艾昌文 艾明曦

(1.云南大學(xué)省電子計(jì)算中心，昆明 650223；2.中南大學(xué)航空航天學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083)

在自動(dòng)化領(lǐng)域，pH值控制策略引起了許多研究人員的興趣，并產(chǎn)生了有價(jià)值的研究成果，部分研究還結(jié)合酸堿中和反應(yīng)的特點(diǎn)，通過(guò)模擬仿真的方式對(duì)不同控制算法的優(yōu)劣進(jìn)行了評(píng)價(jià)，但這些研究成果大都沒(méi)有與具體的硬件環(huán)境相結(jié)合，受設(shè)備條件的限制和現(xiàn)場(chǎng)因素的影響，而實(shí)際控制過(guò)程遇到的問(wèn)題要復(fù)雜得多。筆者從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，基于系統(tǒng)硬件構(gòu)成和具有高靈敏度特性的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，論述了一種新的pH值控制策略，即通過(guò)仿人智能控制使pH值取得更優(yōu)的控制效果。

1.1 分段PID控制

酸堿中和反應(yīng)呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性特性、大時(shí)滯特性和快時(shí)變特性，難以建立數(shù)學(xué)模型，中和過(guò)程pH值滴定曲線的中間段增益很高，兩端增益卻很小[1]。傳統(tǒng)的PID控制算法對(duì)線性過(guò)程具有很好的控制效果，而對(duì)于具有嚴(yán)重非線性的pH值中和過(guò)程，中性臨界點(diǎn)附近的高增益使得常規(guī)PID控制器的參數(shù)調(diào)整非常困難。

為了用線性控制的方式實(shí)現(xiàn)pH值的非線性控制，通常采用分段PID控制策略，以近似表達(dá)pH中和反應(yīng)的非線性特點(diǎn)。在具體的實(shí)現(xiàn)方式上，一般采取三區(qū)段非線性變?cè)鲆鍼ID控制算法[2，3]，由于減小了中和反應(yīng)非線性的負(fù)面作用，其控制效果優(yōu)于常規(guī)PID控制器。但分段PID控制不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，在控制器設(shè)計(jì)中，區(qū)段的劃分比較困難，不具備對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)性，缺乏學(xué)習(xí)功能，沒(méi)有理論分析結(jié)果保證其穩(wěn)定性，而且參數(shù)的在線整定非常困難。

1.2 模糊控制

一些難以建立數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)，用模糊邏輯推理對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸入狀態(tài)觀測(cè)量進(jìn)行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制決策，卻能夠取得很好的控制效果。模糊控制技術(shù)常用于pH值調(diào)節(jié)[4～6]，特別是一些對(duì)控制精度要求不高的場(chǎng)合。測(cè)量信息的模糊化、推理機(jī)制的建立和輸出模糊集的精確化是模糊控制需要完成的主要工作。實(shí)際應(yīng)用中，通常選擇誤差e及其微分項(xiàng)Δe作為推理參數(shù)構(gòu)造推理規(guī)則表。

模糊控制的優(yōu)勢(shì)在于不需要了解被控對(duì)象的精確模型，基于模糊集合及模糊邏輯等模糊數(shù)學(xué)理論，能適用于比較復(fù)雜的不確定非線性系統(tǒng)。其主要問(wèn)題在于缺乏良好的學(xué)習(xí)能力，精確度較差，應(yīng)用到非線性系統(tǒng)中有時(shí)難以保證穩(wěn)定性。

1.3 無(wú)模型自適應(yīng)控制

無(wú)模型學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制(MFLAC)是從I/O數(shù)據(jù)中提取出偽梯度向量和偽階數(shù)，并以此為基礎(chǔ)在受控系統(tǒng)軌線附近用一系列的動(dòng)態(tài)線性時(shí)變模型替代一般離散時(shí)間非線性系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)的無(wú)模型控制[7]。也可以先采用簡(jiǎn)單控制器對(duì)被控對(duì)象加以控制，而后自適應(yīng)地尋優(yōu)和修正控制器或閉環(huán)通道上的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)pH值控制系統(tǒng)的自適應(yīng)控制。

