前饋-串級模糊PID控制廢液焚燒脫硫系統優化研究

申曄龍 李明輝 趙志軍 崔晨浩

摘? 要：針對無機鹽廢液濃度不同，在焚燒后產生的煙氣含量波動范圍大的問題，本文提出通過前饋控制來減少擾動對控制系統的影響，利用模糊算法提出模糊PID控制和串級控制來消除煙氣脫硫單回路控制調節延遲問題，基于浙大中控JX-300XP軟件設計了控制系統，對堿液進行調節，使煙氣中的SO2控制在10 mg/m3，可以滿足最新的煙氣排放標準，提高了脫硫效率。

關鍵詞：串級控制;模糊PID;前饋控制

中圖分類號：TP273? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）01-0027-04

Abstract：There have different about the concentration of inorganic salt waste liquid，and the fluctuation range of flue gas content after incineration is large. Feedforward control is proposed to reduce the influence of disturbance on the control system. Fuzzy algorithm is proposed to eliminate fuzzy PID control and cascade control to eliminate flue gas desulfurization. The single-loop control adjusts the delay problem. Based on the Zhejiang SUPCON JX-300XP software to adjust lye makes the SO2 in the flue gas control at 10 mg/m3，which can meet the latest flue gas emission standards and improve the desulfurization efficiency.

Keywords：cascade control;fuzzy PID;feedforward control

0? 引? 言

化工企業在生產中會產生多余的含鹽廢液，針對該類無機鹽廢液處理困難的問題，多采用廢液焚燒脫硫脫硝綜合處理。脫硫是煙氣與堿液在脫硫塔中發生中和反應，其中脫硫液pH值控制是提高脫硫效率的關鍵。常規PID控制器具有高可靠性和無靜差等特點，但其參數難以整定[1]。在實際運行中，由于無機鹽廢液濃度不同，在焚燒后產生的煙氣濃度波動范圍較大，從而會導致脫硫過程中出現不確定擾動量大等問題。由于脫硫塔體積較大，脫硫過程中具有一定慣性，容易造成超調[2]。對于以上問題，提出前饋-串級模糊控制策略，建立煙氣脫硫pH值控制系統[3]。將入口煙氣量、入口煙氣濃度等擾動因素檢測，通過前饋控制器計算出吸收劑堿液流量來減少擾動對控制系統的影響。

傳統PID控制器因其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便等優點成為工業控制主要技術，當被控對象的結構和參數具有一定的不確定性，無法對其建立精確的模型時，采用PID控制技術尤為方便[3]。對于脫硫液pH值控制系統而言，其為非線性時變系統，不同時刻需要選用不同的PID參數，采用傳統的PID控制器，很難使整個運行過程具有很好的運行效果，為此，在傳統控制器中加入模糊算法，以克服傳統PID參數無法實時調整的缺點。

1? 控制流程及測試

系統正常運行時，由控制系統自動控制各個閥門，控制脫硫系統氫氧化鈉堿液供給量，當煙氣含量發生變化時能夠自動調節。通過煙氣分析儀檢測進入脫硫塔的SO2含量以及用pH計檢測脫硫塔管道脫硫液的pH值來控制吸收劑堿液的流量。

系統中的煙氣來自無機鹽廢液經焚燒爐焚燒，經靜電除塵器進入煙氣脫白裝置后流入脫硫塔。經過測試得到脫白裝置的煙氣溫度為120～150 ℃，流量為15000 m3/h，SO2含量約為60000 mg/Nm3，煙氣從脫硫塔底部進入，與脫硫塔下循環的亞硫酸鈉溶液逆流接觸，對煙氣初步脫硫、降溫、除塵后進入脫硫塔中循環與來自中循環槽15%的堿液逆流接觸，經吸收填料脫除煙氣中的SO2后進入脫硫上循環部分，在上循環部分與微堿性工藝冷卻水接觸，煙氣溫度降為55～65℃后經除霧器去除煙氣中的水分，返回到脫白系統。

