基于模糊PID的智能一體式電解除鹽模塊的研制

呂旭東 秦浩華

基金項目：國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：62003183）資助的課題。

作者簡介：呂旭東（1998-），碩士研究生，從事嵌入式軟硬件開發(fā)的研究。

通訊作者：秦浩華（1979-），副教授，從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計及嵌入式Linux（Android）的深度定制、工業(yè)信息化技術(shù)、智能儀器儀表設(shè)計、機器視覺的研究，qhh@qust.edu.cn。

引用本文：呂旭東，秦浩華.基于模糊PID的智能一體式電解除鹽模塊的研制［J］.化工自動化及儀表，2024，51（2）：

159-167.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202402003

摘 要 針對現(xiàn)有電解除鹽（Electrodeionization，EDI）模塊一體化程度低的情況，設(shè)計了一款集EDI模塊、傳感器、可控恒流源模塊和主控制器于一體的EDI模塊。同時為解決當(dāng)前EDI工作電流不能隨環(huán)境水質(zhì)實時調(diào)節(jié)的問題，設(shè)計了一種基于模糊PID的EDI模塊輸出電流控制方案，以及基于微控制器片內(nèi)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的可調(diào)恒流源電路為核心的主控制器硬件電路，對EDI模塊輸出電流進行智能調(diào)整。搭建實驗?zāi)Ｐ蛯χ悄芤惑w式EDI和普通EDI進行控制效果對比，實驗結(jié)果表明：所設(shè)計的EDI模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對產(chǎn)水水質(zhì)的精確快速控制。

關(guān)鍵詞 電解除鹽技術(shù) 嵌入式微控器 電阻率 模糊PID 恒流源

中圖分類號 TH832? ?文獻標(biāo)志碼 A? ?文章編號 1000-3932（2024）02-0159-09

現(xiàn)有的電解除鹽（Electrodeionization，EDI）模塊存在以下問題：

a. 一體化程度低。要求用戶自主設(shè)計模塊的電源部分，同時，模塊沒有集成傳感器用于檢測水質(zhì)、溫度等參數(shù)。

b. 智能化程度低?，F(xiàn)有的EDI模塊沒有引入微控制器對產(chǎn)水過程進行智能控制，工作在開環(huán)狀態(tài)。這導(dǎo)致在進水水質(zhì)較差的時候，產(chǎn)水水質(zhì)不達標(biāo)；而在進水水質(zhì)較好的時候，長期使用不合理的電流會加速陰陽離子交換樹脂老化，減少EDI的壽命［1］。

c. 功耗高。通常EDI模塊為了適應(yīng)大部分地區(qū)水質(zhì)，推薦的工作電流都普遍較高，工作電流若長期維持在較大程度，會帶來額外的功耗，增加企業(yè)的生產(chǎn)成本。

d. EDI再生操作繁瑣。長時間使用的EDI設(shè)備因為陰陽離子交換樹脂上的H+和OH-已經(jīng)與水中的雜質(zhì)離子交換消耗殆盡，因此需要專業(yè)人員手動將EDI工作電流調(diào)大一倍以加速水的電解，使電解產(chǎn)生的H+和OH-與失效樹脂上的離子進行交換，上述過程稱為EDI再生［2］。

為了兼顧EDI凈水的質(zhì)量與功耗，同時降低用戶使用難度，筆者設(shè)計了一款高集成度的智能一體式EDI模塊。該EDI模塊硬件基于嵌入式微控制器平臺開發(fā)，集電導(dǎo)電極、溫度傳感器、壓力傳感器、電源和主控制器于一體。軟件上采用模糊PID控制方法動態(tài)地將EDI工作電流調(diào)整到合適的大小，同時具有數(shù)據(jù)顯示、報警及一鍵EDI再生等功能。

1 研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代，EDI裝置在國外已廣泛普及，國內(nèi)也隨即開始重視EDI技術(shù)的研發(fā)。近年來我國有許多公司進入水質(zhì)分析領(lǐng)域并且擁有自主設(shè)計生產(chǎn)的EDI模塊?，F(xiàn)階段EDI模塊的主要研究方向在于填充材料和填充方式。當(dāng)前應(yīng)用領(lǐng)域的填充材料主要以陰陽離子交換樹脂為主。離子交換纖維和成型離子交換材料是新型填充材料，相比交換樹脂有更好的性能，但是仍停留在實驗室階段無法量產(chǎn)。填充方式主要采用混合填充方式，分層填充方式可以減少水解離產(chǎn)生的H+和OH-在傳遞過程中的結(jié)合，從而增加樹脂的再生速度，但是當(dāng)前的技術(shù)無法解決分層填充的膜堆在長時間使用后陰陽離子交換樹脂混合的問題。分層填充技術(shù)仍在繼續(xù)研究［3］。