另一種常見(jiàn)的無(wú)模型自適應(yīng)策略(MFA)則是將一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)引入控制器模塊，以輸出向量的誤差為基礎(chǔ)來(lái)減少系統(tǒng)輸出與設(shè)定值之間的差距，在線地修正其中的加權(quán)因子從而達(dá)到自適應(yīng)控制的目的[8,9]。

無(wú)模型自適應(yīng)控制具有收斂性和穩(wěn)定性的理論證明，應(yīng)用于pH值控制已取得實(shí)際成果[10]，因其約束條件較多，目前還存在一些需要研究解決的問(wèn)題。

1.4 仿人智能控制

仿人智能控制，即從宏觀結(jié)構(gòu)上和行為功能上對(duì)人的控制進(jìn)行模擬。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過(guò)必要的訓(xùn)練后，由人實(shí)現(xiàn)的控制方法是接近最優(yōu)的。這種方法不需要了解對(duì)象的結(jié)構(gòu)、參數(shù)，不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，而是最大限度地識(shí)別和利用控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程所提供的特征信息，根據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)進(jìn)行在線推理，合理確定或變換控制規(guī)則[11]。

仿人智能控制在同樣條件下，所獲得的有關(guān)動(dòng)態(tài)過(guò)程的各種信息要比傳統(tǒng)控制方式豐富得多，它不僅知道當(dāng)前系統(tǒng)輸出的誤差、誤差變化和誤差變化趨勢(shì)，還知道前期控制效果和識(shí)別前期控制決策的有效性。

仿人智能控制通過(guò)定性決策和定量控制相結(jié)合的多模態(tài)組合控制方法，能對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)(如非線性、快時(shí)變、復(fù)雜多變量及環(huán)境擾動(dòng)等)進(jìn)行有效的全局控制，并具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力和學(xué)習(xí)能力。其難點(diǎn)在于缺乏完整的理論體系支撐，需要對(duì)人工控制經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行提煉，根據(jù)獲取的特征信息，建立并優(yōu)化其控制規(guī)則。

2 硬件平臺(tái)和工藝流程

在應(yīng)用系統(tǒng)中，pH值控制算法需要在特定的硬件環(huán)境下運(yùn)行，現(xiàn)有的各類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，不會(huì)成為應(yīng)用瓶頸，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)的及時(shí)性和控制精度直接影響控制品質(zhì)[1]，是決定控制算法能否有效實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

pH值控制過(guò)程是通過(guò)動(dòng)態(tài)地向被測(cè)液體中添加酸、堿溶液來(lái)完成的，根據(jù)生產(chǎn)工藝的特定需求，有時(shí)要對(duì)添加劑流量做大幅調(diào)節(jié)，有時(shí)僅對(duì)添加劑流量做微小調(diào)節(jié)。此外，有些添加劑比較粘稠，甚至含有顆粒物，在這種情況下需要選用不容易發(fā)生堵塞的流量調(diào)節(jié)設(shè)備。因此，要達(dá)到良好的控制效果，對(duì)流量調(diào)節(jié)設(shè)備及其控制技術(shù)具有非常高的要求。

在人工控制pH值的過(guò)程中，閘閥是理想的流量調(diào)節(jié)裝置，不僅可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)控制，適用于不同的應(yīng)用環(huán)境和要求。人工控制的難點(diǎn)在于個(gè)體的差異性、疲勞程度和響應(yīng)的及時(shí)性。

圖1為pH值自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。

圖1 pH值自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

pH值自動(dòng)控制系統(tǒng)中使用電動(dòng)球閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，與電動(dòng)閥門(mén)配套使用的電動(dòng)執(zhí)行器有不同的運(yùn)行速度，全行程時(shí)間從5、10、15、30s到60、100、120s不等，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行選擇，在開(kāi)關(guān)時(shí)間上不及人工操作快，但完全可以滿足使用要求。

