论文部分内容阅读
摘 要：本文对滤后余氯复合环投加的难点与传统PID控制的缺陷分别进行了详细介绍，以作者所在的天津泰达水业有限公司为实践背景，介绍了模糊控制的应用与最终控制方案的选定。
关键词： 余氯复合环 模糊控制 PID 系统辨识
中图分类号：TV文献标识码： A
一、引言
氯气投加是水厂给水工艺中必不可少的环节，其作用是要将水中的游离氯控制内合理的范围内，水中的余氯值是保证在管网内持续灭菌的关键，但残留氯太高则易产生致癌物质，影响人们的健康，这就要求水厂必须采用可靠的投加方式确保出厂水余氯的稳定，但是由于氯气投加过程易受外界的干扰，且在投加环节与余氯采样环节存在较大延迟，这种传输距离上的滞后为纯滞后，此环节无法通过传统PID控制，微分作用来克服，对于这样一个复杂的工艺过程，水厂普遍采用开环控制根据流量进行投加，但无法进行复合环投加，实现真正的自动化。
模糊控制能将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后利用这些规则来进行控制。因此，模糊控制对于那些复杂的不可测系统具有无与伦比的优势，基于这些特点，天津泰达自来水厂为实现安全供水与现代化水厂建设，投入大量人力，期间我们自控人员与工艺人员经过多次论证，最终决定采用比例-模糊-PI控制器针对不同余氯偏差量进行分级控制。
二、复合环控制模型
工程上的控制最常见的为反馈控制，如图1-1所示。系统将输出值与参数设定值的偏差作为控制器的输入，使系统根据控制规则不断缩小偏差、达到平衡状态。这种方法满足大多数过程控制的要求，但是在被控对象为大延迟、多干扰源的情况下系统很难稳定。因为反馈控制意味着存在可测量的偏差，传至控制器，产生控制作用，作用于执行机构，以实现闭环控制；实质上反馈调节相当于一种不断利用偏差调节的控制方法，这种方法对变化幅度较大且频繁的系统中难以起到完善的控制作用。
鉴于单纯闭环反馈的不足，一般工业上在对明显干扰源可测的情况下，使用另一种控制前馈-反馈控制，前馈控制是基于不变性原理的控制方法，其本质是对扰动进行补偿的开环控制。标准复合环投加方式，滤后流量为干扰源，水量的变化会引起系统的频繁调节，偏差增大，乃至失调。使用前馈控制在输入端加上相应的前馈量以克服水量干扰，并保证静态误差的消除，这样既发挥了前馈控制作用及时的特点，又保证了反馈控制能克服多扰动并可进行反馈校验的优点
三、传统控制模式的难点
1、存在纯滞后环节
一般工业过程一阶控制对象的数学模型近似表示为：
对纯滞后程度的辨识，通常采用纯滞后时间和过程惯性时间T之比来进行判断。当/T<0.5时，称系统具有一般滞后过程；当/T>0.5时,称系统具有大延迟过程。
当采用闭环控制时，一旦控制对象具有滞后性，对操纵量的控制变化无法及时反映到被控量上，操纵量的变化需要经过时间以后才能反映到被控量上；另一方面，当被控量受干扰影响时，控制器也无法对干扰波动及时产生抑制作用。特别是/T>0.5时，采用传统PID控制会引起大的超调和长时间的振荡，甚至使系统发散，难以达到良好的控制效果。图1-3为含有纯滞后的闭环系统。
显然：
它的特征方程都为：
可以看出，由于传递函数的特征方程都含有纯滞后因子，故使得系统的闭环极点有可能位于S的右半平面，从而使系统失调。
对于/T较小的过程，可以采用常规PI或PID控制，对于/T较大的过程，即使控制参数选定的较小，放大调节时间，也很难取得满意的控制效果。
2.控制周期的确定
加氯机控制周期的确定主要考虑两个因素：
①控制系统需要对滤后流量的变化及时作出反应。
②需要考虑设备的使用寿命，对加氯机的控制不能过于频繁。
为了应对随时变化的水量，抑制执行机构的频繁动作，对滤后流量就需要合理的滤波，通过取其一段时间内的平均值作为稳定的前馈量，可以保证执行机构不至于频繁动作，经考量，最终决定平均周期设为2分钟，根据PLC的扫描周期进行采样，累加后计算平均值，两分钟内的流量使用上个周期的平均流量。但是这样做同样会带来一个问题，当水量确实大幅度变化时，使用上个周期的平均值就会掩盖前馈量真实的变化，为此，我们在原有的设计思路上做出了改进：比较当前的水量与上个周期平均值的差值，当超过一定百分比后，认定当前流量为真实值，采样计时重新开始。
3.反冲洗的干扰
滤后流量的变化，一般为滤池调节阀的开度变化引起的，其中对进水量变化造成的最大影响为滤池的反冲洗。
