无模型自适应技术在pH值过程控制中的应用
2004/6/17 13:30:00
1 概述 pH值在工业生产中是常见的过程控制对象,由于其特殊的过程特征,在绝大多数的控制过程中处于开环或接点控制状态,无法实现连续的调节控制。这种状况显然不能满足那些对于pH值要求较高的生产过程的需要。由于pH值的波动,造成生产过程波动,质量不稳定,产量降低,原材料浪费,装置腐蚀和环境污染等状况。 美国博软公司的无模型自适应(Model-Free Adaptive)控制技术和以该技术为核心的调节控制产品(CyboCon),为此类问题的解决,提供了一种简单而有效的控制手段。利用该产品,就pH值控制产生的问题,为制药、化工和污水处理的一些企业进行了技术改造后,均取得了良好的控制效果,也为企业创造了较大的经济效益。 2 pH值过程控制的难点 pH值的过程特征与工业应用现场的条件,决定了基于传统控制技术的PID调节器甚至较为先进的自整定PID调节器,控制起来都十分困难,其难点从以下几个问题来分析: 2.1 非线性 从pH过程的滴定曲线可以看到,pH是具有极度非线性(S型)的过程对象。酸性区和碱性区各有一个非敏感段,特性十分迟钝;而中性区是敏感段,特性十分灵敏。这意味着在一定量的pH值不同的溶液中滴入等量的酸(碱)液,对溶液的pH值的影响是不同的;中性段的反映最强,越向两端反映越弱,强弱对比会达到上千倍。当目标是要控制一个固定的pH值时,需要根据当前的pH值按滴定曲线不断调整加药量,这就要求控制器根据该曲线不断修正控制器增益,尤其在A、B两点的附近。因此采用PID调节器起码要分为三段分别控制,而且控制器的参数要整定得相对迟钝,以保证在各段内增益变化时控制器不至于失效。然而,在工业现场pH值的控制往往不是这么理想的,工艺过程导致的大滞后和时变,使控制过程更加困难。 2.2 大滞后 由于生产装置的工艺路线的限制,往往加药后会迟滞一段时间才能看到过程的反映,这段时间为滞后时间(τ)。很多因素都可以影响滞后时间,如加药点距传感器安装点较远、加药管路较长等。 在溶液中加入一定量的药液,这时从过程开始反映到达到其稳态值的63%左右时所经历的过渡时间为时间常数(T)。 一般说τ/ T≥1就可以认为有大滞后,τ/ T≥2时传统PID控制的效能将急剧下降甚至导致控制失效。从pH过程的滴定曲线可以看到,在中性段的pH值非常敏感,因此会导致过程较强的反应,从而使过程的τ/ T比增加,过程体现大滞后特征。 为了有效控制大滞后过程,可以采用预估算法来解决,但该算法要求对滞后时间的估计值比较准确,否则估算器也会失效。 但是实际生产过程,滞后时间往往是变化的,既系统具有时变特征。 2.3 时变 所谓时变简单说就是过程的增益、滞后时间和时间常数等参数随时间发生了变化。比如工业污水处理中,污水流量和成分发生变化都会导致过程的参数变化;一般流量减少会导致滞后时间变长,溶液体积产生相应变化又影响到滴定曲线,成分变化会改变滴定曲线的拐点。这就要求控制器必须及时整定相应的参数。 2.4 难点小结 非线性、大滞后和时变,这些问题都是传统控制方法的难点。在工业生产中控制pH过程,由工艺流程决定这些问题在控制中同时存在的情况较为普遍。 3 无模型自适应控制技术如何解决这个难题 3.1 什么是无模型自适应(MFA)控制技术 MFA控制是自动控制领域中一种全新的理论和技术,它为解决工业过程中的复杂回路控制问题提出了新颖而有效的理念和方法。MFA控制技术是与PID和自整定PID、模糊控制、神经网络、专家系统控制等流行方式是完全不同的。MFA通过前N个采样值来分析偏差的整个趋势。这就使控制器可以观察到过程的动态特性。然而,MFA并不试图通过这种观察来创建过程的固定模型,而是利用神经网络,根据偏差的历史数据直接计算出下一步控制作用。 MFA神经元网络的特点是它的动态特性。通过不断更新加权因子的值,在每一个采样周期后,帮助控制器产生一个自适应控制信号,以达到消除设定值与过程变量之间的偏差的控制目标。 MFA技术的关键可以归纳为:⑴所有过程的信息都已包含在输入输出的信号中,只是以往采用传统的控制方法缺乏有效提取这些信息并加以利用的手段;⑵通过无事先训练的快速强制学习等方式,使MFA控制器能够准确把握过程对象当前的特征,产生更合理的对策,从而获得理想的调节控制结果。 