普通電動(dòng)球閥的主要問(wèn)題是控制靈敏度較低，一般在1%～3%，遠(yuǎn)低于人工操作閘閥的控制靈敏度和精度，在需要進(jìn)行精確逼近控制時(shí)很難達(dá)到使用要求。為解決這一問(wèn)題，在控制方式上，采用電動(dòng)閥門(mén)無(wú)振蕩高靈敏度控制技術(shù)[12]，提高閥門(mén)的調(diào)節(jié)靈敏度，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，其控制靈敏度可以達(dá)到2‰，很好地滿足了添加劑流量的微量調(diào)節(jié)需求。

電動(dòng)球閥作為流量調(diào)節(jié)裝置，機(jī)電系統(tǒng)不需要頻繁工作，故障率低、維護(hù)量小、使用壽命長(zhǎng)，特別是調(diào)節(jié)石灰水一類粘稠、含有未溶解的顆粒狀液體，不易出現(xiàn)堵塞，是電動(dòng)球閥具有的主要特性。

設(shè)計(jì)的pH值控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的工藝流程如圖2所示。

3 算法實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

由于常規(guī)控制的局限性很難同時(shí)滿足響應(yīng)速度和靜態(tài)精度的要求，因此為優(yōu)化控制效果，需要引入智能控制，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的pH值控制算法應(yīng)具有以下基本特征：

a. 當(dāng)pH檢測(cè)值與pH設(shè)定值有較大偏差時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)大幅快速調(diào)節(jié)，縮短系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間，并朝目標(biāo)值進(jìn)行收斂；

b. 當(dāng)pH檢測(cè)值逐步接近pH設(shè)定值時(shí)，需及時(shí)調(diào)整控制策略，抑制并減少超調(diào)量，直至進(jìn)行微量調(diào)節(jié)，使被控pH值最大限度地逼近其目標(biāo)值并最終趨于穩(wěn)定；

圖2 pH值控制系統(tǒng)工藝流程

c. 適用性強(qiáng)，能應(yīng)用于不同的工業(yè)場(chǎng)合，控制參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)整定工作簡(jiǎn)單易行；

d. 具有較強(qiáng)的故障診斷和抗干擾能力。

3.2 控制規(guī)則

通過(guò)對(duì)不同控制策略的特點(diǎn)進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，仿人智能控制算法非常適合于pH值控制，在難以建立數(shù)學(xué)模型的情況下，為了解決系統(tǒng)的大時(shí)滯、快時(shí)變及嚴(yán)重非線性等問(wèn)題，對(duì)人工控制過(guò)程和行為進(jìn)行模擬，在良好的硬件環(huán)境支持下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)具有充分的可行性。

為了獲得滿意的控制效果，需要對(duì)被控對(duì)象特征的變化進(jìn)行辨識(shí)，根據(jù)辨識(shí)結(jié)果，合理地確定控制方式，實(shí)時(shí)地選擇大小和方向進(jìn)行閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)。在算法的具體實(shí)現(xiàn)上，先將辨識(shí)結(jié)果按優(yōu)先級(jí)別進(jìn)行劃分，然后建立分層控制規(guī)則，這是該仿人pH值控制算法的核心思想，其主要規(guī)則描述如下：

a. 第一層為最高優(yōu)先層，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)異常情況識(shí)別，主要包括閥門(mén)故障、pH值信號(hào)異常、添加劑異常和被檢測(cè)液體異常。當(dāng)異常情況發(fā)生時(shí)，對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別、定位并報(bào)警，等待故障排除后再切換到正常運(yùn)行狀態(tài)。

b. 第二層識(shí)別閥門(mén)開(kāi)度的經(jīng)驗(yàn)值，包括閥門(mén)初始開(kāi)度經(jīng)驗(yàn)值和異常情況發(fā)生前閥門(mén)開(kāi)度值。閥門(mén)初始開(kāi)度經(jīng)驗(yàn)值是開(kāi)機(jī)時(shí)閥門(mén)開(kāi)度的依據(jù)；自動(dòng)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的閥門(mén)開(kāi)度值，可以作為從異常情況發(fā)生、故障排除再回到正?？刂茣r(shí)閥門(mén)開(kāi)度的經(jīng)驗(yàn)值。

