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pH过程的模糊控制仿真研究.? 自动 化与仪器仪表 ZIDONGHUA YU YIQI YIBIAO 2004年第5期(总第115期) 文章编号:1001一9227(2004)05一《005一03 pH过程的模糊控制仿真研究 李 力 薛 薇 (天津科技大学天津,300222) 摘 要 : pH过程广泛存在于化工、生物工艺、污水处理、发电等工业过程中,对这一过程进行良好的控制有着 十分重要的意义。由于pH过程是一个具有严重非线性及滞后性的被控对象,传统的PID控制难以达到理想的控 制效果。本文使用模糊控制技术,设计采用了带有自调整因子的模糊 控制器 ,不仅能较好地处理pH过程的严重非 线性和滞后性,而且具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。 关键 词 : pH过程非线性滞后性模糊控制 AB STR AC T; Inc hemicale ngineering, bioengineeringw astewatertr eatmente ngineeringa nda g eneratings tation there are a large number of pH processes. It is important to control this process. Because PH process has serious nonlinearitya ndd elay,itis d ifficultto h avea ni dealco ntrolef fectfo rtr aditionalP IDc ontrol. A f uzzyc ontrolap proach is proposed in this paper, which designs a fuzzy controller with self-adjusted factor. The strategy can deal with serious nonlinearity and delay of pH process, and has the stronger robustness and an ability of disturbance rejection. KEY WO RD S;pH porcess Nonlinearity D el ay Fuzzyc ontorl 中图 分 类 号:TP273`.4 文献标识码:B H JI P ,几 0 引言 pH 过程控制已广泛应用于化工、轻工、废水处理及 环境保护领域。pH值的控制对于提高化工产品、生物 产品的质量及产量是非常重要的,同时对于提高生产 设备的安全防护及环境保护也有极其重要的影响。如 果介质pH值达不到要求,不仅会造成生产过程不能 顺利进行,对生产设备还会造成腐蚀损害。例如在热力 发电厂,如果给水的pH值过低,会腐蚀铁制管路,过 高则会腐蚀铜制管路。但是pH过程的控制一直是工 业过程控制中的难题之一,其主要原因在于以下几个 方面: (1) p H 值 与氢离子浓度之间为对数关系; (2) 中 和 过程中,pH滴定曲线具有严重的非线性 特性; (3) p H 反 应过程具有滞后性,并且难以获得pH 过程的精确数学模型; (4) p H 过 程外部干扰具有复杂性。 鉴 于 以上 原因,传统的PID控制难以达到理想的 控制效果。 模 糊 控 制技术是近些年来倍受人们关注和研究的 领域,模糊控制具有不依赖被控对象的精确数学模型、 鲁棒性强、算法简明易懂等特点。本文设计采用带有自 调整因子的模糊控制器,对pH过程进行控制,通过仿 真研究表明控制效果良好。 1 pH过程的特点 pH 过 程具 有严重的非线性和滞后性。pH中和过 程的滴定曲线如图1所示。 C,,=10-'mol/d c,}=10-'rrnof FA/ FB 浓度分别为C,与CB。流量分别为F,,与FB 图 1 酸 碱 滴 定 曲 线 其 非线 性 突出表现为:在中和点附近灵敏度过高, 而在远离中和点处灵敏度又很低。另外,pH过程具有 较大的滞后性。正是由于这些特殊性,采用传统PID控 制不能获得理想的控制效果。为了便于仿真,在此我们 采用分段折线法来近似表示pH特性曲线。即: K,X+pH, ,0 -X - n,-S, K彩-n沂7, n, -S,- X - n ,+S, K,仔-2n,)+p凡,n,+S,-X -2n, pHz,X>2n, 设误 差 、误差变化、控制量的基本论域分别为: [-Xe,Xe ],[- Xc,Xc ],[- Yu,Yu ],通过量化因子Ke,Kc 将模糊控制器的输人量— 误差、误差变化量从基本 论域转换到相应的模糊集合论域,同样将控制器的输 出量— 控制量从模糊集合论域,通过比例因子Ku变 换到基本论域。 设误 差 E、误差变化EC、控制量U的模糊集合论 域都为: {E} ={E C }={U}={-N,-N+1,二,-2,一1,0,1,2,&#8943;,N- 1,N} 则 在 全 论域范围内带有自调整因子的模糊控制规 则可表示为 -一 H P 式中,pH一酸的pH值 pH z— 碱的pH值 n,— 中 和点处的FA/FB值 S,— 小 的正数 在本 文 中 ,取pH,=3,pH 2-11,n, =1,S, =0.1, K,=1犬2=31。 `: 带有自调整因子的pH过程模糊控制器 2.1系统结构 本文 提 出 的pH过程模糊控制系统结构框图如图 2所示。其中FLC为带有自调整因子的模糊控制器; pH。