两种中和剂,而且混合过程和测量环节都会有纯滞后[3]。因此,这对控制器的控制精度及控制器对滞后的敏感度都有较高的要求。显然常规PID控制器达不到控制要求,模糊自适应PID控制器的控制精度高,响应快,动态品质好[4]。因此,选择采用模糊PID智能控制算法来控制厌氧处理过程中调制池的pH值。由于模糊PID控制器的控制效果受量化因子的影响,在模糊PID控制的基础上,利用专家控制规则来改进和提高其控制效果。通过实时输入来调整模糊PID控制器的量化因子,使模糊PID控制器具有更好的控制特性,从而实现对厌氧处理过程pH值的精确稳定控制。

1　厌氧处理过程的pH值控制原理

厌氧处理技术是指在无需提供氧气的情况下,利用厌氧菌的代谢特点,并且把被还原有机物作为受氢体来降解制浆造纸废水中的有机污染物。在整个厌氧处理过程中,厌氧微生物对pH值的要求较高,只有当pH值保持在一定的范围内,它们才会存活,才能达到降解有机污染物的目的[5]。因此,pH值是一个至关重要的影响因素。

在实际厌氧处理过程中,防止敏感的厌氧菌受到环境突然变化的影响,把pH值调制池和反应池分开,先在调制池中对制浆造纸废水的pH值进行调节,调节好pH值之后,再送到下面的厌氧反应器进行反应。在制浆造纸废水pH值调制池中,一般采用氢氧化钠和盐酸作为中和剂。实际中,由于中和反应的非线性,pH值的偏差不能说明中和剂的所需量,所以把控制pH值转化为控制中和剂的体积[6]。

制浆造纸废水处理的pH值调制原理如图1所示。从图1可看出，调制池的入口主要包括制浆造纸废水流量、氢氧化钠流量和盐酸流量。出口即是调制好的pH值的废水流量,接着被送往下面的反应器。在调制池的制浆造纸废水入口和出口处都有pH值和流量检测仪表,氢氧化钠和盐酸的管道上都安装有流量计。在实际控制中,主要是通过控制进入调制池的氢氧化钠和盐酸的流量来调节废水的pH值。从图1中也可看出，pH值控制回路是主环,酸碱液的流量回路是副环。

图1　pH值调制池的控制原理

图2　pH值串级控制系统

2　pH值串级控制系统

为提高调制池中pH值的控制精度,采用自适应的模糊PID控制算法,并且引入专家控制来调整模糊PID的量化因子Ke和Kec,进一步提高控制器的自适应能力和控制精度。

厌氧处理过程的pH值控制方案的结构如图2所示。影响调制池pH值大小的因素主要有入水pH值、中和液的浓度和流量。这里主要侧重调节和稳定中和液的流量,因此,考虑到上面存在的干扰,把中和液的流量调节作为副环,调节池的pH值控制作为主环,这样组成厌氧处理过程的pH值串级控制系统。其中,主环的pH值控制器选用带有专家协调级的模糊PID控制器,以此来提高pH值的控制精度和响应速度；副环的流量控制器选用常规的PID控制来提高响应速度,有效快速地克服中和液的浓度干扰。

当中和液的浓度发生波动时,流量调节回路就会具有快速调节作用,有效地克服干扰。其中,按pH值的设定值与实际值的偏差来选择中和液是盐酸还是氢氧化钠,即选择好控制回路。

3　专家模糊PID控制器的设计

模糊PID控制器是使用较广泛的先进智能控制算法,其控制精度高,抗干扰能力好。但是模糊PID控制器的量化因子Ke和Kec对模糊PID控制器性能有一定影响,因此,引入专家控制来实时调整量化因子,其控制器结构如图3所示。专家模糊PID控制器可以分为基本模糊控制级和专家智能协调级两个部分。

图3　专家模糊PID控制器结构

3.1基本模糊控制级

3.1.1模糊控制器输入及输出变量

在厌氧处理的pH值控制中,模糊PID起到最基础的作用,模糊PID控制器的设计至关重要。模糊PID控制是将模糊控制思想与PID控制相结合,实现PID参数的自调整,提高控制器的控制性能。模糊PID控制器的核心思想就是利用模糊控制规则,根据实际的偏差和偏差变化率来实时调整PID参数。