c. 第三層對(duì)pH值偏差和偏差變化率進(jìn)行識(shí)別，這是系統(tǒng)仿人工實(shí)現(xiàn)大幅快速調(diào)節(jié)的依據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)的誤差趨于增加或保持常值時(shí)，仿人控制規(guī)則采用比例、微分控制模式，偏差和偏差變化率越大，控制作用越強(qiáng)烈，此時(shí)系統(tǒng)處于閉環(huán)工作狀態(tài)，抑制系統(tǒng)的誤差增加或迫使誤差迅速減小。

d. 第四層判斷是否滿足精調(diào)的控制條件，當(dāng)系統(tǒng)誤差趨于減小并進(jìn)入微調(diào)范圍時(shí)，仿人控制規(guī)則采用微量調(diào)節(jié)模式，此時(shí)系統(tǒng)處于開(kāi)環(huán)工作狀態(tài)，使被控參數(shù)最大限度地逼近目標(biāo)值，優(yōu)化控制效果。

對(duì)應(yīng)于控制算法運(yùn)行的硬件平臺(tái)，本次閥門(mén)開(kāi)度Uk可用以下關(guān)系式表示：

Uk=Uk-1+f(Dk，Tk)

Tk=f(ek，ek-1，ek-2，ek-m)

式中Dk——本次閥門(mén)開(kāi)關(guān)方向；

ek、ek-1、ek-2——最近3次的采樣偏差；

ek-m——上次閥門(mén)調(diào)節(jié)時(shí)的采樣偏差；

Tk——本次閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)間；

Uk-1——上次的閥門(mén)開(kāi)度。

從以上關(guān)系式可以看出，閥門(mén)開(kāi)度的調(diào)整與系統(tǒng)輸出的誤差、誤差變化和誤差變化趨勢(shì)相關(guān)聯(lián)。

3.3 控制參數(shù)

控制參數(shù)的整定是應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)必須面對(duì)的工作，一個(gè)設(shè)計(jì)合理、適用性強(qiáng)的控制算法，不應(yīng)使參數(shù)整定的過(guò)程過(guò)于復(fù)雜和困難。除pH值控制的目標(biāo)值外，以下參數(shù)也對(duì)控制算法起關(guān)鍵作用：

a. 閥門(mén)初始開(kāi)度經(jīng)驗(yàn)值U0。在特定的應(yīng)用場(chǎng)合，按照正常的生產(chǎn)工藝流程，閥門(mén)開(kāi)度是相對(duì)固定的，該位置信息即閥門(mén)初始開(kāi)度經(jīng)驗(yàn)值。

b. 滯后時(shí)間t1。閥門(mén)開(kāi)度調(diào)整后，在其他因素不變的情況下，因管道和反應(yīng)容器造成檢測(cè)點(diǎn)pH值開(kāi)始發(fā)生變化的時(shí)間。

c. 反應(yīng)時(shí)間t2。閥門(mén)開(kāi)度調(diào)整后，在其他因素不變的情況下，從滯后時(shí)間t1開(kāi)始計(jì)算，到Δe趨于0的時(shí)間。

d. pH值控制范圍。pH目標(biāo)值±δ，在該范圍內(nèi)，當(dāng)Δe趨于0時(shí)，閥門(mén)位置處于保持狀態(tài)。

e. pH值采樣周期T。pH值測(cè)量、顯示更新的時(shí)間周期，該時(shí)間對(duì)Δe有實(shí)質(zhì)影響，采樣周期短，閥門(mén)開(kāi)度調(diào)整時(shí)開(kāi)關(guān)幅度減弱；采樣周期長(zhǎng)，閥門(mén)開(kāi)度調(diào)整時(shí)開(kāi)關(guān)幅度增強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

仿人智能控制具有非常廣闊的應(yīng)用前景，筆者將其應(yīng)用到pH值實(shí)時(shí)測(cè)控，通過(guò)建立分層控制規(guī)則，奠定了仿人控制設(shè)計(jì)目標(biāo)的基礎(chǔ)。相對(duì)于傳統(tǒng)控制方法，pH值仿人控制具有明顯的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在算法主體架構(gòu)完成的基礎(chǔ)上，自動(dòng)識(shí)別生產(chǎn)工藝特征，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的優(yōu)化和修正，該方法將較高地提升系統(tǒng)的智能化程度。

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