滤池要经常进行反冲，反冲的主要原因因为滤池的滤料表面长时间过滤会附着大量藻类，造成水头损失过大。为消除这种影响，必须每隔一段时间或阻塞值到达一定程度时，对滤池进行反冲洗。
反冲洗对于加氯复合环而言，冲击非常巨大，在反冲洗开始和结束时，如果不知道反冲的发生和停止，直接靠滤后流量来进行加氯调节，由于滤后流量的采样延迟与水量变化的容积延迟，导致比例投加的不合拍使滤后余氯与设定值产生较大偏差，这样会对闭环回路的稳定性造成不利影响。所以，当反冲开始时，滤后流量应减去反冲流量；反冲结束时，滤后流量应加上反冲流量。
在有了反冲信号后，我们就要充分利用它来提高滤后流量估算的准确程度，经分析，反冲洗时水量的变化为阶跃响应，传递函数为一阶惯性环节模型：
因系统主要存在容积延迟，纯滞后时间较小，纯滞后因子可忽略不计，最终我们使用来近似该阶跃响应曲线，然后在反冲开始或结束时，减去或加上(Q为反冲流量)来抵消其影响。
对于此响应系统，我们使用阶跃响应法来确定其模型，如图1-4所示。
①使反冲流量产生一个适当的阶跃响应，即△u；
② 记录滤后流量产生的变化，直到稳定下来，最终变化△y；
③ 在滤后流量的曲线上，找到63%△y点；
④记录反冲流量的阶跃变化时刻到63%△y的时间，这个时间视为时间常数T；
⑤将滤后流量产生的变化△y转化成百分比；
⑥传递函数的过程增益；
⑦最终得到过程传递函数为；
三、模糊控制
1.模糊控制系统
模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是以模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。模糊控制规则的建立将人的运行控制经验转化为机器所能识别的控制算法，在对那些无法构造数学模型的被控对象的控制方面具有明显的优势。例如可以把出厂余氯控制描述为：
当出厂水余氯偏向上限时，减少氯气的投加比例；
当出厂水余氯偏向下限时，增加氯气的投加比例；
当出厂水余氯符合设定值时，保持氯气的投加比例；
用经典控制理论就无法实现这些经验算法，而必须给出明确的控制方程。将这些余氯投加经验汇总在一起，利用模糊集合作为工具使其定量化，设计出模糊控制器，用那些形式化的经验来控制设备，这就构成了模糊控制器。
2.模糊控制器
要实现语言控制的模糊控制器，就必须解决三个问题：
①第一個问题要确定精确地语言变量，选择的控制变量要具有系统特性，本系统选取输入量为余氯偏差值，与余氯偏差率，输出量为投加比例。
②第二个问题要建立合适的隶属函数，选取合适的语言变量后，接下来就是根据经验写出控制规则，并将输入和输出变量模糊化后，根据模糊控制规则，建立模糊变量表，隶属函数的层次约多，控制越精细。
③第三个问题是要根据模糊隶属函数，在不同的输入量范围时，得出一个精确值作为输出量，这一步称为模糊输出量的解模糊判决。模糊控制系统的结构一般如图1-5所示。
3．模糊逻辑控制系统的稳定性考虑
虽然在对复杂的或者难以用传统数学模型描述的系统，模糊逻辑控制常常能取得令人满意的效果，但由于模糊系统属于多级控制，每级控制期间反馈的余氯偏差值是随动的，当从一个隶属函数跳出至另一个隶属函数时，系统自然会重新调整，最终系统必定存在稳定误差，无法形成真正的稳定；对于模糊控制器的精度与跟踪性能的提高，就必须扩充模糊变量表来进行相应的处理，但同时带来的缺点是规则数与隶属函数会大大增加，以至更难制定正确的模糊控制规则。
五、最终控制模型
在不断地实验与探讨中，最终按如下控制方案实现余氯投加：在模糊控制理论的框架下，借鉴经典控制的优点，以滤后余氯与滤后流量作为反馈值，反馈至模糊模型中，检测余氯偏差的大小，制定合适的阀值点，当偏差大于阀值时，用比例控制，以减小系统调整时间，加快响应进程；当偏差小于阀值时，切换至模糊控制，以提高系统的阻尼特性，减小超调；当偏差近乎为零时，切换至PI控制，消除误差，改善稳态性能。这样就结合比例控制、PI控制与模糊控制的优点，模糊控制的论域仅是整个论域的一部分，即语言变量的语言值分档数增加，提高了灵敏度和控制精度。
结论，天津泰达自来水余氯投加使用的比例-模糊-PI控制器，不仅实现了本厂安全、自动供水的要求，也为我国的滤后余氯的复合环投加方式提供了一个全新的解决方案。
参考文献
【1】章卫国，杨向忠.模糊控制理论与应用.西北工业大学出版社.2004年7月.