1.1? 控制流程

脫硫循環槽底部安裝有單法蘭液位計，當液位低于設定值20%時新鮮水進水調節閥打開;當循環槽液位達到40%時開啟堿液進口閥，中、下循環槽中堿液濃度達到15%時停止向循環槽內加堿液，上循環槽堿液pH值達到10.0～ 12.0時停止向上循環槽加堿液;當脫硫循環槽液位高于設定值85%時堿液外送調節閥打開。

在煙氣洗滌過程中，為保證循環脫硫塔中吸收SO2后的中循環pH值能夠達到8.0～9.0的要求，開啟中循環泵和閥門給下循環槽供給堿液。中循環槽系統的補水由上循環槽經上循環管路和閥門獲得，此時開啟中循環補水泵及加堿系統保證中循環槽液位穩定使脫硫塔出口pH值穩定在8.0～9.0。當下循環系統中脫硫塔出口堿液pH值達到5.0～6.0時開啟脫硫排液泵，當下循環槽液位穩定，pH值達到5.0～6.0時系統保持穩定。當中循環和下循環穩定運行時，整個脫硫系統穩定循環運行，可以通過調整中、下循環泵循環量以及上循環槽循環量和循環液pH值以保證脫硫塔出口SO2的含量達標。

1.2? 控制系統測試

在整個脫硫控制系統中，系統中需要控制和檢測的變量有煙氣濃度、pH值、循環槽液位、堿液流量、循環泵的起停及控制閥的開關。浙江中控JX-300XP控制系統增加先進的DCS控制和設備管理功能，能對現場總線的智能變送器的參數設置等項目實現自動管理，達到了設備管理和過程控制的完美結合。JX-300XP控制站的電源、主控制卡、數據轉發卡、模擬量卡和部分開關量卡均可按不冗余或冗余的要求配置。系統的電源、通信總線、主控制卡、通信接口卡、I/O卡件均支持1：1熱冗余。一旦工作模塊發生故障，能自動無擾切換到備用模塊工作。本系統選用中控作為控制下位機，工程師站需安裝AdvanTrol-Pro組態及監控軟件用于工程設計、系統擴展或維護修改，操作員站用于完成過程監控任務。SUP2218機架式交換機用于工程師站和操作員站與主控卡的通訊。數據轉發卡是控制站I/O單元（機籠）的核心，是主控制卡連接I/O卡件的中間環節。它一方面通過SBUS-S2總線和主控制卡通訊，另一方面通過SBUS-S1總線管理本機籠的I/O卡件。數據轉發卡可以冗余配置，在冗余配置狀態下，任意時刻只有工作卡進行實時數據通信，備用卡通過監聽保證實時數據的同步。系統部分配置如表1所示。

在生產開機模擬中，與駐場運營人員配合，將儀表和控制系統投入運行，按照操作工藝規程所規定的程序測試。要依靠儀表指示數據進行工作或調整，如發現儀表失常，產生不規律數據，并經過實際觀察確屬儀表事故時，應立即通知儀表工及時修復，以防失控而發生事故。電動或氣動操作機構失靈時，立即改用手動，并加強操作與聯系。打開上循環槽、中循環槽、下循環槽中的項部人孔蓋，開啟上循環槽、中循環槽、下循環槽的工藝水進口閥，向各循環槽中加水，注意各循環槽液位。當循環槽液位達到60%液位時關閉各循環槽注水閥，使中循環槽堿液pH值為8.0～9.0。上循環槽液位20%～80%，中循環槽液位20%～85%，下循環槽液位20%～85%，其中主要工藝控制指標如表2所示。

模擬設置如下：常規控制目標是確保SO2去除效率不低于下限，經濟目標是使運行電力消耗成本最小化。鍋爐負荷在700 MW至1000 MW之間波動，排放指數的下限為98%，采樣時間設置為1 s，測量pH和干擾量SO2波動。預測范圍和控制范圍均設置為200 s。經過控制測試得到SO2和堿液的pH變化圖1。

