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        模糊自整定PID控制在聚合反應中的研究

        2010-05-18 07:28:38李曼珍王開輝
        關鍵詞:模糊化反應釜溫度控制

        喬 杰,李曼珍,王開輝

        (東華大學 信息學院,上海 201620)

        聚合反應機理復雜,是強放熱反應。其過程具有大滯后、大慣性、非線性等特點,反應過程的溫度、壓力、濃度及催化劑的活性與牌號等都對化學平衡產(chǎn)生重要影響。因此,反應釜溫度控制的效果將直接影響產(chǎn)品的質量及裝置的正常運行。為此,一般工業(yè)生產(chǎn)過程均會將反應釜溫度控制回路列為重點監(jiān)控回路,嚴格將反應釜溫度控制在要求范圍內(nèi)。目前常用的控制器為PID控制器,它具有穩(wěn)定性好、可靠性高、參數(shù)易調(diào)整等優(yōu)點,但其設計依賴于被控對象的精確數(shù)學模型,且難以解決系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性和快速性的矛盾,不能在線整定參數(shù),且對非線性、大滯后、模型不明確和時變的系統(tǒng)不能很好地控制。而模糊控制器設計不需要掌握被控對象的精確數(shù)學模型,系統(tǒng)的魯棒性較好,但它過多依賴于操作人員成熟的經(jīng)驗,控制規(guī)則較復雜[1]。本文首先根據(jù)聚合反應釜控制對象提出了PID參數(shù)的模糊自整定,將PID控制技術和模糊控制結合起來,發(fā)揮兩者的優(yōu)勢,并進行了仿真,取得了更好地控制效果。

        1 模糊自整定PID控制器的設計

        1.1 聚合反應工藝特點

        聚合反應釜是化工生產(chǎn)中常用的一類反應器,將原料投放后,先在夾套中通以高壓蒸汽,當加熱到預定反應溫度后就停止加熱,反應過程中,在夾套中通以冷卻劑傳熱。聚合反應過程伴有強烈的放熱效應,并且反應的放熱速率與反應溫度之間是一種正反饋自激的關系。即若某種擾動使反應溫度有所增加,聚合反應的速率就會增加,放熱速率也相應增加,使反應溫度進一步上升,甚至會引起“聚爆”現(xiàn)象,使整個釜內(nèi)的產(chǎn)品變成廢品,影響安全生產(chǎn)。按照工藝要求,這些反應一般要經(jīng)過加熱、恒溫、冷卻等過程,當原料配比、濃度等確定后,準確控制反應的溫度是保證產(chǎn)品質量和產(chǎn)量的關鍵。本文選擇聚合釜這樣一個典型的控制對象,控制目的就是控制其反應的溫度。

        1.2 控制器模型

        模糊自適應PID控制系統(tǒng)主要由參數(shù)可調(diào)整PID和模糊推理系統(tǒng)2部分組成,這個控制器的實現(xiàn)思想是先找出3個PID參數(shù)與偏差E及偏差變化率EC之間的模糊關系。在運行中通過不斷檢測E和EC,再根據(jù)模糊控制原理對3個參數(shù)進行在線修改,以滿足在不同E和EC時對控制參數(shù)的不同要求,使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能,計算量小、易于實現(xiàn)。該算法是在常規(guī)PID控制器的基礎上,將輸入量e和ec經(jīng)模糊化處理,利用知識庫中的控制規(guī)則,經(jīng)過模糊推理和清晰化接口輸出,對 PID參數(shù) Kp、Ki、Kd進行在線自整定,再由 PID控制器給出控制信號,對被控對象實行有效的控制[2]。控制器結構如圖1所示。

        圖1 參數(shù)自整定模糊PID控制器結構圖

        1.3 模糊規(guī)則的確定及模糊推理

        模糊化處理就是把輸入變量映射到一個合適的相應量程,使得精確的輸入數(shù)據(jù)變換成適當?shù)恼Z言值或模糊集合的標識符。本文的模糊控制器采用誤差及其變化作為輸入語言變量。輸入變量|e|和|ec|語言值的模糊子集取為{負大,負中,負小,零,正小,正中,正大},并簡記為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},論域為{-6,6}。 以 Kp、Ki、Kd3個參數(shù)作為輸出變量,Kp、Ki、Kd模糊量的模糊子集取為{負大,負中,負小,零,正小,正中,正大},并簡記為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},Kp的論域為{-3,3}。 取三角形隸屬度函數(shù),選擇偏差|e|和偏差變化率|ec|的模糊為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}, 簡單化處理同樣也取 Kp、Ki、Kd的模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}[3-4]。

