武军 （1974-）

男，河南省长葛市人，硕士，西安铁路职业技术学院，讲师，主要从事自动控制与电力拖动系统的研究。

摘要：锅炉给水pH值要求控制在一定的碱性范围内，pH值控制过程是典型的非线性控制过程，加之主控过程涉及长距离的液体传输和反应器中化学反应包含长时间的潜伏期，导致系统具有严重的时滞性。为此提出并采用变增益三区段非线性PID和积分模糊控制(IFC)算法，利用西门子S7-200PLC进行编程控制，实现了对数据进行滤波处理并采样精确化，最终实现了对加药控制系统的实时自动化。

关键词：PH值控制；PLC；加药系统；自动控制

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，我国大型锅炉的给水与蒸汽质量指标要求十分严格，因而需要对炉水品质进行连续的控制和监视。对pH测量国内外多采用传统的PID算法，但由于反应过程中，中和点附近的高增益使得传统的PID控制器的参数调整非常困难，因为控制器只能采用很小的比例增益，否则系统不稳定；而比例增益过小，又使系统的动态特性变坏^[1] 。在锅炉给水加药测控装置方面，已经实现了加药系统的自动化，但无自动配药装置，配药仍然采用最原始的配药方法，即根据汽水实验室的化验结果，进行人工配药，这样不仅工作强度大，而且因所加的药(氨、联胺)属于有剧毒易挥发的物质，给操作工人身心健康造成严重危害，并导致了环境的污染^[2] 。

    在本文中，提出了两种新型pH值控制方法，即变增益三区段非线性PID和积分模糊控制(IFC)算法，通过对带有时滞的pH值中和过程进行数字仿真，结果表明，两种控制算法具有鲁棒性强、响应速度快和控制精度高的特点，尤其是IFC算法能克服pH值中和过程中的较大时滞。并通过在某电厂的实际应用，已经完美实现了锅炉给水配药、加药系统的全自动控制^[3] 。

2 pH值控制方法的研究

2.1 常规PID控制

    按偏差的比例(P-Proportional )、积分(I-Integral)和微分(D-Derivative)线性组合进行控制的方式，就是PID控制。一个常规的PID控制系统如图1所示，其中r为参考输入信号，PID表示控制器，P为被控对象模型，d为干扰量，e (k)为系统误差，u(k)为控制量，pH(k)为被控过程输出量。

                                图1   典型pH值控制系统

    可见，常规PID控制中的比例作用实际上是一种线性放大或缩小作用，很难适应酸碱中和过程中被控对象非线性的特点。

2.2 变增益三区段非线性PID控制

    将pH值变化过程按照拐点分为三个区段，一个高增益区，两个增益系数不同的低增益区，高增益区控制器采用较低的增益，在不同的低增益区控制器采用不同的高增益，来满足系统期望的性能指标要求。此外，为防止积分饱和采用带死区的PID控制算法和带输出限幅的PID控制算法。

2.2.1 带死区的PID控制

    如果采用常规的PID控制易产生积分饱和现象，使控制量过大。如果采用带死区的PID控制，就会降低计量泵的调节量的频繁变化，减小pH值的波动。

    带死区的PID调节器，当误差较小时，即进入死区后，调节器的输出为积分器在此以前的内容，实际上这时的闭环调节作用已经消失，控制输出不会发生变化。误差较大时恢复其控制作用。

2.2.2 带输出限幅的PID控制

    由于长期存在偏差或偏差较大时，计算的控制量有可能出现饱和而溢出。如果执行机构已达到极限位置仍然不能消除偏差时，由于积分的作用，控制量继续增大或减小，而执行机构已无相应的动作。当出现积分饱和时，势必使超调量增加，控制品质变坏。作为防止积分饱和的办法之一，可以对控制量限幅，同时停止积分作用。

2.3 模糊控制IFC算法^[4][5]

    模糊控制的基本原理如图2所示，它的核心部分是模糊控制器，如图中虚线框中部分所示。模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现。控制算法可概括为以下四个步骤：

    (1) 根据本次采样得到的系统输出值，计算出输入变量；

    (2) 将输入变量的精确量变为模糊量；

    (3) 根据输入变量(模糊量)及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量(模糊量)；

    (4) 由上述得到的控制量(模糊量)计算精确的控制量。

                               图2   模糊控制原理图

3 数据采集滤波处理

3.1 控制流程

                               图3   炉水加药控制系统

    本系统从在线分析仪表（磷酸根表、pH表）中提取4-20mA信号，根据运行工艺参数和确定的数学模型，进行窗口式PID复合运算，中间结果送变频器控制加药泵加药量实现加药自动闭环调节。

3.2 IFC算法在该项目中的滤波处理应用

    本控制系统中滤波程序的基本原理为：在周期时间内连续取5个的采样值，并求出其平均值=1∕5      

    采集当前值，并求出差值 =Xi－采集值与平均值的差

    若>0.2则舍弃Xi 取=0.2为根据实际情况设定的信号波动的范围值；

    若 ≤0.2则即X₁出栈，X₂替换X₁，X₃替换X₂，依次递推，用当前采样的X₆替换X₅然后用这5个新的数值再求，再进行比较。如此周而复始的执行这段程序就可以实现滤波的功能，达到滤波的目的。

3.3 PLC控制流程

    自动加药控制系统的核心是一套可编程控制器（PLC），控制器安装在现场，采集相应的水质数据。由于化学加药系统具有纯滞后性质，会导致控制作用不及时，引起系统产生超调或振荡，利用PLC的控制算法（采用经改进的数字PID控制算法和模糊控制算法），输出控制信号（变频器的频率）到现场调节交流变频器，进而控制电机的转速来调节加药泵的出力。流程图如图4所示。

                               图4   PLC滤波程序流程图

    采用滤波程序后可以通过趋势画面中pH值的趋势显示看出滤波的效果，如图5所示。

                                图5   pH值的滤波效果图

    图中蓝色线和白色线分别为原始采样值，红色线和绿色线为经过数字滤波之后的数值。由此可以看出滤波程序的应用得到了预期的目的。(下图是放大后的效果，粉红色为没有经过处理的信号值，绿色线为经过程序滤波处理后所得。)

                                     图6   pH值的滤波效果图（放大）

4 结论

    经实践证明基于可编程序控制器的化学自动加药控制系统可灵活满足各类化学加药系统的在线监控。系统自2007年1月投运以来，运行稳定可靠，锅炉、及辅机设备全面实现自动调节，达到了预期的效果，解决了以往手动控制难以保证水质指标稳定的困难，减轻了运行人员的工作强度，受到了公司领导和运行、维护人员的一致好评。