由文獻［4］可知，進水條件恒定的前提下，在一定的電壓區(qū)間內(nèi)產(chǎn)水電阻率與EDI堆膜電壓成正相關(guān)，當(dāng)堆膜電壓大于一定數(shù)值時，產(chǎn)水電阻率增大不明顯。文獻［5］介紹了電導(dǎo)率測量基本原理以及雙脈沖法、頻率法等多種電導(dǎo)率測量方法。筆者基于雙脈沖法設(shè)計了雙極性方波驅(qū)動的電導(dǎo)率測量系統(tǒng)，采用此種方法有效降低了極化效應(yīng)的影響，提高了測量精確度。文獻［6］采用模糊控制方法針對非線性、大慣性、大滯后的空調(diào)房進行控制器設(shè)計，有良好的控制效果。筆者在模糊控制器模型設(shè)計基礎(chǔ)上進行改進，使每次的修正值都是基于上次修正后的PID參數(shù)進行調(diào)整的，這樣可以增大PID參數(shù)的整定范圍，提高系統(tǒng)的動態(tài)特性。

2 一體式EDI的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

EDI模塊的工作原理如下：

a. 水中的雜質(zhì)離子與陰陽離子交換樹脂上的離子發(fā)生交換。

b. 給EDI的堆膜施加電場，使被樹脂吸附的雜質(zhì)離子在電場力的作用下定向移動進入濃水室，從而實現(xiàn)水中雜質(zhì)離子的去除。

c. 電解產(chǎn)生的H+和OH-與失效樹脂上的離子進行交換，使樹脂重新具有吸附水中雜質(zhì)離子的能力。因此，EDI可以實現(xiàn)連續(xù)電解除鹽［7～9］。

筆者所設(shè)計的智能一體式EDI模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件組成

智能一體式EDI微控制器主控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中MCU選用STM32F103RCT6，外設(shè)電路主要由以下部分組成：

a. 按鍵檢測電路。采用單片機3路IO驅(qū)動，由外部上拉電阻和接地按鍵組成。

b. 顯示接口電路。顯示屏采用128×64像素SPI通信的LCD顯示屏，主板預(yù)留4路IO經(jīng)排線連接顯示屏。

c. RS485接口電路。采用SP485和8550搭建RS485全自動收發(fā)電路。

圖2 主控制器硬件結(jié)構(gòu)

d. 壓力采集電路。由150 Ω采樣電阻、RC濾波器和單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換通道（以下簡稱ADC）組成。

e. 溫度采集電路。設(shè)計由Pt1000熱敏電阻、

1 kΩ/0.1%高精度電阻、電壓跟隨器、濾波電路和ADC組成。

f. 閥門控制電路。采用24 V（DC）繼電器控制閥門開閉。

g. 可調(diào)恒流源電路?；贚M358和TIP122設(shè)計了采用單片機數(shù)模轉(zhuǎn)換器（以下簡稱DAC）控制的可調(diào)恒流源電路。

h. 雙極性方波驅(qū)動電導(dǎo)率測量電路。由PWM輸出引腳、反向放大電路、電流采樣電路、精密的全波整流電路、濾波電路和ADC組成。

筆者將著重介紹用于電流調(diào)整和電導(dǎo)率采集的可調(diào)恒流源電路、雙極性方波驅(qū)動電導(dǎo)率測量電路。

3.1.1 可調(diào)恒流源電路設(shè)計

可調(diào)恒流源電路如圖3所示。

DAC輸出參考電壓經(jīng)電壓跟隨器U1B隔離輸出至U1A正極性端，達林頓管BG1將U1A輸出端電流放大，即為EDI工作電流。采樣電阻R4將電壓反饋給U1A負(fù)極性端，由于采用的是負(fù)反饋，此時U1A可以看作放大倍數(shù)為1的反相放大器。因此，運算放大器將調(diào)整輸出電流使R4電壓與DAC輸出電壓一致。由此可得，當(dāng)DAC輸出保持不變時，流經(jīng)R4的電流不變，即EDI的工作電流保持不變。該電路可以通過軟件控制EDI工作電流，因此可以自動進行EDI再生，不需要人工操作。

