前饋-串級(jí)模糊PID控制廢液焚燒脫硫系統(tǒng)優(yōu)化研究

申曄龍 李明輝 趙志軍 崔晨浩

摘? 要：針對(duì)無機(jī)鹽廢液濃度不同，在焚燒后產(chǎn)生的煙氣含量波動(dòng)范圍大的問題，本文提出通過前饋控制來減少擾動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，利用模糊算法提出模糊PID控制和串級(jí)控制來消除煙氣脫硫單回路控制調(diào)節(jié)延遲問題，基于浙大中控JX-300XP軟件設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，對(duì)堿液進(jìn)行調(diào)節(jié)，使煙氣中的SO2控制在10 mg/m3，可以滿足最新的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)，提高了脫硫效率。

關(guān)鍵詞：串級(jí)控制;模糊PID;前饋控制

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）01-0027-04

Abstract：There have different about the concentration of inorganic salt waste liquid，and the fluctuation range of flue gas content after incineration is large. Feedforward control is proposed to reduce the influence of disturbance on the control system. Fuzzy algorithm is proposed to eliminate fuzzy PID control and cascade control to eliminate flue gas desulfurization. The single-loop control adjusts the delay problem. Based on the Zhejiang SUPCON JX-300XP software to adjust lye makes the SO2 in the flue gas control at 10 mg/m3，which can meet the latest flue gas emission standards and improve the desulfurization efficiency.

Keywords：cascade control;fuzzy PID;feedforward control

0? 引? 言

化工企業(yè)在生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生多余的含鹽廢液，針對(duì)該類無機(jī)鹽廢液處理困難的問題，多采用廢液焚燒脫硫脫硝綜合處理。脫硫是煙氣與堿液在脫硫塔中發(fā)生中和反應(yīng)，其中脫硫液pH值控制是提高脫硫效率的關(guān)鍵。常規(guī)PID控制器具有高可靠性和無靜差等特點(diǎn)，但其參數(shù)難以整定[1]。在實(shí)際運(yùn)行中，由于無機(jī)鹽廢液濃度不同，在焚燒后產(chǎn)生的煙氣濃度波動(dòng)范圍較大，從而會(huì)導(dǎo)致脫硫過程中出現(xiàn)不確定擾動(dòng)量大等問題。由于脫硫塔體積較大，脫硫過程中具有一定慣性，容易造成超調(diào)[2]。對(duì)于以上問題，提出前饋-串級(jí)模糊控制策略，建立煙氣脫硫pH值控制系統(tǒng)[3]。將入口煙氣量、入口煙氣濃度等擾動(dòng)因素檢測(cè)，通過前饋控制器計(jì)算出吸收劑堿液流量來減少擾動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)的影響。

傳統(tǒng)PID控制器因其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)成為工業(yè)控制主要技術(shù)，當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)具有一定的不確定性，無法對(duì)其建立精確的模型時(shí)，采用PID控制技術(shù)尤為方便[3]。對(duì)于脫硫液pH值控制系統(tǒng)而言，其為非線性時(shí)變系統(tǒng)，不同時(shí)刻需要選用不同的PID參數(shù)，采用傳統(tǒng)的PID控制器，很難使整個(gè)運(yùn)行過程具有很好的運(yùn)行效果，為此，在傳統(tǒng)控制器中加入模糊算法，以克服傳統(tǒng)PID參數(shù)無法實(shí)時(shí)調(diào)整的缺點(diǎn)。

1? 控制流程及測(cè)試

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由控制系統(tǒng)自動(dòng)控制各個(gè)閥門，控制脫硫系統(tǒng)氫氧化鈉堿液供給量，當(dāng)煙氣含量發(fā)生變化時(shí)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過煙氣分析儀檢測(cè)進(jìn)入脫硫塔的SO2含量以及用pH計(jì)檢測(cè)脫硫塔管道脫硫液的pH值來控制吸收劑堿液的流量。

