武軍 （1974-）

男，河南省長葛市人，碩士，西安鐵路職業技術學院，講師，主要從事自動控制與電力拖動系統的研究。

摘要：鍋爐給水pH值要求控制在一定的堿性范圍內，pH值控制過程是典型的非線性控制過程，加之主控過程涉及長距離的液體傳輸和反應器中化學反應包含長時間的潛伏期，導致系統具有嚴重的時滯性。為此提出并采用變增益三區段非線性PID和積分模糊控制(IFC)算法，利用西門子S7-200PLC進行編程控制，實現了對數據進行濾波處理并采樣精確化，最終實現了對加藥控制系統的實時自動化。

關鍵詞：PH值控制；PLC；加藥系統；自動控制

Abstract: The water pH value of the boiler needs to be controlled in certain alkalinity 
scope. Its controlling process is a typical nonlinear process. In addition, the master 
control process involves the long distance liquid transmission and the chemical reaction in 
the reactor contains the long time incubation period, which makes the system have the 
serious time delay. Therefore, in this paper we propose the nonlinear PID and the integral 
fuzzy control (IFC) algorithm, which carries on the Simens S7200PLC programming controller. 
The method realizes data filtering and  precise sampling, and finally achieves automation of 
medicine control system on real time.

Key words: PH value control; PLC; system of chemicals-adding; Automatic control

1 引言

    目前，我國大型鍋爐的給水與蒸汽質量指標要求十分嚴格，因而需要對爐水品質進行連續的控制和監視。對pH測量國內外多采用傳統的PID算法，但由于反應過程中，中和點附近的高增益使得傳統的PID控制器的參數調整非常困難，因為控制器只能采用很小的比例增益，否則系統不穩定；而比例增益過小，又使系統的動態特性變壞^[1] 。在鍋爐給水加藥測控裝置方面，已經實現了加藥系統的自動化，但無自動配藥裝置，配藥仍然采用最原始的配藥方法，即根據汽水實驗室的化驗結果，進行人工配藥，這樣不僅工作強度大，而且因所加的藥(氨、聯胺)屬于有劇毒易揮發的物質，給操作工人身心健康造成嚴重危害，并導致了環境的污染^[2] 。

    在本文中，提出了兩種新型pH值控制方法，即變增益三區段非線性PID和積分模糊控制(IFC)算法，通過對帶有時滯的pH值中和過程進行數字仿真，結果表明，兩種控制算法具有魯棒性強、響應速度快和控制精度高的特點，尤其是IFC算法能克服pH值中和過程中的較大時滯。并通過在某電廠的實際應用，已經完美實現了鍋爐給水配藥、加藥系統的全自動控制^[3] 。

2 pH值控制方法的研究

2.1 常規PID控制

    按偏差的比例(P-Proportional )、積分(I-Integral)和微分(D-Derivative)線性組合進行控制的方式，就是PID控制。一個常規的PID控制系統如圖1所示，其中r為參考輸入信號，PID表示控制器，P為被控對象模型，d為干擾量，e (k)為系統誤差，u(k)為控制量，pH(k)為被控過程輸出量。

                                圖1   典型pH值控制系統

    可見，常規PID控制中的比例作用實際上是一種線性放大或縮小作用，很難適應酸堿中和過程中被控對象非線性的特點。

2.2 變增益三區段非線性PID控制

    將pH值變化過程按照拐點分為三個區段，一個高增益區，兩個增益系數不同的低增益區，高增益區控制器采用較低的增益，在不同的低增益區控制器采用不同的高增益，來滿足系統期望的性能指標要求。此外，為防止積分飽和采用帶死區的PID控制算法和帶輸出限幅的PID控制算法。

2.2.1 帶死區的PID控制

    如果采用常規的PID控制易產生積分飽和現象，使控制量過大。如果采用帶死區的PID控制，就會降低計量泵的調節量的頻繁變化，減小pH值的波動。

    帶死區的PID調節器，當誤差較小時，即進入死區后，調節器的輸出為積分器在此以前的內容，實際上這時的閉環調節作用已經消失，控制輸出不會發生變化。誤差較大時恢復其控制作用。

2.2.2 帶輸出限幅的PID控制

    由于長期存在偏差或偏差較大時，計算的控制量有可能出現飽和而溢出。如果執行機構已達到極限位置仍然不能消除偏差時，由于積分的作用，控制量繼續增大或減小，而執行機構已無相應的動作。當出現積分飽和時，勢必使超調量增加，控制品質變壞。作為防止積分飽和的辦法之一，可以對控制量限幅，同時停止積分作用。

2.3 模糊控制IFC算法^[4][5]

    模糊控制的基本原理如圖2所示，它的核心部分是模糊控制器，如圖中虛線框中部分所示。模糊控制器的控制規律由計算機的程序實現。控制算法可概括為以下四個步驟：

    (1) 根據本次采樣得到的系統輸出值，計算出輸入變量；

    (2) 將輸入變量的精確量變為模糊量；

    (3) 根據輸入變量(模糊量)及模糊控制規則，按模糊推理合成規則計算控制量(模糊量)；

    (4) 由上述得到的控制量(模糊量)計算精確的控制量。

                               圖2   模糊控制原理圖

3 數據采集濾波處理

3.1 控制流程

                               圖3   爐水加藥控制系統

    本系統從在線分析儀表（磷酸根表、pH表）中提取4-20mA信號，根據運行工藝參數和確定的數學模型，進行窗口式PID復合運算，中間結果送變頻器控制加藥泵加藥量實現加藥自動閉環調節。

3.2 IFC算法在該項目中的濾波處理應用

    本控制系統中濾波程序的基本原理為：在周期時間內連續取5個的采樣值，并求出其平均值=1∕5      

    采集當前值，并求出差值 =Xi－采集值與平均值的差

    若>0.2則舍棄Xi 取=0.2為根據實際情況設定的信號波動的范圍值；

    若 ≤0.2則即X₁出棧，X₂替換X₁，X₃替換X₂，依次遞推，用當前采樣的X₆替換X₅然后用這5個新的數值再求，再進行比較。如此周而復始的執行這段程序就可以實現濾波的功能，達到濾波的目的。

3.3 PLC控制流程

    自動加藥控制系統的核心是一套可編程控制器（PLC），控制器安裝在現場，采集相應的水質數據。由于化學加藥系統具有純滯后性質，會導致控制作用不及時，引起系統產生超調或振蕩，利用PLC的控制算法（采用經改進的數字PID控制算法和模糊控制算法），輸出控制信號（變頻器的頻率）到現場調節交流變頻器，進而控制電機的轉速來調節加藥泵的出力。流程圖如圖4所示。

                               圖4   PLC濾波程序流程圖

    采用濾波程序后可以通過趨勢畫面中pH值的趨勢顯示看出濾波的效果，如圖5所示。

                                圖5   pH值的濾波效果圖

    圖中藍色線和白色線分別為原始采樣值，紅色線和綠色線為經過數字濾波之后的數值。由此可以看出濾波程序的應用得到了預期的目的。(下圖是放大后的效果，粉紅色為沒有經過處理的信號值，綠色線為經過程序濾波處理后所得。)

                                     圖6   pH值的濾波效果圖（放大）

4 結論

    經實踐證明基于可編程序控制器的化學自動加藥控制系統可靈活滿足各類化學加藥系統的在線監控。系統自2007年1月投運以來，運行穩定可靠，鍋爐、及輔機設備全面實現自動調節，達到了預期的效果，解決了以往手動控制難以保證水質指標穩定的困難，減輕了運行人員的工作強度，受到了公司領導和運行、維護人員的一致好評。