3.1.2 雙極性方波驅(qū)動電導(dǎo)率測量系統(tǒng)設(shè)計

電導(dǎo)率測量過程的主要影響因素是雙層電容帶來的額外阻抗和濃差極化現(xiàn)象產(chǎn)生的反向電勢。筆者采用雙脈沖法測電導(dǎo)率消除該影響，雙脈沖法測電導(dǎo)率原理如圖4所示，其中R為電導(dǎo)池等效電阻，C是雙層電容，C是引線電容，C？垌

C。給電導(dǎo)池施加頻率一定、占空比為50％的雙極性方波，在第1個脈沖T期間，由于引線電容C遠小于雙層電容C，引線電容被快速充至滿電但雙層電容上的電壓很低，此時發(fā)出第2個脈沖T，引線電容快速反向充電被充滿，直到T結(jié)束，雙層電容上的電荷剛好被釋放完畢。在一個PWM周期上，C引線電容大部分時間都是被充滿的狀態(tài)，相當(dāng)于斷路。而雙層電容在一個周期上等效電壓為0 V，全程都在充放電，相當(dāng)于是短路。此時電導(dǎo)池等效物理模型相當(dāng)于只有電導(dǎo)池的等效電阻，即溶液電阻。因此如果在電導(dǎo)池上施加頻率合適的PWM方波，可以有效消除雙層電容的影響，同時變化的電極極性也不會使電極上匯集大量電荷，產(chǎn)生化學(xué)極化和濃差極化效應(yīng)。

圖4 雙脈沖法測電導(dǎo)率原理

電導(dǎo)率是衡量溶液導(dǎo)電程度的指標(biāo)，電阻率是電導(dǎo)率的倒數(shù)。通常采用電阻率來表征EDI的產(chǎn)水質(zhì)量［10］。電阻率k的推導(dǎo)過程如下。

電阻R的計算公式為：

R=ρ（1）

式中 A——導(dǎo)體橫截面積；

L——導(dǎo)體長度；

ρ——導(dǎo)體電導(dǎo)率。

令電導(dǎo)池常數(shù)K=L/A，則電阻率k的計算公式為：

k===（2）

由于K是常數(shù)，因此由兩電極間水的阻值即可推導(dǎo)出當(dāng)前溫度下水的電阻率［11～14］。

電導(dǎo)率測量電路如圖5所示，ADC產(chǎn)生的方波通過電容C27濾除方波中的直流分量。通過反向放大器U7A將信號放大后施加在兩極板之間，使用采樣電阻R30對流經(jīng)極板間水的電流進行采樣。由于采樣信號也是交流信號，進一步的將該信號通過由U7B和U7D組成的精密的全波整流電路并送入單片機的ADC采樣。通過程序計算可以得到水的電阻率。

電導(dǎo)率受溫度變化影響極大，水溫越高，離子的熱運動越劇烈，水的導(dǎo)電性能越強。因此電導(dǎo)率傳感器測量出的當(dāng)前溫度下的水的電阻率需要轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)溫度（25 ℃）下水的電阻率。電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系可以表示為：

K=α［K-K］+0.0548（3）

式中 K——25 ℃的純水電導(dǎo)率；

K——t ℃測得的純水電導(dǎo)率；

K——t ℃的理論純水電導(dǎo)率；

α——t ℃的換算系數(shù)。

水在常見溫度下的理論純水電導(dǎo)率和換算系數(shù)由GB/T 6682—2008《分析實驗室用水規(guī)格試驗方法》給出。為了提升溫度校準(zhǔn)的精度，筆者采用最小二乘法對0～50 ℃理論純水電導(dǎo)率和換算系數(shù)進行三次擬合。MATLAB代碼及運行結(jié)果如圖6～8所示。

圖6 換算系數(shù)和理論純水電導(dǎo)率最小二乘

三次擬合MATLAB代碼

圖7 換算系數(shù)最小二乘三次擬合

MATLAB運行結(jié)果

圖8 理論純水電導(dǎo)率最小二乘三次擬合MATLAB運行結(jié)果

由以上擬合結(jié)果所得換算系數(shù)的擬合曲線方程為：

y=-9.0043×10x+4.4070×10x-0.0429x+1.7975（4）

理論純水電導(dǎo)率擬合曲線方程為：

y=4.4905×10x+2.5651×10x+8.049×10x+0.0012（5）

3.2 軟件設(shè)計

智能EDI模塊上電首先進行系統(tǒng)初始化，包括IO初始化、μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)初始化和外設(shè)初始化，然后啟動操作系統(tǒng)。