從圖1中SO2波動在串級控制下的動態曲線，可以看出SO2均低于設定上限10。模糊PID控制方案在鍋爐負荷變化較大的情況下排放性能指標。結果表明，pH在6.5～7.0之間波動，通過將最佳pH值和設定值引入設計中，較低的pH值可以提高系統的經濟性能。通過將pH值設置在6.8左右，不僅可以很好地跟蹤SO2去除效率的設定點，而且可以滿足經濟目標，但設定點有一個下限，以確?；镜目刂颇繕?，去除SO2的效率是因為隨著pH值的降低，SO2的吸收能力會減弱。

2? 前饋-串級模糊PID控制

前饋控制能在擾動出現時及時進行控制，而不是等偏差發生后再進行控制，能更有效地消除擾動對被控參數的影響。相對于反饋控制來說，前饋控制是及時的，因此，對于時延大、擾動大而頻繁的過程有著顯著的效果[4，5]。模糊PID控制，即利用模糊邏輯并根據一定的模糊規則對PID的參數進行實時的優化，以克服傳統PID無法實時調整參數的缺點。該算法尋優速度快、算法簡單，本文在脫硫液pH值控制中，采用模糊控制對PID控制器的參數進行尋優，并加入前饋控制來調節pH值。

通過調節堿液流量來控制pH值，其控制器是PID控制，根據系統驗證pH值控制的傳遞函數表示為圖2。

傳遞函數的數學描述是對整個脫硫控制系統的動態特性描述，經過調節器偏差調節按照公式的規律調節控制變量，從而得到預期的輸出信號。在該控制系統中前饋具有擾動、非線性和滯后性，對前饋控制選用模糊控制方法。輸入變量有偏差e和偏差變化率ec，以控制量的變化值為輸出，當干擾較大時，前饋調節器調節參數在變量出現偏差之前進行調整。模糊邏輯控制對非線性系統的控制有很強的適應性，其基本方法是從輸入-輸出數據中找出模糊規則，最終模糊系統將從模糊規則中產生。

進入脫硫塔SO2含量和流量都是變化的，因此將前饋分為SO2含量前饋和堿液流量前饋，模糊控制包括模糊化、確定模糊規則、解模糊等組成部分。脫硫塔管道中的脫硫循環液pH值由pH分析儀采集，確定當前距設定值中線的偏差e以及當前偏差和上次偏差的變化ec，根據給定的模糊規則進行模糊推理，最后對模糊參數進行解模糊，輸出控制參數。

根據吸收塔pH值控制系統的特點，采用二維模糊控制[6]。pH值輸入變量偏差e和偏差變化率ec，其對應的模糊語言分別為E、EC，以ΔKp、ΔKi和ΔKd作為3個輸出變量。根據pH值控制精度要求，將輸入量e、ec輸出量ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊子集設為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，記為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。ΔKp、ΔKi、ΔKd、e和ec都選三角隸屬函數。模糊控制器設計的核心是模糊規則，它是根據前人的實踐經驗和技術知識整理總結得出的。本設計的模糊規范表示為：采用“if E and EC，then U”類型的控制規則。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，將其乘以比例因子再加上之前的PID參數值，通過疊加計算得出新的PID參數，則被控對象放大系數修正公式為：

選擇額定工作條件作為滿負荷條件下三個小時內受控變量和受控變量的平均值，然后基于階躍響應數據，從線性確定額定模型。

3? 模擬分析

本文在Matlab/Simulink軟件中搭建了該控制系統的仿真程序，并與常規PID控制的仿真驗證該控制系統的控制效果。

常規PID控制由P——比例、I——積分和D——微分三部分組成，kp、ki、kd分別為比例系數、積分系數和微分系數，在漿液pH值傳遞函數式（2）中PID初始值分別取為kp=2.047、ki=1.985、kd=2.630，漿液pH值初始設定為6.8。