系統(tǒng)中的煙氣來自無機(jī)鹽廢液經(jīng)焚燒爐焚燒，經(jīng)靜電除塵器進(jìn)入煙氣脫白裝置后流入脫硫塔。經(jīng)過測(cè)試得到脫白裝置的煙氣溫度為120～150 ℃，流量為15000 m3/h，SO2含量約為60000 mg/Nm3，煙氣從脫硫塔底部進(jìn)入，與脫硫塔下循環(huán)的亞硫酸鈉溶液逆流接觸，對(duì)煙氣初步脫硫、降溫、除塵后進(jìn)入脫硫塔中循環(huán)與來自中循環(huán)槽15%的堿液逆流接觸，經(jīng)吸收填料脫除煙氣中的SO2后進(jìn)入脫硫上循環(huán)部分，在上循環(huán)部分與微堿性工藝?yán)鋮s水接觸，煙氣溫度降為55～65℃后經(jīng)除霧器去除煙氣中的水分，返回到脫白系統(tǒng)。

1.1? 控制流程

脫硫循環(huán)槽底部安裝有單法蘭液位計(jì)，當(dāng)液位低于設(shè)定值20%時(shí)新鮮水進(jìn)水調(diào)節(jié)閥打開;當(dāng)循環(huán)槽液位達(dá)到40%時(shí)開啟堿液進(jìn)口閥，中、下循環(huán)槽中堿液濃度達(dá)到15%時(shí)停止向循環(huán)槽內(nèi)加堿液，上循環(huán)槽堿液pH值達(dá)到10.0～ 12.0時(shí)停止向上循環(huán)槽加堿液;當(dāng)脫硫循環(huán)槽液位高于設(shè)定值85%時(shí)堿液外送調(diào)節(jié)閥打開。

在煙氣洗滌過程中，為保證循環(huán)脫硫塔中吸收SO2后的中循環(huán)pH值能夠達(dá)到8.0～9.0的要求，開啟中循環(huán)泵和閥門給下循環(huán)槽供給堿液。中循環(huán)槽系統(tǒng)的補(bǔ)水由上循環(huán)槽經(jīng)上循環(huán)管路和閥門獲得，此時(shí)開啟中循環(huán)補(bǔ)水泵及加堿系統(tǒng)保證中循環(huán)槽液位穩(wěn)定使脫硫塔出口pH值穩(wěn)定在8.0～9.0。當(dāng)下循環(huán)系統(tǒng)中脫硫塔出口堿液pH值達(dá)到5.0～6.0時(shí)開啟脫硫排液泵，當(dāng)下循環(huán)槽液位穩(wěn)定，pH值達(dá)到5.0～6.0時(shí)系統(tǒng)保持穩(wěn)定。當(dāng)中循環(huán)和下循環(huán)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，整個(gè)脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定循環(huán)運(yùn)行，可以通過調(diào)整中、下循環(huán)泵循環(huán)量以及上循環(huán)槽循環(huán)量和循環(huán)液pH值以保證脫硫塔出口SO2的含量達(dá)標(biāo)。

1.2? 控制系統(tǒng)測(cè)試

在整個(gè)脫硫控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)中需要控制和檢測(cè)的變量有煙氣濃度、pH值、循環(huán)槽液位、堿液流量、循環(huán)泵的起停及控制閥的開關(guān)。浙江中控JX-300XP控制系統(tǒng)增加先進(jìn)的DCS控制和設(shè)備管理功能，能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的智能變送器的參數(shù)設(shè)置等項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管理，達(dá)到了設(shè)備管理和過程控制的完美結(jié)合。JX-300XP控制站的電源、主控制卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡、模擬量卡和部分開關(guān)量卡均可按不冗余或冗余的要求配置。系統(tǒng)的電源、通信總線、主控制卡、通信接口卡、I/O卡件均支持1：1熱冗余。一旦工作模塊發(fā)生故障，能自動(dòng)無擾切換到備用模塊工作。本系統(tǒng)選用中控作為控制下位機(jī)，工程師站需安裝AdvanTrol-Pro組態(tài)及監(jiān)控軟件用于工程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)擴(kuò)展或維護(hù)修改，操作員站用于完成過程監(jiān)控任務(wù)。SUP2218機(jī)架式交換機(jī)用于工程師站和操作員站與主控卡的通訊。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡是控制站I/O單元（機(jī)籠）的核心，是主控制卡連接I/O卡件的中間環(huán)節(jié)。它一方面通過SBUS-S2總線和主控制卡通訊，另一方面通過SBUS-S1總線管理本機(jī)籠的I/O卡件。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡可以冗余配置，在冗余配置狀態(tài)下，任意時(shí)刻只有工作卡進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，備用卡通過監(jiān)聽保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的同步。系統(tǒng)部分配置如表1所示。