为pH值的期望值;E,EC分别为误差及误差变化 量化后的模糊量;Ke,Kc为量化因子;Ku为比例因子; U为模糊控制器FLC的输出,即控制量的模糊量;u为 FLC输山的精确值;G,(S)为被控对象:pHNL为pH值 的特性,如图1所示。 U=一<(xE+(1一。)EC> 1 , 、.。。 (X=万la,-ao)IG I 十 ao K, I一一月F !L4& G47)1. H N pH E-r4囚 E 图 2 pH 过程的模糊控制系统框图 从图 2 中 可以看出,本文提出的pH过程模糊控制 系统的结构简单,是一个单回路控制系统。为了更好地 提高系统的稳态性能,在FLC的后面串接一个PI控制 环节,构成一个FLC-PI控制器。 2.2自调整因子的结构 在模 糊 控 制系统中,模糊控制器的性能对系统控 制特性影响很大,而模糊控制器的性能在很大程度上 又取决于模糊控制器规则的确定及其可调整性。为了 满足pH过程的控制要求,设计出一种在全论域范围内 带有自调整因子的模糊控制器,它可简化寻优过程,如 图3所示。 其中,O- c aco-a ,-I ,a e [a o,aJ 。 对于 一 个 常规的二维模糊控制器而言,在控制过 程的初始阶段,系统的误差往往较大,控制的主要目的 是消除误差,这时希望误差值在控制规则中的加权系 数应大一些;反之,当控制过程趋向稳定阶段,系统误 差已较小,控制的主要任务是减小系统的超调量,使系 统尽快稳定,这就要求在控制规则中,把误差变化值的 加权系数增大。上述控制规则的特点是调整因子a在 a。至。。之间随着误差绝对值}E}的大小呈线性变 化,因为N为量化等级,故a有N个可能的取值。通过 调整。值,可以改变误差和误差变化对控制输出变量 的加权程度。上面的量化控制规则体现了按误差的大 小来自动调整误差对控制作用的权重,因为这种自动 调整是在整个误差论域内进行的,所以称其为在全论 域范围内带有自调整因子的模糊控制规则。显然,这种 自调整过程符合人在控制决策过程中的思维特性,已 经具有优化的特点,且非常易于通过微机实时实现其 控制算法。经实验证明这种控制器具有较好的鲁棒性。 3 仿真研究 本 文 使 用MATLAB软件动态仿真工具箱 SIMULINK对上述系统进行了仿真分析,仿真中pH滴 定曲线用图1中的三段折线近似,在图2中取 Ke' G办少= 。其中T,=0.1,T2 =1,T= 0.2,K =10 了孔s+1)(玲+l) 图3 带有自调整因子的模糊控制器 为 了便 于 分析,同时构造了传统PID控制系统和 模糊控制系统进行比较。 对 同样 的 对象分别使用模糊控制器和常规PID控 制器进行仿真,结果如图4,5。可以看出使用模糊控制 器较常规PID控制器的输出更为稳定,而且并未产生 超调,在响应时间较短的情况下控制效果更好。 10 2 0 3 0 4 a 图4 模糊控制器仿真曲线 31 }- ., - .. 一。一一I 0 1 0 2 0 30 4 0 5 0 图 9 模 糊 控 制器 仿 真 曲 线 (T =0.4) 模糊 控 制 器的过渡过程响应快而且超调小,证明 了模糊控制器在克服滞后方面相对于常规PID控制器 具有明显的优势。 在克 服 干 扰方面,亦对模糊控制器进行了分析,加 人矩形波扰动仿真曲线如图l00 20 30 40 50 60 70 80 90 100 图5 PID控制器仿真曲线 中和 输 人 或输出流量的变化将会引起等效时间常 数的变化,为检验模糊控制器对于时间常数变化的适 应性,在取滞后时间T=0.2时,改变时间常数,得到分 析结果如图6,70 8 广es es e ew . ,es 一 ~ . 一一-一一- 到一~, 图10 20 30 40 50 模糊控制器仿真曲线 在系 统 产 生干扰的情况下,模糊控制器仍保持了 良好的控制性能,对干扰的抑制能力较强,响应时间 短,控制稳定。 图6 10 20 3 0 4 0 5 0 模糊控制器仿真曲线仍=0.2口卜1) 310 图7 10 2 0 3 0 40 50 模糊控制器仿真曲线(T,=0.1, Tz=I.i) 由上 述 分 析,当对象的时间常数变化时,模糊控制 器仍能保持良好的控制性能,且过渡时间短,说明模糊 控制器具有较强的鲁棒性和较好的暂态响应。 以下 分 析 改变了对象的滞后时间,在其它参数不 变的同时,对象滞后时间:分别取0.3,0.4。见图8,90 4 总结 实验 证 明 :对于pH过程这样难以控制的对象,采 用带有自调整因子的模糊控制方案,模糊控制器不仅 能较好地处理中和过程的严重非线性和滞后性,使系 统在给定值和负荷干扰下均能获得满意的控制品质, 而且对过程参数的变化和负荷干扰有较强的自适应能 力,体现出了智能控制的优越性。该方案使用的控制结 构和算法都比较简单,易于单片机、DSP等仪器仪表的 实现,具有很强的实用价值。 参 考 文 献 李士勇.模糊控制和智能控制理论的应用.哈尔滨:哈尔滨工 业大学出版杜,1990 薛薇,叶强.pH过程的FUZZY-PI复合控制研究. 石油化工 自动化,2000-2 李友善.模糊控制理论及其在过程控制中的应用.北京:北京 国防工业出版社,1990 徐听.Madab工具箱应用指南。北京:电子工业出版社,2000 0 10 20 30 40 50 图8模糊控制器仿真曲线(T=0.3)查看更多 0个回答 . 3人已关注
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简介
职业:浙江卫星石化股份有限公司 - 设备工程师
学校:山东大学 - 历史文化学院
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个人简介:亲爱、你走后,我该拿什么来打发无聊的时间?查看更多
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