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（山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）  楊偉杰，陳長(zhǎng)亮，馬思樂

楊偉杰（1980－）
女，山東濰坊人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制與智能系統(tǒng)。

1  引言

    在氰化工藝最后的浮選階段也是實(shí)現(xiàn)銅、鉛等其他元素的提取的階段，這個(gè)階段始終需要加入濃硫酸進(jìn)行反應(yīng)，而且此過程中pH值對(duì)反應(yīng)的程度有著重要的影響，由于pH值的波動(dòng)，容易造成生產(chǎn)過程波動(dòng)、質(zhì)量不穩(wěn)定、產(chǎn)量降低、原材料浪費(fèi)、裝置腐蝕、操作困難和環(huán)境污染等狀況。在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制之前，一直是由現(xiàn)場(chǎng)工人實(shí)時(shí)檢測(cè)，然后手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門來控制加酸的，這樣不僅浪費(fèi)人力，而且準(zhǔn)確度達(dá)不到要求。

2  控制過程設(shè)計(jì)

    2.1  工藝分析

    經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察分析發(fā)現(xiàn)： 

    (1)  該控制對(duì)象為pH值控制。如圖1所示，pH值控制實(shí)質(zhì)是三段非線形控制，酸性區(qū)和堿性區(qū)各有一個(gè)非敏感段，調(diào)節(jié)特性十分遲鈍；而中性區(qū)是敏感段，調(diào)節(jié)特性十分靈敏。同時(shí)，隨著過程處理量的改變，以不同的輸出達(dá)到的穩(wěn)態(tài)又表現(xiàn)為不同的時(shí)間常數(shù)和控制增量，是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)。因此成為傳統(tǒng)控制中的難題。

圖1  pH值控制圖

    (2)  該控制對(duì)象存在明顯的滯后。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，綜合池加酸后，15～18秒后，過程出現(xiàn)反映，有明顯的滯后特征。有大滯后存在的控制系統(tǒng)中一般通過減小比例作用和積分作用來實(shí)現(xiàn)。但由于PID調(diào)節(jié)器的先天不足，當(dāng)t/T比大于2時(shí)，PID調(diào)節(jié)器就無能為力了。

    2.2  提出控制方案

     由pH+大滯后的特性疊加在該系統(tǒng)上，使控制算法相互矛盾，使問題的解決更加困難，簡(jiǎn)單的采用傳統(tǒng)的控制手段是無法解決問題。為保證調(diào)節(jié)效果，方案使用了無模型自適應(yīng)（MFA）控制技術(shù)。 

    2.3  MFA控制器工作原理

    MFA與其它負(fù)反饋控制器（自適應(yīng)或非自適應(yīng)）一樣，是根據(jù)設(shè)定值和過程變量之間的偏差決定如何最好地控制過程。但與傳統(tǒng)的過程控制器不同的是，MFA通過前N個(gè)采樣值來分析偏差的整個(gè)趨勢(shì)。這就使控制器可以觀察到過程的動(dòng)態(tài)特性。 

    然而，MFA并不試圖通過這種觀察來創(chuàng)建過程的固定模型，而是利用如圖2所示的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)偏差的歷史數(shù)據(jù)直接計(jì)算出下一步控制作用。

圖2  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

    MFA控制算法的核心包括如下的差分表達(dá)式：

    (1)
   (2)

    (3)
   (4)

    其中n表示第n項(xiàng)迭代，O(t)是O(n)的連續(xù)函數(shù)，V(t)是MFA控制器的輸出，Kc是MFA控制器的增益，對(duì)調(diào)節(jié)控制性能非常有用。其中加權(quán)因子可以在每個(gè)采樣間隔通過一下公式在線更新：

    (5)
    (6)

    這個(gè)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在過程控制應(yīng)用中的關(guān)鍵部分：首先是存儲(chǔ)測(cè)量到的偏差之歷史數(shù)據(jù)，這可以通過網(wǎng)絡(luò)輸入端的延時(shí)模塊實(shí)現(xiàn)。最新的測(cè)量偏差進(jìn)入模塊頂端，先前的每一個(gè)測(cè)量偏差被依次向下推入歷史文件。接著，網(wǎng)絡(luò)將每一個(gè)歷史測(cè)量偏差乘以加權(quán)因子，經(jīng)過迭加和濾波產(chǎn)生輸出o(t)。最后，將o(t)與當(dāng)前的測(cè)量偏差e(t)相加，再乘以用戶設(shè)定的增益Kc得到實(shí)際的控制作用v(t)。

