串級變比值模糊PID煙氣脫硫漿液pH值控制優化及仿真

黃 磊，官正強，唐德東，宋樂鵬

（重慶科技學院 電氣工程學院，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上是一種酸堿中和反應。吸收塔內漿液pH值的控制是提高脫硫效率，掌控石膏品質的關鍵環節。本文針對火電廠濕法煙氣脫硫吸收塔漿液pH值調節過程具有非線性、大滯后性、耦合性與時變性等特點，通過調研發現：單回路控制方法存在調節延遲大的問題，可以利用串級控制反應快且能及時消除內擾的特點來應對；由于串級控制又存在PID參數難以整定的特點，故可以利用模糊控制的優勢來化解；而煙氣參數不穩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

本文研究的對象是火電廠煙氣脫硫系統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泵打入塔上部的噴淋裝置，形成水霧狀態往下噴淋，與原煙氣接觸產生化學反應，反應后的煙氣經過除霧器后從頂部出塔。吸收塔系統的關鍵就是通過調節新鮮的石灰石漿液流量來保證吸收塔內漿液的pH值穩定在一定范圍內，根據實際某環保單位設計的實際報警pH值為5～7，但通過經驗總結和化學計算分析，在實際控制過程中應使其保持在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，易發生結垢和堵塞。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

模糊控制與經典控制的根本區別是：它不需要建立關于被控對象的精確數學模型，而是完全憑借操作工人或專家的經驗知識，應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節pH值，最后通過Matlab對所設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節，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K作為副回路的反饋，同時將副回路的經典PID控制器換為模糊PID控制器。圖中u0是經過pH調節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經比值器后再通過增益得到的方案2的電壓反饋值；u3是經模糊PID調整后直接控制變頻器的電壓值，得到頻率f，產生轉速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PID控制器原理圖Fig.3 Schematic diagram of fuzzy adaptive PID controller

根據系統驗證及有關資料表明，其傳遞函數[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定的規則進行模糊推理和模糊運算，得到3個參數的修正值，以此來調整PID控制器，實現被控對象的自適應控制。

2.2 模糊集及影響因子

模糊等級過多會造成“規則爆炸”[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。

表1 ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制規則表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 模糊控制規則表

根據前人的經驗，通過實踐操作，理論研究整理得出ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制規則表如表1所示[5]。

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

3 仿真與結果分析

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的仿真程序，同時將其與常規串級PID進行比對，如圖4所示。

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

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

圖5 仿真結果對比圖Fig.5 Comparison chart of simulation results

4 結論

吸收塔系統是整個脫硫的中央樞紐，對漿液pH值的調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，增強了系統穩定性，能夠滿足漿液pH值控制要求，具有很好的應用參考價值。