【2】胡寿松.自动控制原理.北京科学出版社.2008年12月.
关键词： 余氯复合环 模糊控制 PID 系统辨识
中图分类号：TV文献标识码： A
一、引言
氯气投加是水厂给水工艺中必不可少的环节，其作用是要将水中的游离氯控制内合理的范围内，水中的余氯值是保证在管网内持续灭菌的关键，但残留氯太高则易产生致癌物质，影响人们的健康，这就要求水厂必须采用可靠的投加方式确保出厂水余氯的稳定，但是由于氯气投加过程易受外界的干扰，且在投加环节与余氯采样环节存在较大延迟，这种传输距离上的滞后为纯滞后，此环节无法通过传统PID控制，微分作用来克服，对于这样一个复杂的工艺过程，水厂普遍采用开环控制根据流量进行投加，但无法进行复合环投加，实现真正的自动化。
模糊控制能将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后利用这些规则来进行控制。因此，模糊控制对于那些复杂的不可测系统具有无与伦比的优势，基于这些特点，天津泰达自来水厂为实现安全供水与现代化水厂建设，投入大量人力，期间我们自控人员与工艺人员经过多次论证，最终决定采用比例-模糊-PI控制器针对不同余氯偏差量进行分级控制。
二、复合环控制模型
工程上的控制最常见的为反馈控制，如图1-1所示。系统将输出值与参数设定值的偏差作为控制器的输入，使系统根据控制规则不断缩小偏差、达到平衡状态。这种方法满足大多数过程控制的要求，但是在被控对象为大延迟、多干扰源的情况下系统很难稳定。因为反馈控制意味着存在可测量的偏差，传至控制器，产生控制作用，作用于执行机构，以实现闭环控制；实质上反馈调节相当于一种不断利用偏差调节的控制方法，这种方法对变化幅度较大且频繁的系统中难以起到完善的控制作用。
鉴于单纯闭环反馈的不足，一般工业上在对明显干扰源可测的情况下，使用另一种控制前馈-反馈控制，前馈控制是基于不变性原理的控制方法，其本质是对扰动进行补偿的开环控制。标准复合环投加方式，滤后流量为干扰源，水量的变化会引起系统的频繁调节，偏差增大，乃至失调。使用前馈控制在输入端加上相应的前馈量以克服水量干扰，并保证静态误差的消除，这样既发挥了前馈控制作用及时的特点，又保证了反馈控制能克服多扰动并可进行反馈校验的优点
三、传统控制模式的难点
1、存在纯滞后环节
一般工业过程一阶控制对象的数学模型近似表示为：
对纯滞后程度的辨识，通常采用纯滞后时间和过程惯性时间T之比来进行判断。当/T<0.5时，称系统具有一般滞后过程；当/T>0.5时,称系统具有大延迟过程。
当采用闭环控制时，一旦控制对象具有滞后性，对操纵量的控制变化无法及时反映到被控量上，操纵量的变化需要经过时间以后才能反映到被控量上；另一方面，当被控量受干扰影响时，控制器也无法对干扰波动及时产生抑制作用。特别是/T>0.5时，采用传统PID控制会引起大的超调和长时间的振荡，甚至使系统发散，难以达到良好的控制效果。图1-3为含有纯滞后的闭环系统。
显然：
它的特征方程都为：
可以看出，由于传递函数的特征方程都含有纯滞后因子，故使得系统的闭环极点有可能位于S的右半平面，从而使系统失调。
对于/T较小的过程，可以采用常规PI或PID控制，对于/T较大的过程，即使控制参数选定的较小，放大调节时间，也很难取得满意的控制效果。
2.控制周期的确定
加氯机控制周期的确定主要考虑两个因素：
①控制系统需要对滤后流量的变化及时作出反应。
②需要考虑设备的使用寿命，对加氯机的控制不能过于频繁。
为了应对随时变化的水量，抑制执行机构的频繁动作，对滤后流量就需要合理的滤波，通过取其一段时间内的平均值作为稳定的前馈量，可以保证执行机构不至于频繁动作，经考量，最终决定平均周期设为2分钟，根据PLC的扫描周期进行采样，累加后计算平均值，两分钟内的流量使用上个周期的平均流量。但是这样做同样会带来一个问题，当水量确实大幅度变化时，使用上个周期的平均值就会掩盖前馈量真实的变化，为此，我们在原有的设计思路上做出了改进：比较当前的水量与上个周期平均值的差值，当超过一定百分比后，认定当前流量为真实值，采样计时重新开始。
3.反冲洗的干扰
滤后流量的变化，一般为滤池调节阀的开度变化引起的，其中对进水量变化造成的最大影响为滤池的反冲洗。
滤池要经常进行反冲，反冲的主要原因因为滤池的滤料表面长时间过滤会附着大量藻类，造成水头损失过大。为消除这种影响，必须每隔一段时间或阻塞值到达一定程度时，对滤池进行反冲洗。
