基于模糊-PID的合成反应过程pH控制方法

熊 伟

(长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

现代社会的发展突飞猛进，化工生产在现代工业生产中占有重要的地位，反应釜作为化工业生产中应用频率最高的反应器，广泛应用于各种工艺流程，而在新能源材料合成反应过程中，反应釜中合成反应环境的pH值是其主要被控量。pH值不仅影响着产品的物理性质和化学性质，而且影响着产品质量，在化工生产过程中，需要严格将pH值控制在规定的范围内，否则就可能导致成品的合格率下降，甚至无法生产出合格产品，影响企业经济效益。

本文针对新能源材料合成反应pH控制过程中存在的高度非线性、时滞性等问题，在分析反应釜结构与工作原理的基础上，提出了一种具有良好控制品质的模糊PID控制，通过pH值的检测值和设定值之间的误差和误差的变化率动态修改PID控制的参数，从而实现系统对pH值的稳定控制。仿真结果表明，与常规PID控制相比，模糊自适应PID控制具有更好的控制性能。

1 合成反应釜结构与工作原理

合成反应釜的基本结构如图1所示，其结构一般由釜体、传动装置、搅拌装置、密封装置等构成。釜体是合成反应釜的一个主要装置，多为不锈钢罐型容器，可以在罐内装入物料，使物料在其内部进行化学反应。搅拌装置主要是通过电机驱动桨叶转动，将反应物料进行搅拌、分散与混合。此外，在反应釜上还安装了温度计、pH计、液位计等传感器，对反应过程进行监控。

球形氢氧化镍的合成反应是一个典型的复杂化学反应过程。在含有球形氢氧化镍母体的料浆中，加入一定浓度的硫酸镍溶液、氨水溶液和氢氧化钠溶液，在特定温度、pH值、时间下反应，料浆经过陈化、洗涤、过滤、干燥，就可以得到球形氢氧化镍。合成反应中氢氧化镍浆液的pH值控制对球状氢氧化镍的形成形态至关重要，一般要求稳定误差范围在±0.01以内。合成反应中影响反应物pH值的因素主要是碱液的添加控制。实际生产过程中，稳定控制pH值非常困难。一方面，碱液作为反应物不断参与合成反应会使pH值降低，而加入的碱液过剩就会造成pH值升高。另一方面，由于pH值控制过程的强非线性性以及大滞后等特点，常规的PID控制难以达到理想的效果。为此，研究基于模糊自适应PID的pH值稳定控制方法尤为必要。

图1 反应釜结构示意图

2 模糊-PID控制

新能源材料合成反应过程pH的控制比较困难。结合工业生产的实际问题，研究出一种模糊控制器，该控制器是根据决策表来对控制量进行判断，决策表的特点就是依靠专家的控制经验制定。因此，把经典PID控制与模糊控制的优点结合起来，取长补短，使系统结合了灵活性、适应性强以及控制精度高三个特点，组成新型的模糊-PID控制器，使系统的控制简单便捷化，控制效果更加精准、高效、稳定。

2.1 控制原理

模糊PID控制算法主要是由模糊控制器和PID控制器结合而成，结合了模糊控制和PID控制的优点，使PID控制器参数实时调整自动适应系统的动态变化，从而提高系统的跟随能力及响应速度，特别适合于时变性和非线性较大的被控对象。其工作流程图如图2所示。

图2 自调整模糊控制工作流程图

参数KP、KI、KD设定公式为：

(1)

2.2 控制器设计

基于模糊PID控制策略的碱液添加控制方法以pH值偏差e和偏差变化率ec为两个输入变量，以ΔKP、ΔKI和ΔKD作为三个输出变量。根据pH值控制精度要求，将输入量e、ec以及输出量ΔKP、ΔKI和ΔKD的模糊子集设为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，记为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。E、EC和ΔKP、ΔKI、ΔKD的论域定义为[-1,1]，隶属度函数选用三角隶属函数。因为pH值要求在(-0.01，0.01)范围内变化，则Ke=1/0.01=100，偏差变化率在(-0.005,0.005)范围内变化，则Kec=1/0.005=200。

模糊控制器的设计核心是模糊规则的建立，模糊规则是否恰当是模糊控制器控制效果好坏的直接影响因素。模糊规则根据现场的大量运行数据以及实际操作经验和专家知识总结得出，采用“if E and EC，then U”类型的控制规则。总结的规则表如表1所示。

表1 ΔKP、ΔKI、ΔKD的模糊控制规则表

在获取e、ec的响应语言值后，由规则表中对应的模糊决策，经Mamdani模糊推理算法，得出3个修正值的模糊量，再通过重心平均法求取输出量的精确值，乘以比例因子，得出ΔKP、ΔKI和ΔKD三个模糊参数修正值；最后利用式(1)～式(3)，得出整定后的三个PID参数KP、KI、KD的值。

由于计算机整定的特点，对于PID参数是是离散化的，通过差分公式来进行计算，从而得出输出控制量：

然后，根据PID特性控制阀门的开度，就可以控制碱液进入反应釜的多少并且控制碱液进入反应釜的速率，最终实现对反应物料pH值的稳定控制，提高生产合格率。

3 仿真分析与现场应用

(1)仿真实验与分析。根据pH值控制系统试验及相关资料研究，取反应釜的数学模型为二阶传递函数为：

在MATLAB/Simulink软件中建立该控制系统的仿真模型，并进行仿真实验；同时将其与常规PID控制系统进行比较。Simulink仿真如图3所示。

设置100 s的仿真时间，对系统施加单位阶跃信号，在50 s时对系统施加一个干扰信号，经过仿真后的曲线如图4所示。

图3 模糊PID Simulink仿真框图

图4 pH值控制系统加入扰动后响应曲线图

由图4可以看出，模糊PID控制和常规PID控制相比，超调量减少了，并且缩短了调节时间，在50s后加入干扰信号后，模糊PID比常规PID波动小，调节时间快。

(2)现场应用。基于模糊PID 的控制方法已用于某电池正极材料合成反应过程的pH值的自动控制中。根据pH给定值和实际反馈值的偏差的大小，查找计算和处理得到的控制表，给出不同的变频器频率，从而控制碱液的添加量等以消除偏差，实现pH值的稳定控制。现场的应用效果如图5所示。

图5 现场应用情况

从图5中可以看出，模糊PID控制在工业现场应用效果很好，超调量小，调节时间快，达到了预期的稳定控制效果，满足合成过程对pH值的生产运行要求。

4 总结

在新能源材料球状氢氧化镍合成过程中，对反应釜中反应料液的pH值的稳定控制直接影响合成材料球状氢氧化镍的形态品质。针对新能源材料球状氢氧化镍合成过程中对pH值的控制精度要求，提出了一种基于模糊PID的合成反应过程pH控制方法。通过仿真实验可知，本文建立的模糊PID控制系统与传统的PID控制相比，改善了对反应环境的pH值控制效果，增强了系统的稳定性和适应性，能够满足新能源材料合成反应过程中对pH值控制的精确度要求，具有很好的应用价值。