论文部分内容阅读
【摘 要】由于锅炉补给水反渗透入口水PH系统的非线性、大时滞及时变性的特点，常规的控制方法难以获得满意的控制效果。为了提高系统控制的鲁棒性和自适应能力，论文将模糊控制引入到PH控制系统中。通过MATLAB工具箱进行计算机仿真验证，结果表明，采用该控制策略可以在很短的时间内纠正PH偏差，可以抑制无规则（随机）偏差变化率的影响，能够保证误差在允许范围内。可以适应系统的非线性和参数变化，具有较强的鲁棒性和自适应能力。
【关键词】反渗透入口水PH；非线性；模糊控制
1.系统概述
反渗透预脱盐系统能除去离子交换器不能去除的有机物，使蒸汽品质也得到提高，反渗透预脱盐设备在电厂炉外水处理的应用越来越受欢迎[1]。
反渗透系统依靠醋酸纤维膜运行时，水以偏酸性为宜，目前认为PH值在5-6 之间最佳，在此范围外会加速膜的水解与老化。膜的水解不仅会引起产水量的减少，而且会造成膜对盐去除能力的持续性降低，直至膜损坏为止。本系统中，反渗透来源水PH值设计范围为：5-9，很明显，来水PH为5-6时，可以不需处理直接送至反渗透入水使用，当来水PH为6-9时，则必须加酸进行处理，以使入水水质达标。但是PH计的测量传输本来就是个包含着混合、测量大滞后的过程，采用传统的PID控制算法很难得到预期效果，因为一次性整定得到的PID参数很难保证其系统的控制效果始终处于最优状态，而且操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示。很多水处理工程中都会遇到这样的问题，PH控制系统往往不能正常工作[2][3][4]。
考虑到反渗透水处理工艺过程的静态和动态特性，在设计该控制系统时， 采用了特别适用于非线性、大干扰情况的模糊控制的方法，既克服系统非线性引起的振荡又提高了系统的控制精度。同时， 由于模糊控制具有较强的鲁棒性， 当系统的传递函数发生变化时， 不需要象传统PID控制那样重新对控制系统参数进行整定就能达到控制要求。
2.模糊控制器的控制方案设计
本文首先设计利用模糊算法计算加药的控制模型，然后利用MATLAB软件的模糊控制工具箱实现模型，并通过计算机仿真验证该模型的控制效果。
模糊控制器的结构选择二维输入，单维输出结构模式：选择反渗透入口水的实际PH与设定PH目标值S的偏差e及偏差变化率ec作为系统的输入变量，加酸计量泵的输出功率u作为系统的输出变量。选择MATLAB软件的模糊逻辑工具箱作为设计平台。
假设反渗透入口水的实际PH为Ai，设定PH为Ar。因此选择偏差E（k）= Ai（k）- Ar，偏差变化率Ec（k）= （E（k1）- E（k2））/（k2-k1）为控制器的输入变量，（k， k1， k2为采样时间），选择控制量U为控制器的输出变量。由于本系统来水PH值为5-9，与目标值5-6相比，仅在PH为6-9时才需要调节，所以将偏差E用5个模糊狀态来表示，分别为Z（零），VS（极小），S（小），B（大）， VB（极大）。偏差变化率Ec用4个模糊状态来表示，Z（零）， VS（极小），S（小），B（大）。以及输出变量U亦用5个模糊状态来表示，Z（零）， VS（极小），S（小），B（大）， VB（极大）。同时，对E、Ec、U均量化为7个等级，分别为：0，1，2，3，4，5，6。
1）模糊化
为方便在MATLAB中建立模型，设定三个变量E，Ec和U的模糊范围都在[0， 6]之间变化。其中E的单位为PH，表示PH值的变化。Ec的单位为PH/min，表示每分钟PH的变化率。U的单位为RPM，即每分钟电机转数。
2）隶属度函数的选择
本系统设计中的隶属度函数选择三角型隶属函数。
