汞形态/浓度在线监测仪信号处理方法研究及控制系统设计

摘要

随着燃煤电厂烟气中汞污染物排放控制的要求越来越高，对烟气中各形态汞浓度准确、实时地监控显得尤为重要。基于冷蒸气原子荧光光谱法（CVAFS）的在线监测方法将以其操作简单、测量精度高、全自动控制等优点逐渐取代离线测试方法，测量精度高、适应强、运行成本低的汞在线监测仪器的研制已成为该领域的发展趋势。本文从汞在线监测仪中光电倍增管输出的信号处理以及整套仪器的控制系统设计入手，开展相关研究工作。
　　汞分析仪在检测汞浓度过程中由于其自身及相应的信号转换传输电路中噪声的存在，导致最终获得的汞浓度值存在较大偏差。针对此问题，从汞分析仪中光电倍增管(PMT)输出的电压峰信号入手，提出一种基于分段多项式拟合(PPF)算法来建立某一电压峰的数学模型，并验证该模型的合理性。根据所建立的PPF模型以及该信号的噪声特性，获取相应的状态空间方程，并采用扩展卡尔曼滤波算法对该信号进行滤波处理。为了验证模型的适应性，将建立的PPF模型用于处理其他含噪电压峰。仿真结果表明，基于PPF模型拟合得到的电压峰与真实值最接近，其均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)分别为整体多项式拟合(GPF)模型的51.79％和53.13％，是高斯模型的9.00％和11.45％;基于PPF模型的扩展卡尔曼滤波算法对某一含噪电压峰信号的滤波效果显著;利用该模型来处理其他电压峰，滤波后得到的电压峰的RMSE和MAE均在1左右，体现基于该模型的扩展卡尔曼滤波算法在处理PMT输出的各种电压峰时具有较强的适应性。
　　由于汞分析仪在检测汞浓度过程中，其输出的电压峰信号噪声统计特性易随工况的变化而变化，常规扩展卡尔曼滤波算法对该信号的滤波效果较差，对此提出了一种模糊扩展卡尔曼滤波(FEKF)算法。该算法根据实际观测新息的均值和协方差，通过建立的模糊控制器对模型系统噪声和观测噪声的方差阵不断调整，从而实现卡尔曼滤波器对含噪电压峰信号的自适应滤波处理。仿真结果表明，当观测值的实际噪声方差小于模型噪声方差时，FEKF算法滤波后的电压峰的RMSE和MAE比常规扩展卡尔曼滤波算法分别减少了4.16％和9.73％，当观测值的实际噪声方差大于模型噪声方差时，FEKF算法滤波后的电压峰的RMSE和MAE比常规扩展卡尔曼滤波算法分别减少了11.50％和11.45％，体现了FEKF算法在处理模型噪声特性偏离实际时具有较强的适应性。
　　在汞在线监测仪的控制系统设计方面，在对该仪器的组成及工作原理详细分析的基础上，采用西门子STEP7编程软件设计下位机，用WinCC组态软件设计上位机，并将所设计的扩展卡尔曼滤波及其改进算法应用到该系统当中，通过上位机和下位机联机仿真调试，所设计的控制系统基本满足工艺要求。该控制系统是在研制汞在线监测仪过程中的重要探索，为今后的进一步研发提供参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 烟气汞浓度监测方法

1．3 汞分析仪工作原理及PMT信号处理方法

1．4 国内外烟气汞连续在线监测系统现状

1．5 论文的主要研究内容

1．6 本章小结

第二章 PMT输出的电压信号特性分析与PPF模型研究

2．1 引言

2．2 汞浓度与PMT输出电压之间的关系

2．3 PMT输出的电压信号特性分析

2．4 电压峰信号的建模及其验证

2．4．1 基于PPF的电压峰信号建模

2．4．2 PPF模型验证

2．5 本章小结

第三章 基于扩展卡尔曼滤波的电压峰信号处理研究

3．1 引言

3．2 卡尔曼滤波基本原理

3．3 扩展卡尔曼滤波基本理论

3．4 扩展卡尔曼滤波在PMT输出的电压信号中的处理应用

3．4．1 状态空间模型的建立

3．4．2 基于PPF模型的扩展卡尔曼滤波

3．4．3 基于PPF模型的扩展卡尔曼滤波算法适应性验证

3．5 本章小结

第四章 基于模糊扩展卡尔曼滤波的电压峰信号处理研究

4．1 引言

4．2 模糊控制理论

4．2．1 模糊控制原理

4．2．2 模糊控制器设计基本步骤

4．3 模糊扩展卡尔曼滤波算法

4．4 模糊扩展卡尔曼滤波算法在处理PMT输出电压信号中的应用

4．4．1 模糊控制器设计

4．4．2 模糊扩展卡尔曼滤波算法仿真研究

4．5 本章小结

第五章 汞形态／浓度在线监测仪控制系统设计

5．1 前言

5．2 汞形态脓度在线监测仪组成及其工作原理

5．2．1 采样单元

5．2．2 汞形态转化单元

5．2．3 汞浓度检测单元

5．2．4 Hg0／Hg2+校准单元

5．3 基于PLC的汞形态／浓度在线监测仪控制系统设计

5．3．1 PLC控制系统设计的基本原则及步骤

5．3．2 汞形态／浓度在线监测仪控制系统设计

5．3．3 基于OPC的MATLAB与PLC数据交换配置

5．4 基于WinCC的汞形态／浓度在线监测仪控制系统组态设计

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介，攻读硕士期间的学术成果