反冲洗对于加氯复合环而言，冲击非常巨大，在反冲洗开始和结束时，如果不知道反冲的发生和停止，直接靠滤后流量来进行加氯调节，由于滤后流量的采样延迟与水量变化的容积延迟，导致比例投加的不合拍使滤后余氯与设定值产生较大偏差，这样会对闭环回路的稳定性造成不利影响。所以，当反冲开始时，滤后流量应减去反冲流量；反冲结束时，滤后流量应加上反冲流量。
在有了反冲信号后，我们就要充分利用它来提高滤后流量估算的准确程度，经分析，反冲洗时水量的变化为阶跃响应，传递函数为一阶惯性环节模型：
因系统主要存在容积延迟，纯滞后时间较小，纯滞后因子可忽略不计，最终我们使用来近似该阶跃响应曲线，然后在反冲开始或结束时，减去或加上(Q为反冲流量)来抵消其影响。
对于此响应系统，我们使用阶跃响应法来确定其模型，如图1-4所示。
①使反冲流量产生一个适当的阶跃响应，即△u；
② 记录滤后流量产生的变化，直到稳定下来，最终变化△y；
③ 在滤后流量的曲线上，找到63%△y点；
④记录反冲流量的阶跃变化时刻到63%△y的时间，这个时间视为时间常数T；
⑤将滤后流量产生的变化△y转化成百分比；
⑥传递函数的过程增益；
⑦最终得到过程传递函数为；
三、模糊控制
1.模糊控制系统
模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是以模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。模糊控制规则的建立将人的运行控制经验转化为机器所能识别的控制算法，在对那些无法构造数学模型的被控对象的控制方面具有明显的优势。例如可以把出厂余氯控制描述为：
当出厂水余氯偏向上限时，减少氯气的投加比例；
当出厂水余氯偏向下限时，增加氯气的投加比例；
当出厂水余氯符合设定值时，保持氯气的投加比例；
用经典控制理论就无法实现这些经验算法，而必须给出明确的控制方程。将这些余氯投加经验汇总在一起，利用模糊集合作为工具使其定量化，设计出模糊控制器，用那些形式化的经验来控制设备，这就构成了模糊控制器。
2.模糊控制器
要实现语言控制的模糊控制器，就必须解决三个问题：
①第一個问题要确定精确地语言变量，选择的控制变量要具有系统特性，本系统选取输入量为余氯偏差值，与余氯偏差率，输出量为投加比例。
②第二个问题要建立合适的隶属函数，选取合适的语言变量后，接下来就是根据经验写出控制规则，并将输入和输出变量模糊化后，根据模糊控制规则，建立模糊变量表，隶属函数的层次约多，控制越精细。
③第三个问题是要根据模糊隶属函数，在不同的输入量范围时，得出一个精确值作为输出量，这一步称为模糊输出量的解模糊判决。模糊控制系统的结构一般如图1-5所示。
3．模糊逻辑控制系统的稳定性考虑
虽然在对复杂的或者难以用传统数学模型描述的系统，模糊逻辑控制常常能取得令人满意的效果，但由于模糊系统属于多级控制，每级控制期间反馈的余氯偏差值是随动的，当从一个隶属函数跳出至另一个隶属函数时，系统自然会重新调整，最终系统必定存在稳定误差，无法形成真正的稳定；对于模糊控制器的精度与跟踪性能的提高，就必须扩充模糊变量表来进行相应的处理，但同时带来的缺点是规则数与隶属函数会大大增加，以至更难制定正确的模糊控制规则。
五、最终控制模型
在不断地实验与探讨中，最终按如下控制方案实现余氯投加：在模糊控制理论的框架下，借鉴经典控制的优点，以滤后余氯与滤后流量作为反馈值，反馈至模糊模型中，检测余氯偏差的大小，制定合适的阀值点，当偏差大于阀值时，用比例控制，以减小系统调整时间，加快响应进程；当偏差小于阀值时，切换至模糊控制，以提高系统的阻尼特性，减小超调；当偏差近乎为零时，切换至PI控制，消除误差，改善稳态性能。这样就结合比例控制、PI控制与模糊控制的优点，模糊控制的论域仅是整个论域的一部分，即语言变量的语言值分档数增加，提高了灵敏度和控制精度。
结论，天津泰达自来水余氯投加使用的比例-模糊-PI控制器，不仅实现了本厂安全、自动供水的要求，也为我国的滤后余氯的复合环投加方式提供了一个全新的解决方案。
参考文献
【1】章卫国，杨向忠.模糊控制理论与应用.西北工业大学出版社.2004年7月.
【2】胡寿松.自动控制原理.北京科学出版社.2008年12月.