①输入变量E的隶属度函数 在MATLAB中，各三角型函数的顶点分别为：Z [-1 0 1]；VS [0 1.5 3]；S [1.5 3 4.5]；B [3 4.5 6]；VB[5 6 7]；
②输入变量Ec的隶属度函数 在MATLAB中，各三角型函数的顶点分别为：Z [-1 0 1]；VS [0 2 4]；S [2 4 6]；B [4 6 8]；
③输出变量U的隶属度函数 在MATLAB中，各三角型函数的顶点分别为：Z [-1 0 1]；VS [0 1.5 3]；S [1.5 3 4.5]；B [3 4.5 6]；VB[5 6 7]；
3）模糊控制规则的确立
根据控制对象的实际情况以及实际操作经验，得出控制规则。选取控制量变化的原则是：当误差大或较大时，选择控制量以消除误差为主。而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统稳定性为主。例如当PH差值很大，且PH值有进一步快速升高的趋势时，应加大加酸泵的输出，即加大药剂的投放量。可用模糊语句实现这条规则（IF E等于PB，Ec 等于PB，那么 U 为 B）。当误差PH偏差很小且误差变化率变化为正小时，控制量不宜增加过多，应取控制量的变化为正小，以免出现超调。最终确定控制过程的20条控制规则如下：
1.若E 等于 Z，Ec 等于Z，则 U 为 Z； 2.若E 等于 Z，Ec 等于VS，则 U 为 Z；
3.若E 等于 Z，Ec 等于S，则 U 为 VS； 4.若E 等于 Z，Ec 等于B，则 U 为 VS；
5.若E 等于 VS，Ec 等于Z，则 U 为 VS；6.若E 等于 VS，Ec 等于VS，则 U 为 S；
7.若E 等于 VS，Ec 等于S，则 U 为 S； 8.若E 等于 VS，Ec 等于B，则 U 为 S；
9.若E 等于 S，Ec 等于Z，则U 为 VS； 10.若E 等于 S，Ec 等于VS，则U 为 S；
11.若E 等于 S，Ec 等于S，则U 为 B； 12.若E 等于 S，Ec 等于B，则 U 为 B； 13.若E 等于 B，Ec 等于Z，则 U 为 S； 14.若E 等于 B，Ec 等于VS，则 U 为 B；
15.若E 等于 B，Ec 等于S，则 U 为 B； 16.若E 等于 B，Ec 等于B，则 U 为 VB；
17.若E 等于 VB，Ec 等于Z，则 U 为 B； 18.若E 等于 VB，Ec 等于VS，则 U 为 VB；
19.若E 等于 VB，Ec 等于S，则 U 为 VB； 20.若E 等于 VB，Ec 等于B，则 U 为 VB；
4）非模糊化与决策输出
应用模糊推理合成算法计算出模糊控制查询表，模糊控制只需根据不同的（E，EC）数据对从查询表中查处相应的模糊控制量，经非模糊化处理后输出。模糊控制规则表5-3中的每一条模糊条件语句都决定一个模糊关系，通过20个模糊关系并”运算，可得到PH控制系统基本模糊控制器的总的模糊关系矩阵，即
（1）
根据上述的模糊关系矩阵，当己知误差，和误差变化率时，就可以得出相应的控制量，
（2）
由于、的论域元素是已知的，因此可以离线计算出各种情况下的精确控制量，最后用最大隶属度判决法，将转化为精确量。而得到一张模糊控制查询表，如表所示，同时在MATLAB模糊逻辑工具箱中进行计算，可得：当E=2，Ec=3时，得出U=3.6
计算机仿真结果
在MATLAB中实现了上述模糊控制的设计后，可以很方便地进行计算机仿真计算。
假定：标准PH值为E0=5.5。PH值在[5.5， 11.5]之间变化，即PH值变化范围为[0，6]，与模型范围一致。其系数为1，可省略。
