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。

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