化工废水处理PH值模糊控制器的设计与仿真陶权

第33卷第5期2011-5(上)【117】化工废水处理PH值模糊控制器的设计与仿真AdesignandsimulationofPHvaluefuzzycontrollerfortreatmentofchemicalindustrywastewater陶权TAOQuan（广西工业职业技术学院，南宁530003）摘要：本文介绍了化工废水处理pH值模糊控制器的设计方法，pH值中和反应本身具有严重非线性，常规PID对pH值进行控制难以取得理想效果，故在常规PID的基础上，采用模糊推理思想，根据不同的E、EC对pH值的PID参数进行在线修正，同时利用MATLAB进行仿真，仿真结果表明采用模糊PID控制可以取得更好的控制性能。关键词：pH值；模糊PID；MATLAB仿真中图分类号：TP273　文献标识码：B　文章编号：1009-0134(2011)5(上)-0117-04Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).390引言PH值控制是工业控制中广泛存在的控制问题，从污水处理、集成电路蚀刻、冷却塔、锅炉供水、制药厂的生化反应等都需要对pH值进行控制，化工行业产生的废水在排放前须进行中和处理，使废水pH值达到工业废水排放标准后方可排放，在一些废水生化处理中也必须严格控制pH值，才能提高生化处理的效果。而pH值中和反应不仅存在严重的非线性，而且受化学成分、温度变化及工作点变化的影响．实际上构成一高维多变量的复杂反应过程。由于中和过程的严重非线性、时间延迟及非参数模型使得采用常规的控制技术如PID对pH值进行控制难以取得理想效果。这时采用带有自适应功能的模糊(Fuzzy)控制系统是有效适用的选择。1化工厂废水处理pH值过程的控制策略图1是化工厂经常使用的废液中和处理系统，该系统针对废液的酸碱程度及浓度变化通过检测pH值来控制NaOH、H2SO4的流量实现对废液中和。废液为含有酸性的废水，通过阀门1在酸釜1内与通过阀门2控制的碱液(石灰水)中和，进行初步控制，在酸釜2经过充分搅拌后，流入酸釜3时与通过阀门3控制的碱液中和，进行精密控制，使污水的pH值达到6.5～7.5，中和液流入生物中和罐，这样适合于中性环境的微生物将有害物质充分分解为无害物质，昀后将符合污水排放标准的废水排放出去。图1废液中和处理系统图2中和液与PH值曲线pH值控制系统的主要方式有三种：1）用一种碱（或酸）滴定另一种物质使pH值保持在某一数值上；2）对两种分别呈碱性和酸性物质的流量进行控制使pH保持在某一定值上；3）控制两种物质的混合液使pH保持在某一定值上。酸和碱中和过程是一个严重非线性与变动态收稿日期：2010-11-23作者简介：陶权（1963-），男，广西南宁人，副教授，本科，研究方向为工业自动化。【118】第33卷第5期2011-5(上)过程，pH值本身具有严重非线性，难以建立准确的数学模型，如图2所示，远离中和点附近，pH值变化缓慢，过程增益相对很小，即中和剂加入引起的pH值变化很小；而在中和点附近，具有很高的灵敏度，即少量的中和剂加入马上引起pH值极大变化。酸和碱中和过程的严重非线性给控制带来了很大的难度。传统的PID控制具有可靠性好，结构算法简单，精确度高，控制简单等特点，但必须建立精确的数学模型；模糊控制具有鲁棒性强，实时性好，但控制精度不高。结合废水处理的特点和模糊控制与PID控制的优点，将模糊控制与PID控制相结合用于废水处理中，可同时具备模糊控制的强鲁棒性和良好的动态性能与PID控制可靠性强、精度高等优点，本文根据工艺特点采用模糊控制的方法对pH值进行控制。2模糊控制器设计（控制算法简介）模糊控制是在PID控制算法的基础上，通过总结工程设计人员知识和实践经验，找出PID参数与误差e及误差变化率ec之间的模糊关系，建立合适的模糊规则，运行中不断地检测和运算误差e和误差变化率ec，再利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行在线PID参数自调整。