初始PH值为E=9，即存在+3.5的初始偏差
采样时间为每分钟3次，即采样频率为0.33次/分钟
Ec为[0 1]之间均匀分布的随机变量，即如果没有输出控制，E每分钟升高0-1个PH值。Ec乘以系数cEc=6，使之变化范围与模型中一致。
输出变量U对应的加酸泵的最大转数为100RPM，可以使PH值降低3。U的系数为cU=100/6，将模型输出范围转换为加酸泵每分钟实际转数。计算PH值每分钟变化值须再乘以系数cPH=-3/100。
对任一采样时间点t，已知E（t），Ec（t），通过与对应系数相乘将他们转换到模型范围内，再通过模型可得到U（t）。下一采样时间点t+1对应的E（t+1）可通过以下公式获得：
E（t+1）=E（t）+p*Ec（t）+p*U（t）*cU*cPH
利用上述模糊控制模型，计算出1000采样时间点的PH变化如图所示。
图中横坐标每个点表示一个采样时间，即20秒。纵坐标表示PH值。图中粗体实线为仿真控制效果。图中每个点上的虚线表示如果没有模糊控制的情况下，E在Ec作用下的变化。从图中可以看出，上述模糊控制模型可以在很短的时间内纠正PH偏差，并能抑制无规则（随机）偏差变化率的影响，继续控制偏差在很小的范围内波动，达到稳定的控制效果。
3.总结与展望
PH模糊控制系统的建立依靠大量的水处理专家数据，控制策略根据专家经验还需补充。该思想方法可以广泛应用于所有通过加酸、加碱调节PH达标的水处理、废水处理、及污水处理控制系统中，所以在后续的项目中会作进一步调整、完善、和试验实施。
参考文献：
[1]許振良.膜法水处理技术 [M].化学工业出版社.2001，5.
[2]戴鹏.pH 值的控制方法研究.河北化工 [J].2007，10：33～35.
[3]金葵.模糊控制理论在pH 值控制系统中的应用 [J].玻璃纤维.2005，3：17～20.
[4]伍明华.模糊控制在pH值控制过程中的研究 [J].华南理工大学学报.1995，7：102～107.
作者简介：
姜逸菲，女，控制工程硕士，高级工程师，西安航天自动化股份有限公司。
【关键词】反渗透入口水PH；非线性；模糊控制
1.系统概述
反渗透预脱盐系统能除去离子交换器不能去除的有机物，使蒸汽品质也得到提高，反渗透预脱盐设备在电厂炉外水处理的应用越来越受欢迎[1]。
反渗透系统依靠醋酸纤维膜运行时，水以偏酸性为宜，目前认为PH值在5-6 之间最佳，在此范围外会加速膜的水解与老化。膜的水解不仅会引起产水量的减少，而且会造成膜对盐去除能力的持续性降低，直至膜损坏为止。本系统中，反渗透来源水PH值设计范围为：5-9，很明显，来水PH为5-6时，可以不需处理直接送至反渗透入水使用，当来水PH为6-9时，则必须加酸进行处理，以使入水水质达标。但是PH计的测量传输本来就是个包含着混合、测量大滞后的过程，采用传统的PID控制算法很难得到预期效果，因为一次性整定得到的PID参数很难保证其系统的控制效果始终处于最优状态，而且操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示。很多水处理工程中都会遇到这样的问题，PH控制系统往往不能正常工作[2][3][4]。
考虑到反渗透水处理工艺过程的静态和动态特性，在设计该控制系统时， 采用了特别适用于非线性、大干扰情况的模糊控制的方法，既克服系统非线性引起的振荡又提高了系统的控制精度。同时， 由于模糊控制具有较强的鲁棒性， 当系统的传递函数发生变化时， 不需要象传统PID控制那样重新对控制系统参数进行整定就能达到控制要求。
2.模糊控制器的控制方案设计
