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（山东大学控制科学与工程学院，山东 济南 250061）  杨伟杰，陈长亮，马思乐

杨伟杰（1980－）
女，山东潍坊人，在读硕士研究生，研究方向为计算机控制与智能系统。

1  引言

    在氰化工艺最后的浮选阶段也是实现铜、铅等其他元素的提取的阶段，这个阶段始终需要加入浓硫酸进行反应，而且此过程中pH值对反应的程度有着重要的影响，由于pH值的波动，容易造成生产过程波动、质量不稳定、产量降低、原材料浪费、装置腐蚀、操作困难和环境污染等状况。在实现自动控制之前，一直是由现场工人实时检测，然后手动调节阀门来控制加酸的，这样不仅浪费人力，而且准确度达不到要求。

2  控制过程设计

    2.1  工艺分析

    经现场观察分析发现： 

    (1)  该控制对象为pH值控制。如图1所示，pH值控制实质是三段非线形控制，酸性区和碱性区各有一个非敏感段，调节特性十分迟钝；而中性区是敏感段，调节特性十分灵敏。同时，随着过程处理量的改变，以不同的输出达到的稳态又表现为不同的时间常数和控制增量，是一个时变系统。因此成为传统控制中的难题。

图1  pH值控制图

    (2)  该控制对象存在明显的滞后。经过现场测试发现，综合池加酸后，15～18秒后，过程出现反映，有明显的滞后特征。有大滞后存在的控制系统中一般通过减小比例作用和积分作用来实现。但由于PID调节器的先天不足，当t/T比大于2时，PID调节器就无能为力了。

    2.2  提出控制方案

     由pH+大滞后的特性叠加在该系统上，使控制算法相互矛盾，使问题的解决更加困难，简单的采用传统的控制手段是无法解决问题。为保证调节效果，方案使用了无模型自适应（MFA）控制技术。 

    2.3  MFA控制器工作原理

    MFA与其它负反馈控制器（自适应或非自适应）一样，是根据设定值和过程变量之间的偏差决定如何最好地控制过程。但与传统的过程控制器不同的是，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，而是利用如图2所示的神经网络，根据偏差的历史数据直接计算出下一步控制作用。

图2  神经网络

    MFA控制算法的核心包括如下的差分表达式：

    (1)
   (2)

    (3)
   (4)

    其中n表示第n项迭代，O(t)是O(n)的连续函数，V(t)是MFA控制器的输出，Kc是MFA控制器的增益，对调节控制性能非常有用。其中加权因子可以在每个采样间隔通过一下公式在线更新：

    (5)
    (6)

    这个神经元网络在过程控制应用中的关键部分：首先是存储测量到的偏差之历史数据，这可以通过网络输入端的延时模块实现。最新的测量偏差进入模块顶端，先前的每一个测量偏差被依次向下推入历史文件。接着，网络将每一个历史测量偏差乘以加权因子，经过迭加和滤波产生输出o(t)。最后，将o(t)与当前的测量偏差e(t)相加，再乘以用户设定的增益Kc得到实际的控制作用v(t)。

    MFA技术的关键可以归纳为：(1)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；(2)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。

3  控制系统设计

    3.1  控制目标
 
    (1)  将选铅加药槽pH值控制在7.5～8.5之间，选铜加药槽pH值控制在5～6.5之间，从而稳定生产；
 
    (2)  减少控制系统的超调量，减少中和酸的注入量，达到节能降耗的目的；
 
    (3)  增强系统的抗干扰能力，使系统即使在大的干扰出现的时候，仍然能够保持稳定，且能够快速收敛。

    3.2  控制逻辑（如图3所示）

图3  控制逻辑

    3.3  系统设计

    (1)  控制器选择CyboCon CE。该控制器是美国博软公司将无模型自适应(MFA)控制技术与Microsoft  Windows CE 实时操作系统结合起来，嵌入GE Fanuc公司的FC2000工业平台，组成的一种即插即用式、功能强大的一体化先进控制器，可以通过其自带的I/O通道直接与一次仪表连接；触摸屏完成控制组态和调节趋势显示；内置的控制逻辑算法实现连续、间歇控制逻辑的组态。

    (2)  考虑到药槽中腐蚀性较强且油污较多，经常污染pH计探头，造成pH值偏离实际值，无法满足控制需要。所以采用了MPD53智能型pH/氧化还原监控仪，经过安装、调试、使用发现，具高抗扰能力。可匹配pH玻璃电极、锑电极和氧化还原电极。具有探头自动清洗控制功能，清洗期间自动锁定电流输出，从而保持正常工作，很好的满足了控制要求。

    (3)  为实现连续控制，在P4泵上安装了变频器。该变频器接受MFA控制器的输出信号。对控制对象实现连续控制。 

    (4)  考虑到工作过程中加药流量有可能有较大的变化，而变频调速技术有其应用的限制，即当输出频率低于工频的20%时，电机较易发热，这就意味着最大与最小处理能力的比值不能超过5。但现场工况的考察结果表明，这样的处理能力是远远不够的。因而选择了双泵工作方案，即P4泵做常稳态的连续调节，并限制其不在工频的20%以下工作，必要时可关闭该泵；P3泵作为P4泵的补充，在P4泵的能力不够时开启。

    主要控制逻辑是：在设定值的上下各设一个带，形成pH值的上下限，上限与变频器输出频率构成逻辑控制P3泵的启停，下限与变频器的输出频率过程逻辑控制P4泵的启停，中间作为连续调节区。并可由CyboCon CE输出DO信号作为监控信号，接至指示灯，反映CyboCon CE的运行状态。指示灯闪烁，表示MFA正常；指示灯停止闪烁，表示MFA异常。

4  结语

    系统现在已经成功运行且状况良好，从而证明在解决pH值的控制问题上，MFA控制技术是一种有效的实用手段，该控制系统鲁棒性强、超调量小，对生产的平稳运行起到了重要的作用。调试过程不影响正常生产，同时具有简单易用和通用性。同时也证明了无模型自适应控制在pH+大滞后的系统中强大的控制能力。

    其他作者：陈长亮（1980.5－），男，山东枣庄人，在读硕士研究生，研究方向为信号检测与处理；马思乐（1964－），男，山东郓城人，副教授，硕士研究生导师，主要从事计算机及智能控制系统的研究。

参考文献
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