在生產(chǎn)開機(jī)模擬中，與駐場(chǎng)運(yùn)營人員配合，將儀表和控制系統(tǒng)投入運(yùn)行，按照操作工藝規(guī)程所規(guī)定的程序測(cè)試。要依靠儀表指示數(shù)據(jù)進(jìn)行工作或調(diào)整，如發(fā)現(xiàn)儀表失常，產(chǎn)生不規(guī)律數(shù)據(jù)，并經(jīng)過實(shí)際觀察確屬儀表事故時(shí)，應(yīng)立即通知儀表工及時(shí)修復(fù)，以防失控而發(fā)生事故。電動(dòng)或氣動(dòng)操作機(jī)構(gòu)失靈時(shí)，立即改用手動(dòng)，并加強(qiáng)操作與聯(lián)系。打開上循環(huán)槽、中循環(huán)槽、下循環(huán)槽中的項(xiàng)部人孔蓋，開啟上循環(huán)槽、中循環(huán)槽、下循環(huán)槽的工藝水進(jìn)口閥，向各循環(huán)槽中加水，注意各循環(huán)槽液位。當(dāng)循環(huán)槽液位達(dá)到60%液位時(shí)關(guān)閉各循環(huán)槽注水閥，使中循環(huán)槽堿液pH值為8.0～9.0。上循環(huán)槽液位20%～80%，中循環(huán)槽液位20%～85%，下循環(huán)槽液位20%～85%，其中主要工藝控制指標(biāo)如表2所示。

模擬設(shè)置如下：常規(guī)控制目標(biāo)是確保SO2去除效率不低于下限，經(jīng)濟(jì)目標(biāo)是使運(yùn)行電力消耗成本最小化。鍋爐負(fù)荷在700 MW至1000 MW之間波動(dòng)，排放指數(shù)的下限為98%，采樣時(shí)間設(shè)置為1 s，測(cè)量pH和干擾量SO2波動(dòng)。預(yù)測(cè)范圍和控制范圍均設(shè)置為200 s。經(jīng)過控制測(cè)試得到SO2和堿液的pH變化圖1。

從圖1中SO2波動(dòng)在串級(jí)控制下的動(dòng)態(tài)曲線，可以看出SO2均低于設(shè)定上限10。模糊PID控制方案在鍋爐負(fù)荷變化較大的情況下排放性能指標(biāo)。結(jié)果表明，pH在6.5～7.0之間波動(dòng)，通過將最佳pH值和設(shè)定值引入設(shè)計(jì)中，較低的pH值可以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。通過將pH值設(shè)置在6.8左右，不僅可以很好地跟蹤SO2去除效率的設(shè)定點(diǎn)，而且可以滿足經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，但設(shè)定點(diǎn)有一個(gè)下限，以確?；镜目刂颇繕?biāo)，去除SO2的效率是因?yàn)殡S著pH值的降低，SO2的吸收能力會(huì)減弱。

2? 前饋-串級(jí)模糊PID控制

前饋控制能在擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)及時(shí)進(jìn)行控制，而不是等偏差發(fā)生后再進(jìn)行控制，能更有效地消除擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。相對(duì)于反饋控制來說，前饋控制是及時(shí)的，因此，對(duì)于時(shí)延大、擾動(dòng)大而頻繁的過程有著顯著的效果[4，5]。模糊PID控制，即利用模糊邏輯并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對(duì)PID的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的優(yōu)化，以克服傳統(tǒng)PID無法實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)的缺點(diǎn)。該算法尋優(yōu)速度快、算法簡單，本文在脫硫液pH值控制中，采用模糊控制對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，并加入前饋控制來調(diào)節(jié)pH值。