本文首先设计利用模糊算法计算加药的控制模型，然后利用MATLAB软件的模糊控制工具箱实现模型，并通过计算机仿真验证该模型的控制效果。
模糊控制器的结构选择二维输入，单维输出结构模式：选择反渗透入口水的实际PH与设定PH目标值S的偏差e及偏差变化率ec作为系统的输入变量，加酸计量泵的输出功率u作为系统的输出变量。选择MATLAB软件的模糊逻辑工具箱作为设计平台。
假设反渗透入口水的实际PH为Ai，设定PH为Ar。因此选择偏差E（k）= Ai（k）- Ar，偏差变化率Ec（k）= （E（k1）- E（k2））/（k2-k1）为控制器的输入变量，（k， k1， k2为采样时间），选择控制量U为控制器的输出变量。由于本系统来水PH值为5-9，与目标值5-6相比，仅在PH为6-9时才需要调节，所以将偏差E用5个模糊狀态来表示，分别为Z（零），VS（极小），S（小），B（大）， VB（极大）。偏差变化率Ec用4个模糊状态来表示，Z（零）， VS（极小），S（小），B（大）。以及输出变量U亦用5个模糊状态来表示，Z（零）， VS（极小），S（小），B（大）， VB（极大）。同时，对E、Ec、U均量化为7个等级，分别为：0，1，2，3，4，5，6。
1）模糊化
为方便在MATLAB中建立模型，设定三个变量E，Ec和U的模糊范围都在[0， 6]之间变化。其中E的单位为PH，表示PH值的变化。Ec的单位为PH/min，表示每分钟PH的变化率。U的单位为RPM，即每分钟电机转数。
2）隶属度函数的选择
本系统设计中的隶属度函数选择三角型隶属函数。
①输入变量E的隶属度函数 在MATLAB中，各三角型函数的顶点分别为：Z [-1 0 1]；VS [0 1.5 3]；S [1.5 3 4.5]；B [3 4.5 6]；VB[5 6 7]；
②输入变量Ec的隶属度函数 在MATLAB中，各三角型函数的顶点分别为：Z [-1 0 1]；VS [0 2 4]；S [2 4 6]；B [4 6 8]；
③输出变量U的隶属度函数 在MATLAB中，各三角型函数的顶点分别为：Z [-1 0 1]；VS [0 1.5 3]；S [1.5 3 4.5]；B [3 4.5 6]；VB[5 6 7]；
3）模糊控制规则的确立
根据控制对象的实际情况以及实际操作经验，得出控制规则。选取控制量变化的原则是：当误差大或较大时，选择控制量以消除误差为主。而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统稳定性为主。例如当PH差值很大，且PH值有进一步快速升高的趋势时，应加大加酸泵的输出，即加大药剂的投放量。可用模糊语句实现这条规则（IF E等于PB，Ec 等于PB，那么 U 为 B）。当误差PH偏差很小且误差变化率变化为正小时，控制量不宜增加过多，应取控制量的变化为正小，以免出现超调。最终确定控制过程的20条控制规则如下：
1.若E 等于 Z，Ec 等于Z，则 U 为 Z； 2.若E 等于 Z，Ec 等于VS，则 U 为 Z；
3.若E 等于 Z，Ec 等于S，则 U 为 VS； 4.若E 等于 Z，Ec 等于B，则 U 为 VS；
5.若E 等于 VS，Ec 等于Z，则 U 为 VS；6.若E 等于 VS，Ec 等于VS，则 U 为 S；
7.若E 等于 VS，Ec 等于S，则 U 为 S； 8.若E 等于 VS，Ec 等于B，则 U 为 S；
9.若E 等于 S，Ec 等于Z，则U 为 VS； 10.若E 等于 S，Ec 等于VS，则U 为 S；
