制浆造纸废水pH值测试控制系统的应用

胡 勇 汤瑜杰 陆 伟

(1.无锡荣成纸业有限公司，江苏无锡，214187;2.浙江景兴纸业有限公司，浙江平湖，314214)

浙江景兴纸业股份有限公司 (以下简称景兴纸业)为保证生产过程中废水处理能力达到环保局排放要求，从2010年下半年就开始筹备对原有废水系统的改造升级。现就改造过程中对pH值的控制系统做一个分析。实际上，废水处理的中和过程具有较高的控制难度［1］，有以下2方面的原因:①中和反应存在严重的非线性，中和点附近增益极高，难以建立过程的辨识数学模型;②中和过程为弱酸和中强碱在露天流动的过程中反应，其过程易受本身化学成分、是否含杂质、外界温度变化等影响。所以采用常规PID［2］对pH值进行精确控制难以取得很好的控制效果，这也成为工业自动化中较薄弱的环节之一。为此，pH值被公认为是最难控制的变量之一［3］。与常规PID控制方法相比，模糊自适应PID控制具有不建立数学模型、响应快、超调小、较好的动态响应品质和鲁棒性好的特点。本文将模糊自适应PID算法与西门子S7-300结合，实现对IC厌氧反应塔内部的pH值控制，达到满意的效果。

1 废水处理IC厌氧反应塔工作原理

为了保证IC厌氧反应塔中厌氧污泥的反应环境，需要酸碱适中。在IC厌氧反应塔入口和出口都有一个pH值变送器，通过检测出口的pH值来保证IC厌氧反应塔内部的反应环境。根据工艺需要，IC厌氧反应塔内部污泥的最佳反应环境为弱酸性，当pH值＞7时，自动启动酸计量泵;当pH值＜7时，自动启动碱计量泵，以维持pH值为弱酸性，废水处理流程如图1所示。模糊控制器输出的控制量信号作用于相应的执行器，可实现不同类型废水的中和处理。

图1 废水处理流程图

图2 模糊自整定PID控制器结构

2 模糊自适应PID控制器工作原理及设计［4-6］

2.1 pH值模糊PID控制原理

在普通PID控制器上加入模糊控制环节，通过模糊规则调整系统的PID参数，构成模糊PID控制器，实现对Kp、Ki、Kd自动调节。

自适应PID控制器以偏差E和偏差变化EC作为输入，可以满足不同时刻的E和EC对PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，便构成了模糊PID控制器。控制原理如图2所示。

控制器的输入为偏差E和偏差变化率△E，输出为Kp、Ki、Kd，分别为比例参数、积分参数和微分参数。经过适应于控制对象的模糊推理获得作为PID的Kp、Ki、Kd，从而根据被控对象状态实现对PID参数的实时自动调节。

2.2 pH值模糊控制器的设计

偏差E和偏差变化率△E为该控制器输入量，偏差E=pHsample(n)－pHset，其中pHsample(n)为以T作为采样周期，nT时刻采样得到的pH值;pHset为IC厌氧反应塔的标准pH值，为了方便研究，这里设定pHset=7。所以在该模糊PID控制器中，偏差E的范围为［－7，7］，偏差变化率△E的范围为 ［－7，7］。根据映射关系，将偏差E和偏差变化率△E分别模糊化为E和EC，模糊论域均为［－3，3］，Kp、Ki、Kd的模糊论域也分别为 ［－3，3］。模糊子集均记为{NB、NM、NS、Z0、PS、PM、PB}，分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。E、EC和Kp、Ki、Kd的隶属函数均取为三角形，如图3和图4所示，该函数具有计算复杂性低、控制精度高等特点。

图3 E、EC隶属函数曲线

图4 Kp、Ki、Kd隶属函数曲线

通过分析，在不同的E和EC时，模糊PID参数自整定遵循以下原则［7］:

(1)当偏差E较大时，说明实际值与设定值相差很大，为了加快系统的响应速度，应取较大的Kp;同时为了避免由于开始时误差的瞬时变大可能出现的微分过饱和，而使控制作用超出许可的范围，应取较小的Kd;同时为了防止系统响应出现较大的超调，产生积分饱和，应对积分作用加以限制，所以通常取Ki值趋近于零。

(2)当E和EC处于中间值时，Kp应取得小一些，Ki的取值要适当，可以使系统响应具有较小的超调;这种情况下，Kd的值对系统影响较大，取值可根据E和EC的值来确定，大小要适中，以保证系统的响应速度。