操作系統(tǒng)啟動后，智能EDI模塊的主要工作由以下3個任務(wù)相互協(xié)作完成：

a. 設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)檢測和異常報警；

b. 數(shù)據(jù)傳送；

c. 產(chǎn)水電導(dǎo)率調(diào)整。

3.2.1 關(guān)鍵參數(shù)檢測和異常報警

關(guān)鍵參數(shù)檢測和異常報警任務(wù)流程如圖9所示。

主控制器周期性地采集各個狀態(tài)參數(shù)進行去極值平滑濾波，這樣可避免由于干擾導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)。程序的具體處理方式為，保存近7次測量值放入某個數(shù)組，若采集數(shù)據(jù)不足7次則補零，對這7個數(shù)據(jù)做冒泡排序，排序后去掉其中最大的兩個數(shù)據(jù)和最小的兩個數(shù)據(jù)，對剩余3個數(shù)據(jù)取平均值，認(rèn)為該平均值是此時測量數(shù)據(jù)的真實值。

與此同時，主控制器檢測原水進水水質(zhì)和進水壓力是否達到EDI模塊的進水要求，如果進水壓力不達標(biāo)，時間卻達到閾值，智能EDI會報警并等待進水壓力恢復(fù)正常后再進入工作狀態(tài)。如果進水水質(zhì)不達標(biāo)而時間達到閾值，主控制器會在屏幕發(fā)出報警提示，同時排放進水。如果EDI模塊電流已達工作電流上限且產(chǎn)水水質(zhì)長期不達標(biāo)，則會提醒用戶離子交換樹脂失效，需要進行EDI再生。

3.2.2 數(shù)據(jù)傳送

智能EDI模塊作為從機采用Modbus-RTU通信協(xié)議與用戶進行數(shù)據(jù)交換，支持03和06功能碼。Time_cnt作為計時變量統(tǒng)計單片機未接收到數(shù)據(jù)的時間（是以10 ms為單位的時鐘節(jié)拍），當(dāng)30 ms未接收到新數(shù)據(jù)則認(rèn)為一包數(shù)據(jù)接收成功。接收成功后先進行數(shù)據(jù)校驗和處理，接下來做出回復(fù)。數(shù)據(jù)傳送任務(wù)流程如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)傳送任務(wù)流程

3.2.3 產(chǎn)水電導(dǎo)率調(diào)整

產(chǎn)水電導(dǎo)率是通過EDI工作電流調(diào)整的，EDI工作電流由DAC輸出電壓決定。EDI產(chǎn)水電導(dǎo)率影響因素眾多，EDI的數(shù)學(xué)模型建立存在困難，因此采用PID控制器對產(chǎn)水電導(dǎo)率進行控制。為了優(yōu)化控制性能，筆者在工業(yè)常用的PID控制器基礎(chǔ)上引入模糊控制器。主控制器將采集得到的產(chǎn)水電導(dǎo)率等信息經(jīng)過程序計算處理后送入模糊控制器，由模糊控制器依據(jù)專家經(jīng)驗對PID參數(shù)進行調(diào)整，產(chǎn)水電導(dǎo)率模糊控制流程如圖11所示。

模糊PID控制器的控制過程包括模糊化、建立模糊規(guī)則表和解模糊化。筆者選擇雙輸入、三輸出的Mamdani型模糊控制器作為推理機，模糊控制器的設(shè)計過程如下。

a. 控制器輸入模糊化，即把電導(dǎo)率偏差e和偏差變化ec用n個點分割并將每個點與設(shè)定的描述語言一一對應(yīng)。筆者用PB（正大）、PM（正中）、PS（正?。O（零）、NS（負(fù)?。?、NM（負(fù)中）、NB（負(fù)大）描述e和ec變化。對于每個輸入的e和ec，它們總在兩個點之間，因此筆者采用三角隸屬度函數(shù)劃分它們屬于某個點的比例。

b. 建立模糊規(guī)則表。

c. 對模糊集進行解模糊化，P、I、D的增量值采用重心法計算，其計算式如下：

ΔK=（6）

式中 F——模糊量化值，可以先給一個大體的估計值；

M——隸屬度；

ΔK——初步得出的模糊增量值。

由于模糊量化值是估計值，因此引入系數(shù)來放大和縮小K、K和K的增量，具體實現(xiàn)公式如

下［15～17］：

K（n）=K（n-1）+Δk′·α（7）

式中 K（n）——本次K、K和K的參數(shù)值；

K（n-1）——上次K、K和K的參數(shù)值；

α——放大系數(shù)，設(shè)定增量對最終值的影響；

Δk′——解模糊化得到的K、K和K的增量。

4 實驗驗證

筆者采用市面常用的反滲透膜（以下簡稱RO膜）+EDI的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行實驗。RO膜是用于去除原水中的無機物、細(xì)菌及病毒等物質(zhì)的過濾裝置。實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12所示。