MFA控制器能控制动态特性大幅度变化的过程(包括简单和复杂过程),能自适应,易于安装、使用和维护。基于MFA核心技术,CyboSoft已经开发出了通用型先进控制器,可在工程中解决控制应用的难题。MFA控制器无需建立过程模型,而这些模型的开发和维护通常是很困难的。一旦安装好MFA控制器,就无需调整控制器参数。 在大多数情况下,无需重新设计“系统”,MFA控制器可直接(即插即用)取代传统的PID控制器。一般来讲,客户对成本比较敏感,MFA的集成保护了原有系统和软件的投资。考虑到合作伙伴的利益,作为合作的一个附加条件,CyboSoft承诺将不再像以前一样力推自己的硬件平台,这就避免了与合作伙伴的竞争。 3.2 MFA如何解决pH值过程控制问题 CyboCon是应用MFA技术设计的通用控制器产品,它内部针对一些特殊的过程对象设计了相应的控制模块,用户可以根据实际的过程激活使用一个或多个模块,MFA会自动到把这些模块整合起来,形成一个有机的整体。 3.2.1 解决非线性问题 针对pH过程的非线性MFA设计了pH Control模块,用户只需要粗略估计A、B两个拐点的位置以及敏感段、迟钝段的两个增益就可以得到理想的控制结果。 在实际操作中,上述四个参数大多直接采用默认值直接投运,必要时根据投运效果对两个增益进行修正就可以了。 例如某污水处理装置在投运后感到收敛速度较慢,将陡峭段Kc设为0.01,平缓段Kc设为3,收敛速度明显提高,且在各种负荷下未出现震荡。 3.2.2 解决大滞后问题 如果现场存在大滞后而且滞后时间会变化,MFA也设计了Time-Varying模块。用户只需要填入粗略估计的最短和最长的滞后时间。 这个模块实际就是专门为滞后时间不确定的现场情况设计的。MFA允许其与pH Control模块联合使用,MFA来解决两个模块之间的平滑过渡问题。 如某化工装置将碱液注入循环水,经约30分钟的流动换热后进塔,与酸性气体中合反应后流至塔底,工艺要求控制塔底水的pH值。由于工艺路线很长形成30分钟左右的纯滞后,当循环水流量产生变化时,会使纯滞后时间或长或短, Time-Varying模块就设成最短滞后时间=25分钟,最长的滞后时间=35分钟。 3.2.3 解决时变问题 MFA控制器是一种自适应控制器,对于时变问题用户可以不去管它,控制器可以通过自适应机制来解决。 3.3 MFA的产品形态 MFA产品分为软件、硬件和嵌入三种形态 3.3.1 软件 CyboCon 运行于Windows NT/2000/XP环境下的控制软件 CyboCon HS运行于Windows NT/2000/XP环境下的高速控制软件 3.3.2 硬件 CyboCon CE 通用先进控制器 自带I/O接口和触摸式彩色液晶显示屏。 CyboCon Dragon 先进微型DCS。 3.3.3 嵌入 美国博软公司宣布将MFA控制器集成于工业领域品牌厂商的仪器仪表、制造设备和自动控制系统中。 已嵌入的系统有: 美国国家仪器有限公司(NI)的LabVIEW,用来组态控制VXI/PXI系统。 美国Bristol Babcock公司的ControlWave组合式控制器。 3.4 MFA与生产控制系统的关系 对于软件形态的MFA控制器,CyboCon具有OPC、DDE、特定API驱动等多种通信连接方式,能方便地与现有的各种DCS、PLC、HMI/SCADA软件相连。 对于硬件形态的MFA控制器,CyboCon CE和CyboCon Dragon可以直接连接现场仪表,通过其自身的I/O通道也可与原控制系统联接在一起。 对于嵌入形态的MFA控制器,CyboCon安装在原控制系统上,与原系统融为一体。 4 结论 在解决pH值的控制问题上,MFA控制技术是一种有效的实用手段,调试过程不影响正常生产,同时具有简单易用和通用性。 不仅是解决pH值的控制问题,MFA控制技术还可以用来解决多种生产过程问题。如燃烧炉的燃烧和炉膛压力控制问题,精馏塔的液位控制问题,煤气加压站混合煤气热值的精确控制问题等。
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