基于硬件環(huán)境的pH值控制算法研究與設(shè)計

艾昌文 艾明曦

(1.云南大學(xué)省電子計算中心，昆明 650223；2.中南大學(xué)航空航天學(xué)院，長沙 410083)

在自動化領(lǐng)域，pH值控制策略引起了許多研究人員的興趣，并產(chǎn)生了有價值的研究成果，部分研究還結(jié)合酸堿中和反應(yīng)的特點，通過模擬仿真的方式對不同控制算法的優(yōu)劣進(jìn)行了評價，但這些研究成果大都沒有與具體的硬件環(huán)境相結(jié)合，受設(shè)備條件的限制和現(xiàn)場因素的影響，而實際控制過程遇到的問題要復(fù)雜得多。筆者從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，基于系統(tǒng)硬件構(gòu)成和具有高靈敏度特性的執(zhí)行機構(gòu)，論述了一種新的pH值控制策略，即通過仿人智能控制使pH值取得更優(yōu)的控制效果。

1.1 分段PID控制

酸堿中和反應(yīng)呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性特性、大時滯特性和快時變特性，難以建立數(shù)學(xué)模型，中和過程pH值滴定曲線的中間段增益很高，兩端增益卻很小[1]。傳統(tǒng)的PID控制算法對線性過程具有很好的控制效果，而對于具有嚴(yán)重非線性的pH值中和過程，中性臨界點附近的高增益使得常規(guī)PID控制器的參數(shù)調(diào)整非常困難。

為了用線性控制的方式實現(xiàn)pH值的非線性控制，通常采用分段PID控制策略，以近似表達(dá)pH中和反應(yīng)的非線性特點。在具體的實現(xiàn)方式上，一般采取三區(qū)段非線性變增益PID控制算法[2，3]，由于減小了中和反應(yīng)非線性的負(fù)面作用，其控制效果優(yōu)于常規(guī)PID控制器。但分段PID控制不能實現(xiàn)最優(yōu)控制，在控制器設(shè)計中，區(qū)段的劃分比較困難，不具備對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)性，缺乏學(xué)習(xí)功能，沒有理論分析結(jié)果保證其穩(wěn)定性，而且參數(shù)的在線整定非常困難。

1.2 模糊控制

一些難以建立數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)，用模糊邏輯推理對系統(tǒng)的實時輸入狀態(tài)觀測量進(jìn)行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制決策，卻能夠取得很好的控制效果。模糊控制技術(shù)常用于pH值調(diào)節(jié)[4～6]，特別是一些對控制精度要求不高的場合。測量信息的模糊化、推理機制的建立和輸出模糊集的精確化是模糊控制需要完成的主要工作。實際應(yīng)用中，通常選擇誤差e及其微分項Δe作為推理參數(shù)構(gòu)造推理規(guī)則表。

模糊控制的優(yōu)勢在于不需要了解被控對象的精確模型，基于模糊集合及模糊邏輯等模糊數(shù)學(xué)理論，能適用于比較復(fù)雜的不確定非線性系統(tǒng)。其主要問題在于缺乏良好的學(xué)習(xí)能力，精確度較差，應(yīng)用到非線性系統(tǒng)中有時難以保證穩(wěn)定性。

1.3 無模型自適應(yīng)控制

無模型學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制(MFLAC)是從I/O數(shù)據(jù)中提取出偽梯度向量和偽階數(shù)，并以此為基礎(chǔ)在受控系統(tǒng)軌線附近用一系列的動態(tài)線性時變模型替代一般離散時間非線性系統(tǒng)，進(jìn)而實現(xiàn)非線性系統(tǒng)的無模型控制[7]。也可以先采用簡單控制器對被控對象加以控制，而后自適應(yīng)地尋優(yōu)和修正控制器或閉環(huán)通道上的參數(shù)，從而實現(xiàn)對pH值控制系統(tǒng)的自適應(yīng)控制。

另一種常見的無模型自適應(yīng)策略(MFA)則是將一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)引入控制器模塊，以輸出向量的誤差為基礎(chǔ)來減少系統(tǒng)輸出與設(shè)定值之間的差距，在線地修正其中的加權(quán)因子從而達(dá)到自適應(yīng)控制的目的[8,9]。

無模型自適應(yīng)控制具有收斂性和穩(wěn)定性的理論證明，應(yīng)用于pH值控制已取得實際成果[10]，因其約束條件較多，目前還存在一些需要研究解決的問題。

1.4 仿人智能控制

仿人智能控制，即從宏觀結(jié)構(gòu)上和行為功能上對人的控制進(jìn)行模擬。通過大量的實驗發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過必要的訓(xùn)練后，由人實現(xiàn)的控制方法是接近最優(yōu)的。這種方法不需要了解對象的結(jié)構(gòu)、參數(shù)，不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，而是最大限度地識別和利用控制系統(tǒng)動態(tài)過程所提供的特征信息，根據(jù)積累的經(jīng)驗和知識進(jìn)行在線推理，合理確定或變換控制規(guī)則[11]。

