（山東大學控制科學與工程學院，山東 濟南 250061）  楊偉杰，陳長亮，馬思樂

楊偉杰（1980－）
女，山東濰坊人，在讀碩士研究生，研究方向為計算機控制與智能系統。

1  引言

    在氰化工藝最后的浮選階段也是實現銅、鉛等其他元素的提取的階段，這個階段始終需要加入濃硫酸進行反應，而且此過程中pH值對反應的程度有著重要的影響，由于pH值的波動，容易造成生產過程波動、質量不穩定、產量降低、原材料浪費、裝置腐蝕、操作困難和環境污染等狀況。在實現自動控制之前，一直是由現場工人實時檢測，然后手動調節閥門來控制加酸的，這樣不僅浪費人力，而且準確度達不到要求。

2  控制過程設計

    2.1  工藝分析

    經現場觀察分析發現： 

    (1)  該控制對象為pH值控制。如圖1所示，pH值控制實質是三段非線形控制，酸性區和堿性區各有一個非敏感段，調節特性十分遲鈍；而中性區是敏感段，調節特性十分靈敏。同時，隨著過程處理量的改變，以不同的輸出達到的穩態又表現為不同的時間常數和控制增量，是一個時變系統。因此成為傳統控制中的難題。

圖1  pH值控制圖

    (2)  該控制對象存在明顯的滯后。經過現場測試發現，綜合池加酸后，15～18秒后，過程出現反映，有明顯的滯后特征。有大滯后存在的控制系統中一般通過減小比例作用和積分作用來實現。但由于PID調節器的先天不足，當t/T比大于2時，PID調節器就無能為力了。

    2.2  提出控制方案

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

    2.3  MFA控制器工作原理

    MFA與其它負反饋控制器（自適應或非自適應）一樣，是根據設定值和過程變量之間的偏差決定如何最好地控制過程。但與傳統的過程控制器不同的是，MFA通過前N個采樣值來分析偏差的整個趨勢。這就使控制器可以觀察到過程的動態特性。 

    然而，MFA并不試圖通過這種觀察來創建過程的固定模型，而是利用如圖2所示的神經網絡，根據偏差的歷史數據直接計算出下一步控制作用。

圖2  神經網絡

    MFA控制算法的核心包括如下的差分表達式：

    (1)
   (2)

    (3)
   (4)

    其中n表示第n項迭代，O(t)是O(n)的連續函數，V(t)是MFA控制器的輸出，Kc是MFA控制器的增益，對調節控制性能非常有用。其中加權因子可以在每個采樣間隔通過一下公式在線更新：

    (5)
    (6)

    這個神經元網絡在過程控制應用中的關鍵部分：首先是存儲測量到的偏差之歷史數據，這可以通過網絡輸入端的延時模塊實現。最新的測量偏差進入模塊頂端，先前的每一個測量偏差被依次向下推入歷史文件。接著，網絡將每一個歷史測量偏差乘以加權因子，經過迭加和濾波產生輸出o(t)。最后，將o(t)與當前的測量偏差e(t)相加，再乘以用戶設定的增益Kc得到實際的控制作用v(t)。

    MFA技術的關鍵可以歸納為：(1)所有過程的信息都已包含在輸入輸出的信號中，只是以往采用傳統的控制方法缺乏有效提取這些信息并加以利用的手段；(2)通過無事先訓練的快速強制學習等方式，使MFA控制器能夠準確把握過程對象當前的特征，產生更合理的對策，從而獲得理想的調節控制結果。

3  控制系統設計

    3.1  控制目標
 
    (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，從而穩定生產；
 
    (2)  減少控制系統的超調量，減少中和酸的注入量，達到節能降耗的目的；
 
    (3)  增強系統的抗干擾能力，使系統即使在大的干擾出現的時候，仍然能夠保持穩定，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  系統設計

    (1)  控制器選擇CyboCon CE。該控制器是美國博軟公司將無模型自適應(MFA)控制技術與Microsoft  Windows CE 實時操作系統結合起來，嵌入GE Fanuc公司的FC2000工業平臺，組成的一種即插即用式、功能強大的一體化先進控制器，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和調節趨勢顯示；內置的控制邏輯算法實現連續、間歇控制邏輯的組態。

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

    (3)  為實現連續控制，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。對控制對象實現連續控制。 

    (4)  考慮到工作過程中加藥流量有可能有較大的變化，而變頻調速技術有其應用的限制，即當輸出頻率低于工頻的20%時，電機較易發熱，這就意味著最大與最小處理能力的比值不能超過5。但現場工況的考察結果表明，這樣的處理能力是遠遠不夠的。因而選擇了雙泵工作方案，即P4泵做常穩態的連續調節，并限制其不在工頻的20%以下工作，必要時可關閉該泵；P3泵作為P4泵的補充，在P4泵的能力不夠時開啟。

    主要控制邏輯是：在設定值的上下各設一個帶，形成pH值的上下限，上限與變頻器輸出頻率構成邏輯控制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，中間作為連續調節區。并可由CyboCon CE輸出DO信號作為監控信號，接至指示燈，反映CyboCon CE的運行狀態。指示燈閃爍，表示MFA正常；指示燈停止閃爍，表示MFA異常。

4  結語

    系統現在已經成功運行且狀況良好，從而證明在解決pH值的控制問題上，MFA控制技術是一種有效的實用手段，該控制系統魯棒性強、超調量小，對生產的平穩運行起到了重要的作用。調試過程不影響正常生產，同時具有簡單易用和通用性。同時也證明了無模型自適應控制在pH+大滯后的系統中強大的控制能力。

    其他作者：陳長亮（1980.5－），男，山東棗莊人，在讀碩士研究生，研究方向為信號檢測與處理；馬思樂（1964－），男，山東鄆城人，副教授，碩士研究生導師，主要從事計算機及智能控制系統的研究。

參考文獻
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