基于PID櫜控制的矿井水处理自动投药系统仿真研究

Posted 2023-01-12 回路

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把PID控制和模糊控制相结合，用串级模糊自整定PID控制器实现了矿井水处理自动投药控制。并用MATLAB/Simulink软件进行串级模糊自整定PID控制的仿真分析。分析结果表明：在矿井水处理自动投药控制过程中，利用串级模糊自整定PID控制可以达到调节时间短、超调小、调节迅速的目的，提高了系统的控制精度和稳定性，改善了整个系统的动态品质。
文章编号：1672-6413(2012)02-0121-02
1 矿井水处理系统结构
矿井水处理系统一般分为单回路控制和串级控制两种控制方式，在这两种控制系统中光脉动混凝投药控制技术是矿井水处理的主要技术。
1.1 单回路系统控制结构
单回路控制系统控制方案如图1所示，其中，R为光脉动检测值，可以根据水质、混凝剂聚合氯化铝(PAC)和助凝剂聚丙烯酞胺(PAM)投加量的变化而变化，并与投药自动控制装置的设定值进行比较，按差值的大小和符号调节其输出值，起到自动调节混凝剂投加量、保证沉淀池(澄清池)出水水质的目的。

1.2 串级系统控制结构
在单回路控制系统中，混凝剂的投加量只有在特定工艺条件下才能维持在最佳投药量上。另外，不同季节水质参数变化较大，且同一季节内水质参数的变化也比较大，需要工人根据实际情况对系统的设定值进行调整，频繁的调节既增加了工人的工作量和劳动强度，也降低了系统的自动化程度，由此可见单回路控制系统不适用于自动投药控制系统。
本文设计的自动投药系统将沉淀后水浊度值引入单回路控制系统中构成串级控制系统，通过沉淀后水浊度值的变化情况实现系统设定值的自动调节，保证了混凝剂的最佳投加量。图2为串级系统控制方案。
1.3 串级控制系统工作原理
在图2所示的矿井水处理串级控制系统中，光脉动检测值R与沉淀后出水浊度值r′有很好的相关性，且随着R值的增大r′减小。在该控制系统中，r′是控制系统的最终目标值，因此将r′作为主回路参数、R作为副回路参数共同构成串级控制系统。其中浊度计检测到的值为r′，与事先输入的浊度设定值r通过投药自动控制装置进行比较，根据符号和差值的大小自动调整副回路中光脉动设定值。该系统中副回路可以迅速响应各种干扰的影响，并对混凝剂投加量及时做出调节，主回路可以自动调节由多种因素造成的光脉动设定值同实际要求值的偏差，避免了直接以r′控制投药量时存在的大滞后问题，使沉淀池的出水浊度值始终保持在设定值r以上，以满足净水过程要求。综上所述，该系统通过对各种干扰迅速作出反应和对各种漂移、偏差进行自动修正，提高了系统控制精度，保证了系统的控制质量。

2 串级系统控制设计
因为主回路是一个定值控制系统，所以可以按照单回路控制系统的设计原则进行设计。在主回路参数选择时应把握以下几点：①与生产、运行性能密切相关的工艺参数；②可直接测量的工艺参数；③其灵敏度符合工艺过程的工艺参数。
串级控制系统中检测到的浊度值为主参数，光脉动检测值R为副参数；模糊PID控制器为主调节器，PID控制器为副调节器；浊度计为主检测器，光脉动传感器为副检测器；变频器、计量泵为执行器。
该控制系统的输入量为浊度值r和反馈浊度值r′的偏差e和偏差变化率ec，输出量为PID参数的修正量Δkp、Δki、Δkd。该系统中模糊PID控制器的语言变量、基本论域、模糊子集、模糊论域及量化因子见表1。

3 串级控制系统仿真分析
在MATLAB/Simulink仿真环境下，利用串级模糊自整定PID控制方法对矿井水处理自动投药系统进行了仿真。图3为串级模糊PID控制系统原理框图。图4为串级模糊PID的Simulink程序。图5为串级模糊PID控制的系统响应。图6为系统误差变化曲线。

4 仿真结果分析
本文利用串级模糊自整定PID控制方法对矿井水处理自动投药系统进行仿真研究。仿真研究表明：将串级模糊自整定PID用于矿井水处理这样一个非线性和大时滞的复杂控制过程，能满足调节迅速、超调量显著减小的要求，且系统稳态误差基本为零，具有优良的控制精度和稳定性，从而改善了整个系统的动态品质。