張祖鷹

ZHANG Zu-ying

（南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，南京 210048）

0 引 言

間歇生產(chǎn)具有小批量、多品種、高附加值、合成步驟復(fù)雜、產(chǎn)品更新?lián)Q代迅速等特點(diǎn)，具有靈活多變的特性，滿足小批量、多品種、多規(guī)格、快速、高質(zhì)量生產(chǎn)的需要，可以用同一套多用途、多功能的設(shè)備生產(chǎn)多種類型的產(chǎn)品。間歇過(guò)程已廣泛應(yīng)用于精細(xì)化學(xué)品、食品、藥品、微電子材料、聚合物、染料和涂料等產(chǎn)品和功能材料的生產(chǎn)。由于間歇過(guò)程具有時(shí)變、非線性等特性，過(guò)程難以建模和模型不準(zhǔn)確等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)的大多數(shù)間歇生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化水平普遍較低。為確保生產(chǎn)安全、環(huán)保，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，節(jié)約生產(chǎn)成本，在間歇生產(chǎn)過(guò)程中研究和推廣應(yīng)用先進(jìn)控制策略十分必要和迫切[1,2]。

1 間歇過(guò)程的特點(diǎn)

間歇過(guò)程是將有限量的物料按規(guī)定的加工順序在一個(gè)或多個(gè)設(shè)備中加工以獲得有限量的產(chǎn)品的加工過(guò)程。典型間歇過(guò)程的工藝流程如圖1所示。

圖1 典型間歇過(guò)程的工藝流程圖

間歇過(guò)程操作控制的主要特點(diǎn)包括：1）時(shí)變性，在間歇生產(chǎn)過(guò)程中，進(jìn)行著化學(xué)或物理變化，從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)完全不同的終止?fàn)顟B(tài)。2）非線性，間歇生產(chǎn)過(guò)程的非線性來(lái)源于多個(gè)方面，如反應(yīng)速率與溫度和濃度之間的非線性關(guān)系，反應(yīng)器夾套傳熱量與流經(jīng)夾套的加熱／冷卻介質(zhì)的流量之間的非線性關(guān)系。3）模型的不準(zhǔn)確性，建立一個(gè)可靠的工業(yè)過(guò)程模型費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而間歇工藝過(guò)程開(kāi)發(fā)的主要目的是要縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，在一些特種化學(xué)品、生物制品和聚合物的間歇生產(chǎn)中，甚至連有影響的反應(yīng)的數(shù)量都不太確定，更不用提及其化學(xué)計(jì)量學(xué)或動(dòng)力學(xué)模型。4）存在約束條件，過(guò)程或裝置存在的約束條件使得間歇過(guò)程的操作更加復(fù)雜，過(guò)程和操作約束條件決定了間歇工藝過(guò)程的操作，由此導(dǎo)致獲取的最優(yōu)或次優(yōu)操作點(diǎn)常常在約束邊界條件上。5）過(guò)程干擾，操作錯(cuò)誤和設(shè)備問(wèn)題是間歇過(guò)程運(yùn)行中難以排除的主要過(guò)程干擾，也有其他的由上游過(guò)程特性變化如原料組成變化等導(dǎo)致的不可測(cè)干擾。6）過(guò)程不可逆，在具有與歷史操作相關(guān)特性的產(chǎn)品如聚合物或結(jié)晶產(chǎn)品的間歇生產(chǎn)過(guò)程中，一旦生產(chǎn)出了不合格產(chǎn)品，一般不可能采取補(bǔ)救措施，該批產(chǎn)品往往只能作為廢品處理。這與連續(xù)過(guò)程不同，連續(xù)過(guò)程在一次操作波動(dòng)后，則往往能采取適當(dāng)?shù)目刂谱饔檬蛊浠氐较Ｍ姆€(wěn)定狀態(tài)。

上述的間歇過(guò)程特性，往往使得間歇過(guò)程的最優(yōu)操作和控制難以實(shí)現(xiàn)[3]。而以下的間歇過(guò)程的兩項(xiàng)特點(diǎn)，則對(duì)間歇過(guò)程的最優(yōu)操作和控制有幫助。重復(fù)性，由于間歇過(guò)程特有的重復(fù)運(yùn)行特性，每次運(yùn)行的結(jié)果都對(duì)下一次的優(yōu)化運(yùn)行提供了有用的信息，因此而出現(xiàn)了與實(shí)際間歇生產(chǎn)相關(guān)的批次優(yōu)化的研究。慢速過(guò)程，大多數(shù)化學(xué)和生物轉(zhuǎn)化過(guò)程要么非常快要么相對(duì)較慢。對(duì)特別快速的轉(zhuǎn)化過(guò)程，對(duì)過(guò)程運(yùn)行沒(méi)有有效的優(yōu)化控制措施。對(duì)較慢速的轉(zhuǎn)化過(guò)程，過(guò)程的主要時(shí)間常數(shù)相對(duì)較大，因此有足夠的時(shí)間去在線處理過(guò)程信息，如進(jìn)行較復(fù)雜的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)間歇過(guò)程的優(yōu)化控制[4,5]。