图3是在线自整定参数的模糊PID控制结构图，图4是模糊控制器内部结构图。它是以误差e及误差变化率ec为输入变量，以Kp、Ki、Kd为输出变量的双输入三输出的控制器。对三个参数Kp、Ki、Kd进行在线修改，以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求，从而使控制对象具有良好的动、静态性能。图3模糊PID控制结构图ఇࢵࣅఇࢵླྀ૙ݒఇࢵffdlqljle图4模糊控制器内部结构图模糊控制器包括输入量模糊化、模糊推理（模糊决策和模糊控制规则）和反模糊3个部分。2.1输入模糊化E和Ec分别为e和ec模糊化后的模糊量，KP、KI、KD分别为Kp、Ki、Kd模糊化后的模糊量。e、ec论域等级为e=ec=[-3，-2，-1，0，1，2，3]，模糊化子集为E=Ec=［NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB］。Kp、Ki、Kd论域等级为Kp=Ki=Kd=[-3，-2，-1，0，1，2，3]，模糊化子集为KP=KI=KD=［NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB］。[NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB]表示[负大，负中，负小，零，正小，正中，正大]。考虑到计算的复杂性和系统灵敏度，各变量的隶属函数均采用三角形函数，根据经验分析结果，e、ec和Kp、Ki、Kd的隶属度如表1所示。表1e、ec、kp、ki、kd隶属赋值表2.2模糊决策和模糊控制规则模糊控制器设计的核心是建立合适的模糊控制规则表，采用理论分析加实验“试凑”得到模糊PID控制规则，总结归纳如下：1）在偏差较大时，为尽快消除偏差，提高响应速度，KP取大值，KI取零；在偏差较小时，为继续消除偏差，并防止超调过大，产生振荡，KP值要减小，KI取小值；在偏差很小时，为消除静差，克服大超调，使系统尽快稳定，KP值继续减小，KI值不变或稍取大一点。2）当E和EC同号时，被控量是朝着偏离给定值的方向变化，而当E和EC异号时，被控量朝着接近给定值的方向变化。因此，当被控量接近给定值时，反号的比例作用阻碍几分作用，避免积分超调及随之带来的振荡，有利于控制；而当被控量远未接近给定值并向给定值变化时，则由于这两项反向，将会减慢控制过程。在偏差E较大，偏差变化EC与偏差E异号时，KP值取零或负值，以加快控制的动态过程。3）偏差变化EC的大小表明偏差变化的速率，EC越大，KP取值越小，KI取值越大，反之亦然。4）微分作用类似于人的预见性，它阻止偏差的变化，有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的动作速度，减小调整时间，改善系统的动态性能。因此，在E较大时，KD取第33卷第5期2011-5(上)【119】零，实际为PI控制；在E较小时，KD取一正值，实行PID控制。根据以上的分析，可得各模糊规则如表2、表3和表4所示。表2Kp的模糊规则表3Ki的模糊规则eecKiNBNMNSNBNMNSZEPMPMPSPBPMPSZEZEPMPSNBNMNSZEPMPSNBNMZEPMPSNBNMNSZENBNMNSPBPMPSZEPBPSZENBNSNSZEPBPMNMZEZEPBPBPSNMNMZEPSPBPSNMNSZE表4Kd的模糊规则根据模糊规则表，应用Mamdani模糊推理方法计算PID参数的模糊查询表，确定得出PID参数调节器参数变化量∆Kp，∆Ki，∆Kd，并将变化量加到原来的参数上，得到三个控制参数的昀佳值，完成PID参数的在线自校正。Kp=Kp’+∆KpKi=Ki’+∆KiKd=Kd’+∆Kd式中：Kp’、Ki’、Kd’是常规PID参数，是模糊推理查询表中的PID参数。2.3输出反模糊化经过模糊推理后，整定的三个修正参数要进行去模糊化，以取得精确量计算输出控制量，再采用重心法（或加权平均法）求取输出量的精确值。再以各参数的比例因子即可直接作为常规PID控制参数的整定值，从而实现了模糊自整定PID参数的功能。