仿人智能控制在同樣條件下，所獲得的有關(guān)動態(tài)過程的各種信息要比傳統(tǒng)控制方式豐富得多，它不僅知道當(dāng)前系統(tǒng)輸出的誤差、誤差變化和誤差變化趨勢，還知道前期控制效果和識別前期控制決策的有效性。

仿人智能控制通過定性決策和定量控制相結(jié)合的多模態(tài)組合控制方法，能對復(fù)雜系統(tǒng)(如非線性、快時變、復(fù)雜多變量及環(huán)境擾動等)進(jìn)行有效的全局控制，并具有較強的容錯能力和學(xué)習(xí)能力。其難點在于缺乏完整的理論體系支撐，需要對人工控制經(jīng)驗進(jìn)行提煉，根據(jù)獲取的特征信息，建立并優(yōu)化其控制規(guī)則。

2 硬件平臺和工藝流程

在應(yīng)用系統(tǒng)中，pH值控制算法需要在特定的硬件環(huán)境下運行，現(xiàn)有的各類計算機系統(tǒng)具有強大的運算處理能力，不會成為應(yīng)用瓶頸，而執(zhí)行機構(gòu)響應(yīng)的及時性和控制精度直接影響控制品質(zhì)[1]，是決定控制算法能否有效實施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

pH值控制過程是通過動態(tài)地向被測液體中添加酸、堿溶液來完成的，根據(jù)生產(chǎn)工藝的特定需求，有時要對添加劑流量做大幅調(diào)節(jié)，有時僅對添加劑流量做微小調(diào)節(jié)。此外，有些添加劑比較粘稠，甚至含有顆粒物，在這種情況下需要選用不容易發(fā)生堵塞的流量調(diào)節(jié)設(shè)備。因此，要達(dá)到良好的控制效果，對流量調(diào)節(jié)設(shè)備及其控制技術(shù)具有非常高的要求。

在人工控制pH值的過程中，閘閥是理想的流量調(diào)節(jié)裝置，不僅可以實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)控制，適用于不同的應(yīng)用環(huán)境和要求。人工控制的難點在于個體的差異性、疲勞程度和響應(yīng)的及時性。

圖1為pH值自動控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。

圖1 pH值自動控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

pH值自動控制系統(tǒng)中使用電動球閥作為執(zhí)行機構(gòu)，與電動閥門配套使用的電動執(zhí)行器有不同的運行速度，全行程時間從5、10、15、30s到60、100、120s不等，可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行選擇，在開關(guān)時間上不及人工操作快，但完全可以滿足使用要求。

普通電動球閥的主要問題是控制靈敏度較低，一般在1%～3%，遠(yuǎn)低于人工操作閘閥的控制靈敏度和精度，在需要進(jìn)行精確逼近控制時很難達(dá)到使用要求。為解決這一問題，在控制方式上，采用電動閥門無振蕩高靈敏度控制技術(shù)[12]，提高閥門的調(diào)節(jié)靈敏度，經(jīng)實際測試，其控制靈敏度可以達(dá)到2‰，很好地滿足了添加劑流量的微量調(diào)節(jié)需求。

電動球閥作為流量調(diào)節(jié)裝置，機電系統(tǒng)不需要頻繁工作，故障率低、維護(hù)量小、使用壽命長，特別是調(diào)節(jié)石灰水一類粘稠、含有未溶解的顆粒狀液體，不易出現(xiàn)堵塞，是電動球閥具有的主要特性。

設(shè)計的pH值控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的工藝流程如圖2所示。

3 算法實現(xiàn)

3.1 設(shè)計目標(biāo)

由于常規(guī)控制的局限性很難同時滿足響應(yīng)速度和靜態(tài)精度的要求，因此為優(yōu)化控制效果，需要引入智能控制，一個設(shè)計良好的pH值控制算法應(yīng)具有以下基本特征：

a. 當(dāng)pH檢測值與pH設(shè)定值有較大偏差時，需要實現(xiàn)大幅快速調(diào)節(jié)，縮短系統(tǒng)的穩(wěn)定時間，并朝目標(biāo)值進(jìn)行收斂；

b. 當(dāng)pH檢測值逐步接近pH設(shè)定值時，需及時調(diào)整控制策略，抑制并減少超調(diào)量，直至進(jìn)行微量調(diào)節(jié)，使被控pH值最大限度地逼近其目標(biāo)值并最終趨于穩(wěn)定；

圖2 pH值控制系統(tǒng)工藝流程

c. 適用性強，能應(yīng)用于不同的工業(yè)場合，控制參數(shù)的現(xiàn)場整定工作簡單易行；

d. 具有較強的故障診斷和抗干擾能力。

3.2 控制規(guī)則

通過對不同控制策略的特點進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，仿人智能控制算法非常適合于pH值控制，在難以建立數(shù)學(xué)模型的情況下，為了解決系統(tǒng)的大時滯、快時變及嚴(yán)重非線性等問題，對人工控制過程和行為進(jìn)行模擬，在良好的硬件環(huán)境支持下，實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)具有充分的可行性。