在PID控制中加入前饋控制，其中包括SO2的含量模塊和入口堿液流量模塊，在脫硫循環槽中堿液的pH值按一定比例調制完成，當煙氣含量增加時需增大堿液流量以消除煙氣中的SO2含量。

模型的準確性是可以接受的，該模型準確反映控制系統測量元件的動態特性近似趨勢。在某些情況下動態偏差的原因可能導致以下事實：在計算吸收速率和化學反應速率時未考慮溫度。本模擬設定運行時間為2500 s，得到動態對于常規控制和前饋模糊PID控制使用仿真結果如圖3和圖4所示，其中，PV1為主環測量值，SV1為主環設定值，PV2為副環測量值，SV2副環設定值，MV為手動值。

由圖3可見，常規控制PID控制在700 s左右開始收斂，各項參數才趨于穩定，整個過程慣性大、上升時間長、快速性差、靈敏度差、超調量較小、阻尼較大。

由圖4可見，前饋-串級模糊PID控制在50 s時達到穩定，時間短暫、衰減時間短、動作反應快、控制及時、消除余差、震蕩迅速減弱。上升時間短，調節時間短，輸入變量有偏差e和偏差變化率ec，由于控制量的變化快，控制有很強的適應性，對整個脫硫控制系統的動態特性更為合理，經過調節器偏差調節的規律控制調節變得更加容易，從而得到更加準確的輸出信號。從運行條件來看，通過數學模型的仿真結果與現場數據的比較可以看出，數學模型可以很好地模擬系統的動態特性，表明模型具有高動態精度。常規控制設計的主要重點是模型是否可以很好地模仿動力學。本文基于可以基本描述煙氣脫硫系統動態特性的非線性模型，確定了幾個在不同標稱工作點上的線性狀態空間模型，從而提出了模糊切換定律來實現非線性系統的控制模型。

由圖5誤差線可知，前饋-串級模糊PID控制誤差很快趨于定值，更接近于線性控制，這樣便于脫硫塔作為脫硫系統的反應容器的控制，漿液和煙氣的SO2和pH值也會得到準確的控制。由此可見，傳統方案中由于難以確定的前饋信號（例如煙氣中SO2量信號）會引起控制偏差和失配，而通過前饋-串級模糊PID方案中的預測模型可將SO2去除效率和pH值的穩態誤差減弱為零。

4? 結? 論

本文實現了煙氣脫硫系統的多目標優化控制。通過合理簡化，提出了非線性數學模型，并通過現場數據進行了驗證。在導出模型的基礎上，采用多模態策略獲得了前饋-串級模糊PID控制的預測模型。為了提高經濟效益，提出了前饋-串級模糊PID控制策略優化方法。根據測試和模擬控制策略的性能來看，可以理論確定前饋-串級模糊PID控制的優勢，前饋-串級模糊PID控制方案可以滿足煙氣脫硫系統的多目標優化要求，例如設定點跟蹤和節能;脫硫塔是脫硫系統的反應容器，漿液pH值控制是煙氣SO2控制的核心，在原有PID控制的基礎上加入前饋控制以及模糊控制，將理論應用于實際，可以將SO2含量控制在10 mg/m3，可應用于環保項目實施。未來的工作將集中在將鍋爐側的關鍵參數引入前饋-串級模糊PID控制中，以進一步提高控制性能。

參考文獻：

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[6] 馬良玉，閻秦，王兵樹，等.過熱汽溫內模自適應控制方案設計及仿真 [J].微計算機信息，2007（10）：32-33+28.

作者簡介：申曄龍（1992.08-），男，漢族，河南安陽人，碩士在讀，研究方向：機械電子工程;通訊作者：趙志軍（1993.03-），男，漢族，陜西咸陽人，碩士在讀，研究方向：綠色能源應用。