    MFA技術(shù)的關(guān)鍵可以歸納為：(1)所有過程的信息都已包含在輸入輸出的信號(hào)中，只是以往采用傳統(tǒng)的控制方法缺乏有效提取這些信息并加以利用的手段；(2)通過無事先訓(xùn)練的快速?gòu)?qiáng)制學(xué)習(xí)等方式，使MFA控制器能夠準(zhǔn)確把握過程對(duì)象當(dāng)前的特征，產(chǎn)生更合理的對(duì)策，從而獲得理想的調(diào)節(jié)控制結(jié)果。

3  控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    3.1  控制目標(biāo)
 
    (1)  將選鉛加藥槽pH值控制在7.5～8.5之間，選銅加藥槽pH值控制在5～6.5之間，從而穩(wěn)定生產(chǎn)；
 
    (2)  減少控制系統(tǒng)的超調(diào)量，減少中和酸的注入量，達(dá)到節(jié)能降耗的目的；
 
    (3)  增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，使系統(tǒng)即使在大的干擾出現(xiàn)的時(shí)候，仍然能夠保持穩(wěn)定，且能夠快速收斂。

    3.2  控制邏輯（如圖3所示）

圖3  控制邏輯

    3.3  系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    (1)  控制器選擇CyboCon CE。該控制器是美國(guó)博軟公司將無模型自適應(yīng)(MFA)控制技術(shù)與Microsoft  Windows CE 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)結(jié)合起來，嵌入GE Fanuc公司的FC2000工業(yè)平臺(tái)，組成的一種即插即用式、功能強(qiáng)大的一體化先進(jìn)控制器，可以通過其自帶的I/O通道直接與一次儀表連接；觸摸屏完成控制組態(tài)和調(diào)節(jié)趨勢(shì)顯示；內(nèi)置的控制邏輯算法實(shí)現(xiàn)連續(xù)、間歇控制邏輯的組態(tài)。

    (2)  考慮到藥槽中腐蝕性較強(qiáng)且油污較多，經(jīng)常污染pH計(jì)探頭，造成pH值偏離實(shí)際值，無法滿足控制需要。所以采用了MPD53智能型pH/氧化還原監(jiān)控儀，經(jīng)過安裝、調(diào)試、使用發(fā)現(xiàn)，具高抗擾能力。可匹配pH玻璃電極、銻電極和氧化還原電極。具有探頭自動(dòng)清洗控制功能，清洗期間自動(dòng)鎖定電流輸出，從而保持正常工作，很好的滿足了控制要求。

    (3)  為實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，在P4泵上安裝了變頻器。該變頻器接受MFA控制器的輸出信號(hào)。對(duì)控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制。 

    (4)  考慮到工作過程中加藥流量有可能有較大的變化，而變頻調(diào)速技術(shù)有其應(yīng)用的限制，即當(dāng)輸出頻率低于工頻的20%時(shí)，電機(jī)較易發(fā)熱，這就意味著最大與最小處理能力的比值不能超過5。但現(xiàn)場(chǎng)工況的考察結(jié)果表明，這樣的處理能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因而選擇了雙泵工作方案，即P4泵做常穩(wěn)態(tài)的連續(xù)調(diào)節(jié)，并限制其不在工頻的20%以下工作，必要時(shí)可關(guān)閉該泵；P3泵作為P4泵的補(bǔ)充，在P4泵的能力不夠時(shí)開啟。

    主要控制邏輯是：在設(shè)定值的上下各設(shè)一個(gè)帶，形成pH值的上下限，上限與變頻器輸出頻率構(gòu)成邏輯控制P3泵的啟停，下限與變頻器的輸出頻率過程邏輯控制P4泵的啟停，中間作為連續(xù)調(diào)節(jié)區(qū)。并可由CyboCon CE輸出DO信號(hào)作為監(jiān)控信號(hào)，接至指示燈，反映CyboCon CE的運(yùn)行狀態(tài)。指示燈閃爍，表示MFA正常；指示燈停止閃爍，表示MFA異常。

4  結(jié)語

    系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)成功運(yùn)行且狀況良好，從而證明在解決pH值的控制問題上，MFA控制技術(shù)是一種有效的實(shí)用手段，該控制系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)、超調(diào)量小，對(duì)生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行起到了重要的作用。調(diào)試過程不影響正常生產(chǎn)，同時(shí)具有簡(jiǎn)單易用和通用性。同時(shí)也證明了無模型自適應(yīng)控制在pH+大滯后的系統(tǒng)中強(qiáng)大的控制能力。

    其他作者：陳長(zhǎng)亮（1980.5－），男，山東棗莊人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樾盘?hào)檢測(cè)與處理；馬思樂（1964－），男，山東鄆城人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事計(jì)算機(jī)及智能控制系統(tǒng)的研究。

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