為了獲得滿意的控制效果，需要對被控對象特征的變化進(jìn)行辨識，根據(jù)辨識結(jié)果，合理地確定控制方式，實時地選擇大小和方向進(jìn)行閥門開度調(diào)節(jié)。在算法的具體實現(xiàn)上，先將辨識結(jié)果按優(yōu)先級別進(jìn)行劃分，然后建立分層控制規(guī)則，這是該仿人pH值控制算法的核心思想，其主要規(guī)則描述如下：

a. 第一層為最高優(yōu)先層，實現(xiàn)系統(tǒng)異常情況識別，主要包括閥門故障、pH值信號異常、添加劑異常和被檢測液體異常。當(dāng)異常情況發(fā)生時，對故障進(jìn)行識別、定位并報警，等待故障排除后再切換到正常運行狀態(tài)。

b. 第二層識別閥門開度的經(jīng)驗值，包括閥門初始開度經(jīng)驗值和異常情況發(fā)生前閥門開度值。閥門初始開度經(jīng)驗值是開機時閥門開度的依據(jù)；自動控制系統(tǒng)正常運行時的閥門開度值，可以作為從異常情況發(fā)生、故障排除再回到正常控制時閥門開度的經(jīng)驗值。

c. 第三層對pH值偏差和偏差變化率進(jìn)行識別，這是系統(tǒng)仿人工實現(xiàn)大幅快速調(diào)節(jié)的依據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)的誤差趨于增加或保持常值時，仿人控制規(guī)則采用比例、微分控制模式，偏差和偏差變化率越大，控制作用越強烈，此時系統(tǒng)處于閉環(huán)工作狀態(tài)，抑制系統(tǒng)的誤差增加或迫使誤差迅速減小。

d. 第四層判斷是否滿足精調(diào)的控制條件，當(dāng)系統(tǒng)誤差趨于減小并進(jìn)入微調(diào)范圍時，仿人控制規(guī)則采用微量調(diào)節(jié)模式，此時系統(tǒng)處于開環(huán)工作狀態(tài)，使被控參數(shù)最大限度地逼近目標(biāo)值，優(yōu)化控制效果。

對應(yīng)于控制算法運行的硬件平臺，本次閥門開度Uk可用以下關(guān)系式表示：

Uk=Uk-1+f(Dk，Tk)

Tk=f(ek，ek-1，ek-2，ek-m)

式中Dk——本次閥門開關(guān)方向；

ek、ek-1、ek-2——最近3次的采樣偏差；

ek-m——上次閥門調(diào)節(jié)時的采樣偏差；

Tk——本次閥門開關(guān)時間；

Uk-1——上次的閥門開度。

從以上關(guān)系式可以看出，閥門開度的調(diào)整與系統(tǒng)輸出的誤差、誤差變化和誤差變化趨勢相關(guān)聯(lián)。

3.3 控制參數(shù)

控制參數(shù)的整定是應(yīng)用現(xiàn)場必須面對的工作，一個設(shè)計合理、適用性強的控制算法，不應(yīng)使參數(shù)整定的過程過于復(fù)雜和困難。除pH值控制的目標(biāo)值外，以下參數(shù)也對控制算法起關(guān)鍵作用：

a. 閥門初始開度經(jīng)驗值U0。在特定的應(yīng)用場合，按照正常的生產(chǎn)工藝流程，閥門開度是相對固定的，該位置信息即閥門初始開度經(jīng)驗值。

b. 滯后時間t1。閥門開度調(diào)整后，在其他因素不變的情況下，因管道和反應(yīng)容器造成檢測點pH值開始發(fā)生變化的時間。

c. 反應(yīng)時間t2。閥門開度調(diào)整后，在其他因素不變的情況下，從滯后時間t1開始計算，到Δe趨于0的時間。

d. pH值控制范圍。pH目標(biāo)值±δ，在該范圍內(nèi)，當(dāng)Δe趨于0時，閥門位置處于保持狀態(tài)。

e. pH值采樣周期T。pH值測量、顯示更新的時間周期，該時間對Δe有實質(zhì)影響，采樣周期短，閥門開度調(diào)整時開關(guān)幅度減弱；采樣周期長，閥門開度調(diào)整時開關(guān)幅度增強。

4 結(jié)束語

仿人智能控制具有非常廣闊的應(yīng)用前景，筆者將其應(yīng)用到pH值實時測控，通過建立分層控制規(guī)則，奠定了仿人控制設(shè)計目標(biāo)的基礎(chǔ)。相對于傳統(tǒng)控制方法，pH值仿人控制具有明顯的特點和優(yōu)勢，在算法主體架構(gòu)完成的基礎(chǔ)上，自動識別生產(chǎn)工藝特征，實現(xiàn)控制參數(shù)的優(yōu)化和修正，該方法將較高地提升系統(tǒng)的智能化程度。

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