模糊控制器的输入是pH值的设定值与实际值的偏差e和偏差变化率ec,输出则是比例、积分、微分参数。pH值实际控制过程中,pH值偏差范围为[-7,7],故由映射关系,设输入变量e和ec的基本连续论域为[-3,3]；输出变量的基本论域为[-3,3]。将输入和输出变量分别模糊化后,得出输入和输出的模糊论域为{-3,-2,-1,0,1,2,3}。输入和输出变量的模糊子集均为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},记为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。输入和输出变量的两条边界隶属函数NB和PB选用高斯型隶属函数,其余的考虑到计算方便和控制精度问题,均选用三角形隶属函数。

3.1.2模糊控制查询表

模糊PID控制中,最核心的是模糊控制规则表,最后PID参数的输出由制定的模糊控制规则表决定。

pH值偏差e和偏差变化率ec在不同范围时,调整PID参数的原则不同。当偏差e的绝对值较大时,应取较大的Kp来提高响应速度,取较小的Kd来避免微分饱和情况；当偏差e的绝对值较小时,应适当增加Kp和Ki值,避免在设定值附近出现震荡[7]。根据这些调整原则可得出Kp、Ki、Kd的模糊控制规则表(见表1～表3)。模糊控制规则表不能直接控制被控对象,要进行反模糊化,把模糊量变成精确量,所以采用加权平均法进行解模糊。根据输入e和ec模糊量化后的值,计算出Kp、Ki、Kd的具体数值,即可得到最终的模糊控制查询表,然后存储在计算机中,后序的实时控制时,根据各自的模糊控制查询表来确定最终控制量输出的大小。

表1　Kp模糊控制查询表

表2　Ki模糊控制查询表

表3　Kd模糊控制查询表

3.2专家智能协调级

在模糊PID控制器中,量化因子Ke和Kec对模糊PID控制器的控制特性有一定的影响,如果使用固定不变的Ke和Kec,控制器的动态响应和稳态精度很难同时达到控制要求。因此,利用专家经验规则,并且通过专家系统的在线自学习和推理能力来调整Ke和Kec,使其可以根据偏差e和偏差变化率ec的范围来实时改变并提高控制器的性能。

专家控制主要是根据某个领域的专家经验来进行推理,解决较复杂的问题。专家控制的基本工作原理是首先通过信息获取和处理单元,获取专家和操作员工的相关经验知识,把这些经验知识进行处理,组成专门的知识库。然后推理机根据知识库中的专家经验进行推理,同时更新知识库。最后把推理机的推理结果和控制规则集里相关的规则进行匹配,决定最终的输出来控制被控对象。最后的输出信息被反馈送到专家控制器中的信息获取和处理单元中,进行与之前相同的操作,不断经过检测处理、推理、输出等过程,以此来实现对控制对象的实时控制。

在一般的闭环系统的阶跃响应的开始阶段,采用变参数控制来获取良好的控制特性,Ke应取最大值,Kec应取最小值。当输出靠近阈值e_max时,减小Ke,同时增大Kec,可避免出现超调,也不会影响系统的上升时间。当系统出现超调,减小Ke,增大Kec[8]。

根据相关的专家控制经验,得出下面的专家控制规则：

(1) ife>0 andec<0 ande>e_max, thenKe(k)=Ke_max,Kec(k)=Kec_min

(2) ife>0 andec<0 andee_max, thenKe(k)=Ke_1-ΔKe,Kec(k)=Kec_1+ΔKec

(3) ife*ec>0, thenKe(k)=Ke_1-ΔKe,Kec(k)=Kec_1+ΔKec

(4) elseKe(k)=Ke_1,Kec(k)=Kec_1

式中,Ke_max和Kec_min为量化因子的最大值和最小值；e_max为设定的阈值；Ke_1和Kec_1为量化因子Ke和Kec的上一采样周期的值。

利用专家控制规则调整模糊PID的量化因子的过程,在后面的仿真中要通过S函数来实现，如图4所示。利用Simulink库中的S-Function模块建立一个专家调整模糊PID量化因子的子系统。上述的专家控制规则用M文件编写完成,并命名为expertc.m。然后把图中S-Function模块中的S-Function name参数设置为上面编写的M文件的名称expertc,模块的S-Function parameter参数设置为Ke和Kec的初始值。最后封装即可得到利用专家规则调整模糊量化因子的子系统。

图4　专家调整量化因子的子系统

图6　模型匹配时的仿真结果

图7　模型失配时的仿真结果

4　仿真实验

为了验证带有专家协调级的模糊PID控制方案在实际应用时的可行性,先把控制算法在Simulink中进行仿真,根据仿真结果判断方案的实用性。

[9],考虑因为管道和仪表检测过程的纯滞后,pH值的数学模型可近似为式(1)。

(1)