11.若E 等于 S，Ec 等于S，则U 为 B； 12.若E 等于 S，Ec 等于B，则 U 为 B； 13.若E 等于 B，Ec 等于Z，则 U 为 S； 14.若E 等于 B，Ec 等于VS，则 U 为 B；
15.若E 等于 B，Ec 等于S，则 U 为 B； 16.若E 等于 B，Ec 等于B，则 U 为 VB；
17.若E 等于 VB，Ec 等于Z，则 U 为 B； 18.若E 等于 VB，Ec 等于VS，则 U 为 VB；
19.若E 等于 VB，Ec 等于S，则 U 为 VB； 20.若E 等于 VB，Ec 等于B，则 U 为 VB；
4）非模糊化与决策输出
应用模糊推理合成算法计算出模糊控制查询表，模糊控制只需根据不同的（E，EC）数据对从查询表中查处相应的模糊控制量，经非模糊化处理后输出。模糊控制规则表5-3中的每一条模糊条件语句都决定一个模糊关系，通过20个模糊关系并”运算，可得到PH控制系统基本模糊控制器的总的模糊关系矩阵，即
（1）
根据上述的模糊关系矩阵，当己知误差，和误差变化率时，就可以得出相应的控制量，
（2）
由于、的论域元素是已知的，因此可以离线计算出各种情况下的精确控制量，最后用最大隶属度判决法，将转化为精确量。而得到一张模糊控制查询表，如表所示，同时在MATLAB模糊逻辑工具箱中进行计算，可得：当E=2，Ec=3时，得出U=3.6
计算机仿真结果
在MATLAB中实现了上述模糊控制的设计后，可以很方便地进行计算机仿真计算。
假定：标准PH值为E0=5.5。PH值在[5.5， 11.5]之间变化，即PH值变化范围为[0，6]，与模型范围一致。其系数为1，可省略。
初始PH值为E=9，即存在+3.5的初始偏差
采样时间为每分钟3次，即采样频率为0.33次/分钟
Ec为[0 1]之间均匀分布的随机变量，即如果没有输出控制，E每分钟升高0-1个PH值。Ec乘以系数cEc=6，使之变化范围与模型中一致。
输出变量U对应的加酸泵的最大转数为100RPM，可以使PH值降低3。U的系数为cU=100/6，将模型输出范围转换为加酸泵每分钟实际转数。计算PH值每分钟变化值须再乘以系数cPH=-3/100。
对任一采样时间点t，已知E（t），Ec（t），通过与对应系数相乘将他们转换到模型范围内，再通过模型可得到U（t）。下一采样时间点t+1对应的E（t+1）可通过以下公式获得：
E（t+1）=E（t）+p*Ec（t）+p*U（t）*cU*cPH
利用上述模糊控制模型，计算出1000采样时间点的PH变化如图所示。
图中横坐标每个点表示一个采样时间，即20秒。纵坐标表示PH值。图中粗体实线为仿真控制效果。图中每个点上的虚线表示如果没有模糊控制的情况下，E在Ec作用下的变化。从图中可以看出，上述模糊控制模型可以在很短的时间内纠正PH偏差，并能抑制无规则（随机）偏差变化率的影响，继续控制偏差在很小的范围内波动，达到稳定的控制效果。
3.总结与展望
PH模糊控制系统的建立依靠大量的水处理专家数据，控制策略根据专家经验还需补充。该思想方法可以广泛应用于所有通过加酸、加碱调节PH达标的水处理、废水处理、及污水处理控制系统中，所以在后续的项目中会作进一步调整、完善、和试验实施。
参考文献：
[1]許振良.膜法水处理技术 [M].化学工业出版社.2001，5.
[2]戴鹏.pH 值的控制方法研究.河北化工 [J].2007，10：33～35.
[3]金葵.模糊控制理论在pH 值控制系统中的应用 [J].玻璃纤维.2005，3：17～20.
[4]伍明华.模糊控制在pH值控制过程中的研究 [J].华南理工大学学报.1995，7：102～107.
作者简介：
姜逸菲，女，控制工程硕士，高级工程师，西安航天自动化股份有限公司。