通過調(diào)節(jié)堿液流量來控制pH值，其控制器是PID控制，根據(jù)系統(tǒng)驗(yàn)證pH值控制的傳遞函數(shù)表示為圖2。

傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)描述是對(duì)整個(gè)脫硫控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性描述，經(jīng)過調(diào)節(jié)器偏差調(diào)節(jié)按照公式的規(guī)律調(diào)節(jié)控制變量，從而得到預(yù)期的輸出信號(hào)。在該控制系統(tǒng)中前饋具有擾動(dòng)、非線性和滯后性，對(duì)前饋控制選用模糊控制方法。輸入變量有偏差e和偏差變化率ec，以控制量的變化值為輸出，當(dāng)干擾較大時(shí)，前饋調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)參數(shù)在變量出現(xiàn)偏差之前進(jìn)行調(diào)整。模糊邏輯控制對(duì)非線性系統(tǒng)的控制有很強(qiáng)的適應(yīng)性，其基本方法是從輸入-輸出數(shù)據(jù)中找出模糊規(guī)則，最終模糊系統(tǒng)將從模糊規(guī)則中產(chǎn)生。

進(jìn)入脫硫塔SO2含量和流量都是變化的，因此將前饋分為SO2含量前饋和堿液流量前饋，模糊控制包括模糊化、確定模糊規(guī)則、解模糊等組成部分。脫硫塔管道中的脫硫循環(huán)液pH值由pH分析儀采集，確定當(dāng)前距設(shè)定值中線的偏差e以及當(dāng)前偏差和上次偏差的變化ec，根據(jù)給定的模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后對(duì)模糊參數(shù)進(jìn)行解模糊，輸出控制參數(shù)。

根據(jù)吸收塔pH值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用二維模糊控制[6]。pH值輸入變量偏差e和偏差變化率ec，其對(duì)應(yīng)的模糊語言分別為E、EC，以ΔKp、ΔKi和ΔKd作為3個(gè)輸出變量。根據(jù)pH值控制精度要求，將輸入量e、ec輸出量ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊子集設(shè)為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，記為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。ΔKp、ΔKi、ΔKd、e和ec都選三角隸屬函數(shù)。模糊控制器設(shè)計(jì)的核心是模糊規(guī)則，它是根據(jù)前人的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)整理總結(jié)得出的。本設(shè)計(jì)的模糊規(guī)范表示為：采用“if E and EC，then U”類型的控制規(guī)則。當(dāng)輸入量e和ec通過模糊化接口后轉(zhuǎn)化為模糊量，然后根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，得到對(duì)應(yīng)的整定值ΔKp、ΔKi、ΔKd，將其乘以比例因子再加上之前的PID參數(shù)值，通過疊加計(jì)算得出新的PID參數(shù)，則被控對(duì)象放大系數(shù)修正公式為：

選擇額定工作條件作為滿負(fù)荷條件下三個(gè)小時(shí)內(nèi)受控變量和受控變量的平均值，然后基于階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)，從線性確定額定模型。

3? 模擬分析

本文在Matlab/Simulink軟件中搭建了該控制系統(tǒng)的仿真程序，并與常規(guī)PID控制的仿真驗(yàn)證該控制系統(tǒng)的控制效果。

常規(guī)PID控制由P——比例、I——積分和D——微分三部分組成，kp、ki、kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，在漿液pH值傳遞函數(shù)式（2）中PID初始值分別取為kp=2.047、ki=1.985、kd=2.630，漿液pH值初始設(shè)定為6.8。

在PID控制中加入前饋控制，其中包括SO2的含量模塊和入口堿液流量模塊，在脫硫循環(huán)槽中堿液的pH值按一定比例調(diào)制完成，當(dāng)煙氣含量增加時(shí)需增大堿液流量以消除煙氣中的SO2含量。

模型的準(zhǔn)確性是可以接受的，該模型準(zhǔn)確反映控制系統(tǒng)測(cè)量元件的動(dòng)態(tài)特性近似趨勢(shì)。在某些情況下動(dòng)態(tài)偏差的原因可能導(dǎo)致以下事實(shí)：在計(jì)算吸收速率和化學(xué)反應(yīng)速率時(shí)未考慮溫度。本模擬設(shè)定運(yùn)行時(shí)間為2500 s，得到動(dòng)態(tài)對(duì)于常規(guī)控制和前饋模糊PID控制使用仿真結(jié)果如圖3和圖4所示，其中，PV1為主環(huán)測(cè)量值，SV1為主環(huán)設(shè)定值，PV2為副環(huán)測(cè)量值，SV2副環(huán)設(shè)定值，MV為手動(dòng)值。