式中,V表示pH值调制池的容积；F表示入口废水的流量；τ为过程的延迟时间。根据实际情况,选取式(1)中的参数为：V=102m3；F=250m3/h；τ=4s。

把参数代入,并化简得到最终的pH值的数学模型见式(2)。

(2)

另外,副回路的流量控制过程的传递函数选取为式(3)。

(3)

图5　控制方案的仿真模型图

把上面的专家控制规则用M文件编写,并利用S-Function模块把S函数调用到建立的模糊PID的Simulink仿真模块中。整个控制方案建立的仿真模型图如图5所示。

当主回路和副回路的传递函数与式(1)和式(2)匹配时,利用构建好的专家协调级的模糊pH值串级控制仿真模型进行仿真,并与无专家协调级的模糊PID串级控制及常规PID控制方案相比较。最后的仿真结果如图6所示。

实际控制过程中,受各种干扰因素的影响pH值的数学模型参数不可能保持固定。因此,必须考虑当模型参数发生变化时,控制方案的自适应能力和控制精度是否依然满足控制要求。

当主回路和副回路的传递函数中的参数在一定范围内发生变化时,3种控制方案的响应曲线如图7所示。

从图6和图7的仿真结果可知本课题提出的带有专家协调级的模糊PID串级控制方案,在主环和副环的传递函数参数不变和参数发生变化时,均能满足实际的pH值控制要求,超调小,系统的响应速度快,过渡时间短,并且能够及时快速地消除副环出现的干扰。因此,专家协调级的模糊PID控制方案具有较强的自适应能力,鲁棒性好,同时控制精度和动态响应都优于无专家协调级的模糊PID控制和常规PID控制方案。

5　实际应用

根据提出的专家协调级的模糊PID控制方案,将控制方案应用到制浆造纸废水的厌氧处理过程中来控制调节池的pH值,提高厌氧处理的效率。

实际应用时,采用西门子S7-300系列的PLC产品,并且利用STEP7编程来实现专家协调级的模糊PID控制算法。S7-300系列的PLC功能强大,自动化程度高,其中STEP7采用模块化编程。实际的控制过程是由操作站的WINCC组态界面对现场的pH值进行给定值设定,PLC程序根据现场检测仪表反馈回来的现场的pH值,计算出偏差以及偏差变化率,然后通过专家模糊算法给出最后的控制器输出,决定中和剂酸或碱的加入量,以此达到控制调制池pH值的目的。

厌氧处理过程的pH值范围为6.8～7.2,在实际控制中,把pH值的设定值设为7,从实际的控制曲线图8中可以看出,实际测量值在pH值等于7的左右进行波动,能够较好地满足6.8

6　结　论

在制浆造纸废水处理中,厌氧处理过程的pH值会直接影响厌氧菌的生长以及后序的反应过程,因此必须设计一套高效合理的控制系统来控制调制池的pH值。考虑到中和反应的非线性特点,引入模糊自适应的PID智能控制算法,并对其进行改进。由于模糊PID控制器中的量化因子对模糊控制器有直接的影响,一般模糊PID控制器的量化因子都固定不变。本课题利用专家系统中的专家经验和控制规则来实时地对模糊控制中的量化因子Ke和Kec进行调整,改善模糊PID控制器的控制品质,使其满足系统对动态响应和稳态精度的要求。最后的计算机仿真结果表明控制方案的实际可行性和可移植性,可以有效地对厌氧处理过程的pH值进行控制,同时,控制方案的抗干扰能力和鲁棒性都较好。

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(责任编辑：常青)

Application of Fuzzy-PID Based on Expert Supervisory in pH Cascade Control System

ZHANG Ai-juanHU Mu-yi*HUANG Ya-nanXIONG Zhi-xin

(JiangsuProvincialKeyLabofPulpandPaperScienceandTechnology,NanjingForestryUniversity,Nanjing,JiangsuProvince, 210037)

pH value is a nonlinear object with large time delay and strong interference in the anaerobic process of papermaking wastewater. Therefore, this paper designed the pH cascade control system based on expert adjustment of fuzzy PID quantization factor. The system used the expert rules to adjust quantization factor of fuzzy control, so as to improve the accuracy of fuzzy controller. Application results showed that the control system possessed edvident practicality and load efficient control result.

expert supervisory； fuzzy PID； anaerobic treatment； the control of pH

张爱娟女士,在读硕士研究生；研究方向：专家控制在造纸行业的应用。

2015-12-17(修改稿)

江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室;江苏高校优势学科建设工程资助项目。

TS736

ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.07.009

*通信联系人：胡慕伊先生,E-mail:muyi_hu@njfu.com.cn。