以市政自來水作為實驗系統(tǒng)原水進水，將普通EDI和智能EDI的初始工作電流均設(shè)置為

200 mA，同時，智能EDI的產(chǎn)水電阻率目標(biāo)值設(shè)置為市面上大多數(shù)純水機EDI產(chǎn)水電阻率的標(biāo)準(zhǔn)值15.2 MΩ·cm。普通EDI和智能一體式EDI同時開始制水并記錄產(chǎn)水電阻率，采樣間隔為1 min，實驗時間為2 h。普通EDI和智能一體式EDI的產(chǎn)水電阻率變化曲線如圖13所示。

因為市政用水的pH值、進水電導(dǎo)率相對穩(wěn)定，因此實驗影響EDI產(chǎn)水水質(zhì)的主要因素為管線壓力所導(dǎo)致的流量變化。由圖13可以看出，由于進水管線壓力不穩(wěn)定，2 h內(nèi)普通EDI的產(chǎn)水水

圖13 EDI模塊電阻率時間曲線

質(zhì)波動較大，且普通EDI產(chǎn)水電阻率平均值為18.52 MΩ·cm，遠高于目標(biāo)值。筆者設(shè)計采用的模糊控制方法的智能EDI產(chǎn)水電阻率平均值為

15.25 MΩ·cm，且具有良好的動態(tài)性能，首次運行能夠在1 min之內(nèi)將產(chǎn)水電阻率穩(wěn)定在目標(biāo)值附近，產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定后受進水流量導(dǎo)致的偏差較小，最大偏差約為目標(biāo)值的1.6%，能夠滿足實際應(yīng)用需求。

普通EDI的工作電流為恒定值200 mA，智能一體式EDI的工作電流可以通過采樣電阻、電壓計算得出。普通EDI和智能一體式EDI工作電壓則需要利用萬用表人工采集。在實驗過程中對EDI模塊的工作電流和電壓值進行5次采集并求平均值，結(jié)果見表1、2。

由表1、2可以得到，在設(shè)定智能EDI產(chǎn)水電阻率為15.2 MΩ·cm的條件下，智能EDI產(chǎn)水功耗降低20%，經(jīng)過多次重復(fù)實驗，智能一體式EDI與普通EDI相比功耗降低約在16%～20%之間。

5 結(jié)束語

與其他學(xué)者在高純水制備技術(shù)的研究方向（EDI填充材料）不同的是，筆者從控制的角度使EDI裝置始終運行在相對穩(wěn)定的狀態(tài)，從而增強EDI系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)前產(chǎn)品控制器整體方案已經(jīng)確定，整機測試也趨于穩(wěn)定，并且已經(jīng)小批次地投入使用。受不同地區(qū)水質(zhì)差異的影響，部分設(shè)備的表現(xiàn)與預(yù)期存在差異，后期還需要根據(jù)應(yīng)用情況進一步調(diào)整和優(yōu)化控制算法，增強產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

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（收稿日期：2023-03-05，修回日期：2023-12-11）

Development of Intelligent Integrated EDI Module Based on Fuzzy PID

LV Xu-dong，? QIN Hao-hua

（School of Automation and Electronic Engineering， Qingdao University of Science and Technology）

Abstract? ?Aiming at low-degree integration of the EDI （electrodeionization） module in service， an EDI module which integrates EDI module， sensor， controllable constant current source module and master controller together was developed and meanwhile， considering the fact that the EDI working current at present fails to be regulated in real time with the change of water quality， a fuzzy PID-based control scheme for EDI modules output current was designed， including adjustable constant current source circuit-cored master controllers hardware circuit based on the microcontroller on-chip digital-to-analog converter. In addition， the EDI modules output current was intelligently regulated and an experimental model was built to compare the control effects of intelligently-integrated EDI and common EDI. The experimental results show that， the designed EDI module can achieve accurate and fast control of the water quality.

Key words? ? EDI technology， embedded microcontroller， resistivity， fuzzy PID， constant current source