        模糊控制設計的核心是總結工程設計人員的技術知識和實際操作經(jīng)驗,建立合適的模糊規(guī)則表,得到針對Kp、Ki、Kd3個參數(shù)分別整定的模糊控制表,如表1所示。

        根據(jù)模糊合成推理設計PID參數(shù)的模糊矩陣表,根據(jù)模糊規(guī)則表,初始值采用精確量離散化的模糊化方法和重心法的去模糊化方法,對Kp、Ki、Kd進行動態(tài)整定,設Kp、Ki、Kd為采用常規(guī)整定的預整定值,計算公式:

        在線運行過程中,控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結果處理、查表、計算,完成對PID參數(shù)的在線自整定。

        1.4 基于PLC的模糊PID控制器軟件設計

        反應釜內(nèi)的溫度經(jīng)過傳感器和A/D轉換之后進入PLC,PLC則根據(jù)輸入的各種命令,并通過模糊控制算法計算控制量,然后將輸出信號通過D/A轉換送給夾套閥門,調(diào)節(jié)給水量控制反應釜內(nèi)的溫度。其中軟件的主要流程是:利用PLC調(diào)節(jié)A/D轉換得到釜內(nèi)的反饋信號,然后根據(jù)偏差和偏差變化率計算輸入量,再由模糊PIO自整定控制算法得出輸出控制量。啟動、停止可通過鍵盤并利用外部中斷產(chǎn)生,有按鍵輸入則調(diào)用中斷服務程序。整個程序流程圖如圖2所示。

        圖2 模糊PID控制程序的流程圖

        表1 模糊控制規(guī)則

        以西門子公司S7-300為例,所編制的PLC實現(xiàn)模糊PID的功能塊有:(1)OB1主程序;(2)FC1誤差和誤差變化率的量化;(3)FC2控制表的查詢;(4)FC3去模糊;(5)FC4格雷碼到二進制的轉化;(6)FB2為PID子程序;(7)DB2為FB2的背景數(shù)據(jù)塊。

        2 仿真及分析

        圖3 系統(tǒng)的仿真模型圖

        圖4 仿真輸出波形

        本文提出了一種把參數(shù)自整定模糊控制方法應用于聚合反應釜溫度控制系統(tǒng)的控制方法,設計了參數(shù)自整定模糊PID控制器,并給出了控制算法。仿真結果表明,與傳統(tǒng)的PID相比,該控制器可使系統(tǒng)具有更快的響應速度和更小的超調(diào)量,對 PID的 3個參數(shù) Kp、Ki、Kd的自整定效果優(yōu)于其他算法,且不需提前建立控制系統(tǒng)的數(shù)學模型。該控制器具備較強的參數(shù)變化適應能力和更好的抗干擾能力,適合用于具有時變非線性,純滯后、大慣性特點的控制系統(tǒng)中。

        [1]樸春俊,陳彩蓮.模糊控制在聚合反應釜中的應用及仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學報,2001,13(5):558-559.

        [2]郭建波,周劍利,崔濤.模糊 PID混合控制系統(tǒng)在加熱爐中的應用[J].微計算機信息,2005,21(7):92-94.

        [3]劉金琨.先進 PID控制及 MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

        [4]王樹青.先進控制技術及應用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005.

        [5]YING H.Fuzzy control and modeling:Analytical Foundations&applications[M].NewYork.IEEE Press,2000.

        [6]劉曉莉,張曙光,周少武,等.模糊自校正控制在加熱爐溫度控制中的應用[J].湘潭礦業(yè)學院學報,2001,16(3):82-85.

        [7]李秀娟.基于 MATLAB模糊控制器設計和仿真[J].電子測量技術,2004,3:22-23.

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