3仿真与分析为了验证模糊控制器在PH值控制系统中的使用效果,同时为了在仿真过程中及时调整模糊控制器的控制规则和各项参数，利用MATLAB软件进行了仿真研究。在仿真过程中对于执行器和被控对象,近似等效为带滞后的二阶惯性环节。这里取被控对象为：G(S)=1/(S2+2S+1)。在MATLAB的命令窗口输入命令Fuzzy，进入图形用户界面(GUI)窗口。根据上述隶属度函数和控制规则，利用模糊推理系统(FIS)编辑器可以建立一个FIS文件，这里模糊推理及其非模糊化方法采用MIN-MAX-重心法，即有名的Mamdani推理法，在SIMULINK环境中，用鼠标将相应模块拖入窗口中，连接好便得到图5所示的模糊控制系统仿真模型，图6是参数可控的PID模块。图5模糊控制系统仿真模型图6参数可控的PID模块图7响应特性曲线采用阶跃输入作为激励和昀终输出的目标值，通过PID常规控制器和模糊PID控制器对相同【120】第33卷第5期2011-5(上)输入的响应特性曲线来进行二者之间的比较。通过运行在Matlab中建立的模型，可以得到如图7的响应特性曲线。相对于常规PID控制来说，模糊PID控制有着响应时间短、更快的反应速度，并且超调小。这表明对于PH值控制系统，采用模糊PID控制可以取得更好的性能，基本实现对控制系统的快速、准确控制。参考文献：[1]曾光奇.模糊控制理论与工程应用[M].华中科技大学出版社.[2]李敬兆,张崇巍.基于PLC直接查表方式实现的模糊控制器研究[J].电工电子技术,2001,9.[3]郭阳宽,王正林.过程控制工程及仿真[M].电子工业出版社.[4]吕杰.模糊自适应PID控制在PH值中和过程中的应用[J].微计算机信息,2009,2.粗糙度、刀具材料、毛坯材料等等。本文根据这几个参数确定主轴转速和切削速度结合ap，f值以及合理的刀具耐用度计算出切削速度，后面的数控程序里面可以看出各步的主轴转速和切削速度，这里不一一计算。5曲轴箱孔加工的数控程序编制在应用数控机床加工复杂结构的曲轴箱零件时，除了设计科学的加工工艺路线和确定合理的切削参数以外，对数控程序也有要求。编制可靠、高效、通用性强的数控加工程序也是保证加工箱体类零件质量的重要一环。在确定该曲轴箱加工工艺路线后，由于数控机床要实现复杂的动作，编程时往往会采用循环指令，但是循环指令对细微的加工动作无法做到精确，因此本文选择通过简单指令的有效组合来进行编程。同时，本文在进行数控编程时，对所加工零件进行了简要数学分析，尽量使用简单的数学公式去表达各加工参数。编程对各个参数的设定可以不加修改主要程序，而只需要对参数进行简单修改，就能很好地控制零件的加工精度，而且能够避免了人为输入程序错误，提高了编程效率的同时保障了编程的质量。下面摘取部分曲轴箱孔类加工的数控程序如图2所示。6结束语本文是基于先进制造技术的对结构复杂的箱体类零件的工艺研究用，在确定加工工艺路线和选择合适的切削参数的基础上，利用数控技术对复杂工艺零件设计开发，对孔类加工进行了数控程序编制。通过实践证明，利用先进制造技术提高产品加工效率和综合性能的同时能为加工企业取得了更好的经济效益。为了进一步对曲轴箱等复杂结构的箱体类零件的加工创新，可以基于CIMS环境下，把箱体零件扫描测量、零件设计、数控编程及加工等环节集成一个系统，便于使类似箱体零件能精确快速设计与加工出来。参考文献：[1]陈宏钧.实用机械加工工艺手册(第2版)[M].北京:机械工业出版社,2004.[2]王斌武,刘晓刚,叶东.基于SINUMERIK802DR参数编程加工空间复杂曲面[J].煤矿机械,2000,27(11):96-98.[3]Hull.PartickV.OptimalsynthesisofcompliantmechanismsusingsubdivisionandcommercialFEA[J].AmericanSocietyofMechanicalEngineers.March,2006:64-65[4]张莉.复杂组合曲面零件加工编程的刀位计算方法[J].航空制造工程,1997,(12):11-13.【上接第48页】