由圖3可見，常規(guī)控制PID控制在700 s左右開始收斂，各項(xiàng)參數(shù)才趨于穩(wěn)定，整個(gè)過程慣性大、上升時(shí)間長、快速性差、靈敏度差、超調(diào)量較小、阻尼較大。

由圖4可見，前饋-串級(jí)模糊PID控制在50 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，時(shí)間短暫、衰減時(shí)間短、動(dòng)作反應(yīng)快、控制及時(shí)、消除余差、震蕩迅速減弱。上升時(shí)間短，調(diào)節(jié)時(shí)間短，輸入變量有偏差e和偏差變化率ec，由于控制量的變化快，控制有很強(qiáng)的適應(yīng)性，對(duì)整個(gè)脫硫控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性更為合理，經(jīng)過調(diào)節(jié)器偏差調(diào)節(jié)的規(guī)律控制調(diào)節(jié)變得更加容易，從而得到更加準(zhǔn)確的輸出信號(hào)。從運(yùn)行條件來看，通過數(shù)學(xué)模型的仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的比較可以看出，數(shù)學(xué)模型可以很好地模擬系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，表明模型具有高動(dòng)態(tài)精度。常規(guī)控制設(shè)計(jì)的主要重點(diǎn)是模型是否可以很好地模仿動(dòng)力學(xué)。本文基于可以基本描述煙氣脫硫系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的非線性模型，確定了幾個(gè)在不同標(biāo)稱工作點(diǎn)上的線性狀態(tài)空間模型，從而提出了模糊切換定律來實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)的控制模型。

由圖5誤差線可知，前饋-串級(jí)模糊PID控制誤差很快趨于定值，更接近于線性控制，這樣便于脫硫塔作為脫硫系統(tǒng)的反應(yīng)容器的控制，漿液和煙氣的SO2和pH值也會(huì)得到準(zhǔn)確的控制。由此可見，傳統(tǒng)方案中由于難以確定的前饋信號(hào)（例如煙氣中SO2量信號(hào)）會(huì)引起控制偏差和失配，而通過前饋-串級(jí)模糊PID方案中的預(yù)測(cè)模型可將SO2去除效率和pH值的穩(wěn)態(tài)誤差減弱為零。

4? 結(jié)? 論

本文實(shí)現(xiàn)了煙氣脫硫系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化控制。通過合理簡化，提出了非線性數(shù)學(xué)模型，并通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。在導(dǎo)出模型的基礎(chǔ)上，采用多模態(tài)策略獲得了前饋-串級(jí)模糊PID控制的預(yù)測(cè)模型。為了提高經(jīng)濟(jì)效益，提出了前饋-串級(jí)模糊PID控制策略優(yōu)化方法。根據(jù)測(cè)試和模擬控制策略的性能來看，可以理論確定前饋-串級(jí)模糊PID控制的優(yōu)勢(shì)，前饋-串級(jí)模糊PID控制方案可以滿足煙氣脫硫系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化要求，例如設(shè)定點(diǎn)跟蹤和節(jié)能;脫硫塔是脫硫系統(tǒng)的反應(yīng)容器，漿液pH值控制是煙氣SO2控制的核心，在原有PID控制的基礎(chǔ)上加入前饋控制以及模糊控制，將理論應(yīng)用于實(shí)際，可以將SO2含量控制在10 mg/m3，可應(yīng)用于環(huán)保項(xiàng)目實(shí)施。未來的工作將集中在將鍋爐側(cè)的關(guān)鍵參數(shù)引入前饋-串級(jí)模糊PID控制中，以進(jìn)一步提高控制性能。

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作者簡介：申曄龍（1992.08-），男，漢族，河南安陽人，碩士在讀，研究方向：機(jī)械電子工程;通訊作者：趙志軍（1993.03-），男，漢族，陜西咸陽人，碩士在讀，研究方向：綠色能源應(yīng)用。