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模糊PID控制在吸收塔PH值控制中的应用_8

1 引言

  吸收塔反应池中浆液的ph值调节具有一定的滞后性、非线性和时变性等特点,影响它的因素很多,如除雾器冲洗水量、循环浆液流量、循环浆液品质、烟气温度等。控制某单一参数完成的对ph值的控制,只是能够在一定程度上满足系统脱硫效率与安全运行的要求。如果要使fgd系统能够进一步优化运行,使得脱硫效率与系统安全性尽可能的提高,必须充分综合考虑各种因素。为了能够进一步提高fgd系统的运行效率,本文提出了利用模糊pid控制来精确调节反应池浆液ph值的策略。所谓模糊pid控制即是利用模糊控制器在线整定pid控制器参数。模糊pid控制器由两部分组成:模糊控制部分和pid控制部分。其中,模糊控制部分按照一定原则对pid参数进行自动校正,pid控制部分实现对被控对象的控制,模糊pid控制逻辑图如图1所示。

图1 模糊pid控制逻辑结构图

2 吸收塔ph值控制系统模糊pid控制器设计

  2.1 fuzzy数学模型

  首先确定模糊控制器的输入、输出变量,确定模糊控制器的维数。选择吸收塔反应池浆液ph值实际值与设定值的偏差e及偏差变化率ec为输入变量,设其模糊语言变量为e、ec;输出量为pid参数kp、ki、kd。模糊控制器为双输入三输出形式。

  根据实际需要确定各个输入、输出变量的变化范围,然后确定它们的模糊等级、模糊化比例因子、清晰化比例因子。在每个变量的量化论域内定义模糊子集,确定每个模糊子集的语言变量,然后为各语言变量选择隶属度函数,如图2所示。

  输入量e和ec和输出量kp、ki、kd的模糊子集均分为七级为:[nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb],论域为[-3,-2,-1,0,1,2,3]。输入e、ec隶属函数选择高斯函数,如图2所示,输出kp、ki和kd隶属函数均选择三角函数如图3所示。

  由隶属函数图可以得到各输入、输出量的赋值表,如表1、2所示:

表1 e、ec赋值表

   表2 kp、ki和kd赋值表

  2.2 模糊推理及决策

  在获得了三者的调整规则后,接下来就要根据模糊理论进行算法合成,求得相应的kp、ki和kd的三个控制表。因为三个控制表的求解过程完全一样,故在此仅以kp为例,介绍一下控制表的求取过程。

kp控制规则表中的每条规则的关系可以表示为:
rk=eiecjkpij (1)
其中:为模糊直积运算。
则:r1=(nb)e(nb)ec(pb)kp
r2=(nb)e(nm)ec(pb)kp

r49=(pb)e(pb)ec(nb)kp

  根据每一条模糊语句决定的fuzzy关系rk(k=1,2,,49),可得描述整个系统的kp控制规则总的fuzzy关系矩阵r:

r= r1r2r49 (2)
则输出kp的控制量集合可由下式求出:

其中:为模糊值合成运算。

  按照式(1)~式(3)计算,即可求出kp的模糊子集,接下来要进行模糊判决,本系统采用最大隶属度法。经过模糊判决,就可以得到kp的模糊控制表如表3。同法可得ki和kd的模糊控制表见表4、表5。

   表3 kp模糊控制表

3 pid算法和模糊pid算法仿真比较

  根据现场经验与各种参考资料,吸收塔ph值的控制过程模型可以近似为带滞后的一阶惯性环节:

  结合本系统实际情况,取r=25,k=0.243,=14s。

  下面开始搭建仿真结构图。首先利用fuzzy工具箱建立一个mamdani型两输入(e、ec)三输出(kp、ki、kd)的模糊控制器,fis选项中and(与)为min,or(或)为max,implication(推理方法)为min,aggregation(合成方法)为max,defuzzification(清晰化)为mom(最大隶属度)。在规则编辑器中输入模糊规则,搭建模糊控制器。将建立的模糊控制器封装在fuzzy logic controller中之后即可用simulink模拟工具箱构建仿真结构图。

  pid控制器的参数由试凑法得到,kp取0.089、ki取0.09、kd取0.00005;模糊pid控制器的量化因子ke为2.3,kec为4.1,kp、ki、kd的比例因子分别为0.0006,0.000003,0.0065。图4为pid算法和模糊pid算法跟踪阶跃函数的仿真结果图。

  由图可知模糊pid算法,在最大超调量、上升时间和调整时间上,均比pid算法小,说明应用模糊pid控制,系统的动态性能和稳态性能均优于普通pid控制。

图2 输入隶属函数图

图3 输出隶属函数图

图4 仿真结果图



4 吸收塔ph值控制方案

  由于吸收塔反应池中亚硫酸钠的氧化反应最好在ph为4.5~6的环境中进行,而脱硫效率较高时从吸收区落入氧化区的浆液的ph大致为3.5~6.2。综合高效脱硫与可靠运行两方面的要求,对吸收塔反应池中浆液的ph值控制在5.6~6.0,就能够满足系统的安全经济运行要求。采用模糊pid算法的吸收塔ph值控制系统方案,利用两台ph计来测量吸收塔反应池中浆液的ph值。选择其中一个作为ph值信号来控制循环浆液流量,通过调节浆液流量而达到稳定ph值在一个设定值的控制目的。控制系统把ph值的设定值和检测值进行比较,结果送入模糊控制器进行计算,通过模糊pid控制器对变频器进行控制,进而调整循环浆液泵的转速从而达到对吸收塔ph值的控制。当ph值降低,则增加现场循环浆液泵变频器的频率;反之,减小循环浆液泵变频器的频率。

表4 ki模糊控制表

表5 kd模糊控制表

5 结束语

  针对吸收塔ph值的控制过程提出了先进的模糊pid控制策略,并搭建仿真系统进行效果论证,证实了模糊pid的控制效果优于普通pid,系统的投入运行保证了脱硫工段安全、经济的运行。

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