模糊PID控制在DMF回收控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

在工業(yè)濕法的合成革生產(chǎn)中，二甲基甲酰胺（DMF）作為洗滌固化劑,有著重要的作用。DMF具有強(qiáng)污染性，若流失到大氣、水或土壤中會(huì)給環(huán)境帶來嚴(yán)重污染，因此現(xiàn)今生產(chǎn)線上流失的DMF都需要做回收處理。
DMF的回收采用多塔精餾工藝，屬于典型的化工精餾的過程，包含一、二級(jí)濃縮塔、精餾塔、蒸發(fā)罐等。過程有原料預(yù)熱、負(fù)壓濃縮、精餾、脫酸等工藝過程。在實(shí)際操作中，精餾塔液位波動(dòng)很快，影響因素很復(fù)雜，受塔操作壓力、塔釜熱量、塔頂回流量及進(jìn)出料量的影響，工藝參數(shù)關(guān)聯(lián)度高，非線性程度高，難以建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，常規(guī)的PID控制難以做到實(shí)時(shí)有效的控制。針對(duì)這些特點(diǎn)大部分企業(yè)暫時(shí)只能夠運(yùn)用手動(dòng)控制輸出的方式來解決控制不穩(wěn)定的問題。
近年來，模糊控制技術(shù)飛速發(fā)展，越來越多地應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域。由于模糊控制技術(shù)不依賴對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，具有較強(qiáng)的魯棒性，即使控制對(duì)象沒有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，也可以依照經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定控制。在本系統(tǒng)實(shí)際精餾塔的液位控制中，存在不同程度的超調(diào)和震蕩現(xiàn)象，而且存在調(diào)節(jié)時(shí)間長的問題。綜合被控對(duì)象的非線性、高階次、大滯后、數(shù)學(xué)模型難以確定等特點(diǎn)，因此適宜采用模糊控制。然而，模糊控制自身也具有一定的局限性，例如穩(wěn)態(tài)性能較差等。為了解決這些問題，就需要模糊控制器具有自學(xué)習(xí)、自調(diào)整的能力。
本文設(shè)計(jì)了一種fuzzy-PID復(fù)合控制器，利用STEP7將模糊控制與PID算法相結(jié)合，提高了對(duì)非線性時(shí)滯系統(tǒng)的控制能力。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
DMF回收智能控制系統(tǒng)硬件主要由SIMENSE PLC-300、工控機(jī)、液位傳感器等部件組成，軟件編寫采用STEP7，上位機(jī)軟件采用組態(tài)王軟件。
如圖1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為中央處理單元（CPU）、功能模塊（FM）、網(wǎng)絡(luò)通信模塊（CP）、信號(hào)模塊（SM）幾個(gè)部分。其中CP343為網(wǎng)絡(luò)通信模塊，負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通信；SM334為模擬量輸入/輸出模塊，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場的信號(hào)或給出輸出信號(hào)；SM321為數(shù)字量輸入模塊，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場的數(shù)字量信號(hào)；FM355C為智能控制模塊，本身具有執(zhí)行傳統(tǒng)PID算法的功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的PID控制。

精餾塔的液位通過液位傳感器采集后轉(zhuǎn)換成4 mA～20 mA的電流信號(hào)送入PLC的模擬量模塊SM334中，在PLC中計(jì)算偏差液位E和偏差變化率EC并傳入數(shù)據(jù)塊，通過模糊控制器計(jì)算出PID控制器各參數(shù)的遷移量，在PLC數(shù)據(jù)塊中形成新的PID參數(shù)，最后通過傳統(tǒng)PID算法計(jì)算并輸出4 mA～20 mA信號(hào)來控制氣動(dòng)閥，從而達(dá)到調(diào)節(jié)液位的效果。
2 模糊控制器的設(shè)計(jì)
2.1 模糊化
模糊PID參數(shù)自調(diào)整模糊控制器由3個(gè)子模糊控制器共同構(gòu)成，每個(gè)子模糊控制器的輸入變量為液位誤差E和誤差變化EC，輸出變量分別為△Kp、△Ki、△Kd。
基于對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析以及液位的控制經(jīng)驗(yàn)，E和EC的論域設(shè)計(jì)為[-6，+6]，輸出變量△Kp、△Ki、△Kd的論域分別為[-10，+10]、[-10，+10]、[-2，+2]。模糊輸入輸出的量化等級(jí)為7級(jí)，定義模糊集為[NB，NM，NS，O，PS，PM，PB]，含義依次表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大[1-3]。采用三角形函數(shù)作為隸屬度函數(shù)以確定模糊語言變量的隸屬度，可分別得到各模糊變量的隸屬度賦值表。由此可計(jì)算出精確量E和EC并得出相應(yīng)的模糊語言變量的輸入。
2.2 建立模糊控制規(guī)則
根據(jù)數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場操作人員手動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)，各環(huán)節(jié)的控制規(guī)則如下。
(1)比例環(huán)節(jié)的作用是及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，并即刻產(chǎn)生控制作用以減少偏差。因此，當(dāng)偏差較大時(shí)，為提高響應(yīng)速度，Kp應(yīng)取較大值；當(dāng)偏差較小接近穩(wěn)態(tài)時(shí)，為防止超調(diào)過大引起振蕩，Kp應(yīng)取較小值。△Kp的模糊規(guī)則庫如表1所示。