(3)当偏差E较小或接近于设定值时，主要考虑避免系统在设定值附近出现振荡，同时根据偏差E接近设定值的程度，应适当增加Kp、Ki的值，使系统有良好的稳态特性;并考虑到系统的抗干扰性能，根据偏差EC的取值来确定Kd的取值，当EC的值变化小时Kd的值大些，当EC的值变化大时Kd的值小些。

基于上述控制规则，为了便于在线调整，将E和EC整数论域［－3，3］中的全部元素进行任意组合，结合工程技术知识和实际操作经验，通过模糊推理和模糊判决得出它们对应的Kp、Ki和Kd的值，建立符合控制对象pH值特点的模糊控制查询表，如表1～表3所示。

表1 Kp模糊控制查询表

表2 Ki模糊控制查询表

表3 Kd模糊控制查询表

3 控制方案的实现［8-10］

景兴纸业废水改造系统采用S7-300系统，因为S7-300稳定可靠、功能强大且自动化程度高。改造系统配置为:中央处理模块 (CPU)CPU315-2DP;数字量输入模块 (DI)SM321，6块;数字量输出模块 (DO)SM322，2块;模拟量输入模块 (AI)SM331，10块 (8×12位);模拟量输出模块 (AO)SM332，4块 (8×12位);电源模块选用 PS307，5 A，24 VDC;为了保证系统稳定和实时性，新系统使用以太网通信，型号为SM343-1，并与原有老系统保持通信，实现数据交换，整个网络采用TCP/IP通信协议。上位机采用WinCC6.2系统，用于调节并监控现场各参数，实现人机交互，系统运行中相应监控画面在上位机上显示。

整个程序的编写由STEP7来完成，程序采用模块化编程，模糊推理子程序根据采集的数据进行模糊推理，模糊推理子程序见图5。随后调用变频PID控制子程序，在程序中调用FB41功能块，并设置其相关参数，实现对过程变量的PID调节，即可实现对酸、碱计量泵变频器的控制，从而实现对IC厌氧反应塔的环境控制。

图5 模糊推理子程序

由前面可知，将模糊论域E的元素 {－3，－2，－1，0，1，2，3}转换为 {0，1，2，3，4，5，6}以便于寻址查询，然后采用“基址+变址”的寻址方式将模糊控制量表1、表2、表3中的PID控制结果按从上到下、从左到右的顺序填入PLC的数据寄存区DB1.0～DB1.192，DB2.0～DB2.192，DB3.0～DB3.192中。控制量的基址为0，其偏移地址为0+EC*7+E。PID三个参数的寻址分别找到后，经过解模糊运算，可得到精确的控制量Kp、Ki和Kd。在OB1中编写程序实现信号输入采样，得到误差和误差变化率，在循环中断组织块 OB35中调用 FB41“CONT_C”［11］实现PID闭环控制，查表程序分别在FB1、FB2、FB3中进行实现，查询表存放在数据块DB1、DB2、DB3中以供查询。

4 试验结果

根据以上模糊自适应PID控制方案，在废水pH值稳定的情况下，采用常规PID控制和模糊自适应PID控制进行比较:对IC厌氧反应塔入口处pH值进行检测，设定pH值=7，完成PLC的内部运行程序之后，采用常规PID控制曲线使用模糊自适应PID的方法，曲线如图6所示。

图6 常规PID控制曲线

从图6可以看出，当系统突然出现一个比较大的扰动时，所监控pH值同样会出现一个突然下降很大的波动，没有很好的响应调节，抗干扰能力不足，很容易引起超调现象发生。

使用模糊自适应PID的方法，曲线如图7所示。

图7 模糊自适应PID控制曲线

图7中曲线为设定pH值=7时的自动调节响应曲线，从图7的曲线可以看出，系统因采用自适应调节，降低了超调量，响应速度加快，对参数变化不敏感，基本稳定在设定值附近，保证稳态特性又改善了动态性能。

5 结语

针对常规PID控制参数难以整定且不能灵活变化，对高阶、时变、非线性系统控制效果不理想的状况，设计了一种基于模糊自适应PID控制方法的废水处理pH值控制系统，对现有设备低成本条件下的技术改造很有意义。同时此种方法也能用到车间中其他一些复杂系统的备选方案中，产生可观的经济效益。

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