串级变比值模糊PID烟气脱硫浆液pH值控制优化及仿真

黄 磊，官正强，唐德东，宋乐鹏

（重庆科技学院 电气工程学院，重庆 401331）

0 引言

火电厂湿法烟气脱硫工艺自烟气进入吸收塔到生成石膏全过程本质上是一种酸碱中和反应。吸收塔内浆液pH值的控制是提高脱硫效率，掌控石膏品质的关键环节。本文针对火电厂湿法烟气脱硫吸收塔浆液pH值调节过程具有非线性、大滞后性、耦合性与时变性等特点，通过调研发现：单回路控制方法存在调节延迟大的问题，可以利用串级控制反应快且能及时消除内扰的特点来应对；由于串级控制又存在PID参数难以整定的特点，故可以利用模糊控制的优势来化解；而烟气参数不稳定则可以利用变比值的思想来消除，最后提出了一种基于串级变比值模糊PID控制方法。

1 吸收塔浆液pH值控制系统

本文研究的对象是火电厂烟气脱硫系统中的吸收塔脱硫部分，其简化的工艺流程如图1所示。

由工艺简图可以看出，吸收塔是工序的核心，原烟气从吸收塔中部入塔，石灰石浆液由浆液循环泵打入塔上部的喷淋装置，形成水雾状态往下喷淋，与原烟气接触产生化学反应，反应后的烟气经过除雾器后从顶部出塔。吸收塔系统的关键就是通过调节新鲜的石灰石浆液流量来保证吸收塔内浆液的pH值稳定在一定范围内，根据实际某环保单位设计的实际报警pH值为5～7，但通过经验总结和化学计算分析，在实际控制过程中应使其保持在4.9～5.6为最佳。若pH值高于5.6，吸收塔浆液中的钙离子溶出速度减缓，同时亚硫酸根离子的氧化也受到抑制，且亚硫酸钙和半水亚硫酸钙会增加，易发生结垢和堵塞。若低于4.9，则不利于二氧化硫的吸收[1]。

图1 石灰石-石膏湿法脱硫工艺流程简图Fig.1 Schematic diagram of limestone-gypsum wet desulfurization process

图2 串级变比值模糊PID控制框图Fig.2 Block diagram of cascade PID with variable ratio fuzzy control

2 串级变比值模糊PID控制

模糊控制与经典控制的根本区别是：它不需要建立关于被控对象的精确数学模型，而是完全凭借操作工人或专家的经验知识，应用人的逻辑推理方式来“直观”地进行控制[2]。模糊控制的这些特点能够适合浆液pH值的控制，所以本文将模糊控制运用到浆液pH值的控制中，然后加入变比值方法来调节pH值，最后通过Matlab对所设计的控制方法进行仿真，验证该方法对浆液pH值的控制效果。

本文设计的串级变比值模糊PID控制框图如图2中的方案2所示。方案1通过副回路的浆液流量来调节，其副控制器是PID控制；方案2的副回路加入烟气流量Q2，通过脱硫工艺计算出比值器的参数K作为副回路的反馈，同时将副回路的经典PID控制器换为模糊PID控制器。图中u0是经过pH调节器后副回路的输入电压值，u1是浆液流量变送后电压反馈值；u2是浆液流量Q1与烟气流量Q2经比值器后再通过增益得到的方案2的电压反馈值；u3是经模糊PID调整后直接控制变频器的电压值，得到频率f，产生转速n，从而达到浆液流量的控制。最终通过对比两种方案得到的浆液pH值仿真图来验证串级变比值模糊PID控制的控制效果。

图3 模糊自适应PID控制器原理图Fig.3 Schematic diagram of fuzzy adaptive PID controller

根据系统验证及有关资料表明，其传递函数[3]可以近似表示为：

2.1 模糊控制原理

吸收塔浆液pH值的模糊PID的控制原理如图3所示，吸收塔pH值的偏差e以及偏差变化率ec不断被检测计算，通过模糊控制器中设定的规则进行模糊推理和模糊运算，得到3个参数的修正值，以此来调整PID控制器，实现被控对象的自适应控制。

2.2 模糊集及影响因子

模糊等级过多会造成“规则爆炸”[4]。因此，采用7个模糊等级划分法。输入量包括偏差e和偏差变化率ec，输出量包括ΔKp、ΔKi、ΔKd，这5个量的模糊集分为{负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（Z），正小（PS），正中（PM），正大（PB）}。输入量e和ec的论域定义为（-3，3），ΔKp定义为（-2，2），ΔKi和ΔKd定义为（-0.6，0.6）。由论域可得量化因子Ke为3，Kec为3，比例因子都选1/3。5个变量选择工程中常用的三角隶属度函数。

表1 ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制规则表Table 1 ΔKp,ΔKi,ΔKd Fuzzy control rules table

图4 浆液pH值Matlab/Simulink仿真程序图Fig.4 Matlab/Simulink simulation program diagram of slurry pH value

2.3 模糊控制规则表

根据前人的经验，通过实践操作，理论研究整理得出ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制规则表如表1所示[5]。

当输入量e和ec通过模糊化接口后转化为模糊量，然后根据表1的模糊规则进行模糊推理，得到对应的整定值ΔKp、ΔKi、ΔKd，将其乘以比例因子在加上之前的PID参数值，通过叠加计算得出新的PID参数，公式为：

3 仿真与结果分析

为了对上述的理论分析进行验证，本文在Matlab/Simulink软件中搭建了该控制系统的仿真程序，同时将其与常规串级PID进行比对，如图4所示。

吸收塔浆液pH值的传递函数见公式（1），其中常规串级PID控制中，Kp=2.9，Ki=1.98，Kd=0.89，串级变比值模糊PID中，PID初始设定值Kp=3.18，Ki=1.85，Kd=0.75，浆液pH值初始设定为5.5，两种控制方式产生的波形对比图如图5 所示。

通过仿真结果的对比可知，串级变比值模糊PID控制对浆液pH值的调节比常规的串级PID控制具有小的超调量，同时振荡周期有明显地降低，整个系统的稳定性更好，表明使用这个控制方式达到了理想的效果。

图5 仿真结果对比图Fig.5 Comparison chart of simulation results

4 结论

吸收塔系统是整个脱硫的中央枢纽，对浆液pH值的调控直接决定脱硫的成败。本文建立的串级变比值模糊PID控制系统能够改善浆液pH值的控制。通过理论分析和仿真实验可得：改善后的控制策略，提高了控制品质，增强了系统稳定性，能够满足浆液pH值控制要求，具有很好的应用参考价值。