(2)積分環(huán)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差，通過對(duì)誤差進(jìn)行積分，對(duì)系統(tǒng)控制有一定的滯后作用。因此，當(dāng)偏差較大時(shí)，Ki應(yīng)該取較小值，避免造成系統(tǒng)超調(diào)量過大或系統(tǒng)振蕩。當(dāng)誤差較小接近穩(wěn)態(tài)時(shí)，Ki應(yīng)適量加大，以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度?！鱇i的模糊規(guī)則庫如表2所示。

(3)對(duì)有較大慣性和滯后的被控對(duì)象，微分環(huán)節(jié)可以預(yù)測誤差變化的趨勢。它能在偏差信號(hào)值變得太大之前加入有效的修正信號(hào)，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。由于微分環(huán)節(jié)對(duì)于干擾信號(hào)較為敏感，因此Kd的取值應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中，在誤差較大時(shí)應(yīng)取較大的Kd值，控制中期或接近穩(wěn)態(tài)時(shí)，Kd值應(yīng)取較小值，從而減弱過程的控制作用，增加對(duì)擾動(dòng)的抑制能力?！鱇d的模糊規(guī)則庫如表3所示。

本系統(tǒng)中控制規(guī)則采用Mamdani算法，即基于IF-THEN的產(chǎn)生式規(guī)則，其結(jié)構(gòu)簡單，易于修改。用一個(gè)由

2.3 清晰化
清晰化過程即把模糊語言變量轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的精確量，采用最大隸屬度法，即μ(u*)≥μ(u)，u∈U，μ是u的隸屬度函數(shù)，u*是與最大隸屬度對(duì)應(yīng)的模糊控制量的值。
3 STEP7實(shí)現(xiàn)的軟件設(shè)計(jì)
SIMENSE S7-300 PLC的編程軟件STEP7提供了豐富的擴(kuò)展功能模塊，為實(shí)現(xiàn)各種功能的算法提供了便利的條件[8]。STEP7工程中，主程序模塊OB1實(shí)現(xiàn)對(duì)子程序模塊的調(diào)用和數(shù)據(jù)傳遞，是不斷刷新的，OB35是中斷服務(wù)程序模塊，用來響應(yīng)系統(tǒng)中斷，OB100模塊為系統(tǒng)初始化模塊，系統(tǒng)上電時(shí)自動(dòng)運(yùn)行，初始化各參數(shù)。在STEP7工程中編寫函數(shù)FB1模塊為主模糊控制器，編寫子函數(shù)FC1~FC4完成整個(gè)模糊控制功能，手動(dòng)輸入各子模糊控制器的模糊控制查詢表至DB5-DB7中。其中FC1負(fù)責(zé)計(jì)算液位偏差E和偏差變化率EC，F(xiàn)C2負(fù)責(zé)將E和EC模糊化，把精確數(shù)值轉(zhuǎn)化為模糊語言變量，F(xiàn)C3負(fù)責(zé)在線查詢，通過在DB塊中查表，根據(jù)模糊語言變量的輸入得出相應(yīng)的模糊語言變量的輸出，F(xiàn)C4負(fù)責(zé)將模糊語言變量的輸出清晰化，轉(zhuǎn)換為精確值△Kp、△Ki、△Kd。系統(tǒng)在自動(dòng)控制狀態(tài)下，F(xiàn)B1分別調(diào)用FC1、FC2、FC3、FC4，完成模糊控制功能的計(jì)算，清晰化以后根據(jù)如下方法進(jìn)行3個(gè)參數(shù)的自適應(yīng)校正：
Kp=Kp+△Kp，Ki=Ki+△Ki，Kd=Kd+△Kd。
通過模糊和推理修正后的PID參數(shù)Kp、Ki、Kd存入PLC數(shù)據(jù)塊，通過FM355模塊應(yīng)用在普通的PID算法上，形成具有自適應(yīng)功能的模糊PID算法。
模糊PID算法軟件設(shè)計(jì)的流程框圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果分析
應(yīng)用了模糊PID控制的算法后，DMF回收控制系統(tǒng)對(duì)精餾塔液位的控制效果比以前有明顯改善。
從控制曲線可以看出，運(yùn)用模糊PID自調(diào)整控制方式，超調(diào)量小，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的時(shí)間短。模糊PID自調(diào)整控制方式是將模糊控制和PID控制兩者相結(jié)合，進(jìn)行參數(shù)的在線調(diào)整，在初期偏差比較大時(shí)，自動(dòng)增大比例常數(shù)Kp，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間；在偏差較小時(shí)，適當(dāng)增加積分常數(shù)Ki，消除了靜態(tài)誤差，減小超調(diào)，縮短了穩(wěn)態(tài)時(shí)間，從而使系統(tǒng)的控制精度提高，動(dòng)態(tài)性能得到改善。如圖4、圖5所示。

模糊推理用于模仿人腦的邏輯思維，用于處理模型未知或不精確的控制問題。而采用西門子系列PLC實(shí)現(xiàn)模糊控制時(shí)，需要專用的編程設(shè)備，價(jià)格昂貴，使用復(fù)雜。本文使用軟件方法實(shí)現(xiàn)的模糊控制器大大節(jié)約了企業(yè)成本，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)完全自動(dòng)化，以往因控制不穩(wěn)定而導(dǎo)致的必須人工手動(dòng)操作輸出的制度得以解除。另外利用模糊規(guī)則庫離線計(jì)算生成查詢表，在系統(tǒng)中直接在線查詢，優(yōu)化了系統(tǒng)的運(yùn)行速度，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。本控制方法現(xiàn)在已應(yīng)用于某化工企業(yè)DMF回收控制系統(tǒng)當(dāng)中，控制較以前有了明顯改善，大大減小了系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)，控制穩(wěn)定且準(zhǔn)確，給企業(yè)帶來了較大收益。
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