2 間歇過(guò)程的復(fù)合模糊PID控制

以一典型的間歇生產(chǎn)過(guò)程啤酒發(fā)酵為例說(shuō)明復(fù)合模糊PID控制過(guò)程。啤酒發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，發(fā)酵溫度的控制是保證啤酒質(zhì)量的主要因素，其典型工藝控制曲線如圖2所示，不同品種、不同工藝所要求的溫度控制曲線會(huì)有所不同。發(fā)酵過(guò)程是在大型啤酒發(fā)酵罐中進(jìn)行，周期為12 18天的發(fā)酵過(guò)程中，根據(jù)酵母的活力，生長(zhǎng)繁殖的速度，對(duì)發(fā)酵液提出不同的溫度要求，難以用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式描述。常規(guī)PID控制以其簡(jiǎn)單可靠、容易實(shí)現(xiàn)、靜態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)過(guò)程中。但對(duì)于具有非線性、時(shí)變性、大時(shí)滯性、結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定性的啤酒發(fā)酵過(guò)程，由于常規(guī)PID控制不能在線自動(dòng)修改控制器參數(shù)，難以適應(yīng)過(guò)程狀態(tài)的變化，因而溫度控制過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)，超調(diào)量大，難以滿足及時(shí)、準(zhǔn)確地跟蹤工藝曲線的要求。近年來(lái)提出了諸多智能控制方案，如專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[6,7]，這些方法在魯棒性、抗干擾能力方面有很大的優(yōu)勢(shì)，而經(jīng)典的PID控制算法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此將經(jīng)典的PID控制算法和模糊控制算法相結(jié)合，采用復(fù)合模糊PID控制算法來(lái)解決啤酒生產(chǎn)過(guò)程綜合自動(dòng)化控制啤酒發(fā)酵溫度控制難點(diǎn)問(wèn)題。

2.1 復(fù)合模糊PID控制器設(shè)計(jì)

圖2 發(fā)酵溫度典型工藝控制曲線

控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。該控制器能夠減少穩(wěn)態(tài)誤差，增強(qiáng)抗干擾能力。其原因是：在過(guò)渡過(guò)程中，因系統(tǒng)的誤差和誤差變化率較大，選擇器切換到模糊控制，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，加快響應(yīng)過(guò)程；但模糊控制必然存在穩(wěn)態(tài)誤差，為消除穩(wěn)態(tài)誤差，在平衡點(diǎn)附近選擇器切換為PI控制。

圖3 復(fù)合模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

其中，PI控制器設(shè)計(jì)不再重復(fù)，模糊控制器按如下順序設(shè)計(jì)。

1）模糊控制器輸入輸出變量

考慮到模糊控制器的復(fù)雜性和控制精度的要求，選用二維模糊控制器[8]。這樣既避免了使用一維控制器的動(dòng)態(tài)性能不佳，也避免了采用三維模糊控制器的過(guò)于復(fù)雜、難以設(shè)計(jì)和占用計(jì)算機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性差等弊端。

模糊控制器中，采用溫度誤差e和溫度誤差的變化率ec作為輸入變量，控制量輸出u為輸出變量。模糊控制過(guò)程中，同時(shí)考慮溫度偏差和偏差變化率，不僅能保證系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，而且還可以減少超調(diào)量和振蕩現(xiàn)象。

詞集、論域、隸屬函數(shù)確定如下：

把溫度誤差。的論域量化為14檔，即

{e}＝{－6，－5，…，－I，－0，＋0，＋l，…，＋5，＋6}

且溫度差的模糊子集選取如下詞集

{PB，PM，PS，PZ，NZ，NS，NM，NB}

把溫度誤差變化率e c的論域量化為13檔，即

{ec}＝{－6，－5，…，－1，0，＋l，…，＋5，＋6}

且其模糊子集選取如下詞集

{PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB}

把控制量u的論域量化為15檔，即

{u}＝ {－ 7，－ 6，－ 5，…，－ l，－ 0，＋ 0，＋l，…，＋5，＋6，＋7}

且其模糊子集選取如下詞集

{PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB}

另外，列出溫度誤差e、溫度誤差變化率ec和控制量輸出u的隸屬函數(shù)賦值表有：溫度誤差的模糊變量賦值表；溫度誤差變化率的模糊變量賦值表；控制變量的模糊變量賦值表。

2）模糊控制規(guī)則建立

模糊控制器的規(guī)則一般基于專家知識(shí)或手動(dòng)操作熟練人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)，是按人的直覺(jué)推理的一種語(yǔ)言表示形式。模糊規(guī)則通常由一系列關(guān)系詞連接而成，比如if-then、else、alse、and、or：等。對(duì)于啤酒發(fā)酵罐溫度控制而言，當(dāng)溫度誤差e＞0時(shí)，應(yīng)該增大調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，增加冷媒的流量，使發(fā)酵罐溫度誤差降低，反之則減小調(diào)節(jié)閥開(kāi)度；當(dāng)溫度誤差變化率△e＞0時(shí)，應(yīng)增大調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，溫度誤差變化率逐漸減小。將e與△e的模糊子集兩兩組合，可以形成56條模糊規(guī)則，如表1所示。

表1 發(fā)酵罐溫度模糊控制規(guī)則庫(kù)

模糊控制規(guī)則表中所包含的每一條模糊條件語(yǔ)句都決定一個(gè)模糊關(guān)系，控制規(guī)則的總模糊關(guān)系為：

其中：

3）模糊控制響應(yīng)表獲取

計(jì)算出模糊關(guān)系 后，基于推理合成規(guī)則，由溫度誤差e 的論域 {e}＝{-6，-5，…，-l，-0，＋ 0，＋l，…，＋5，＋6}和溫度誤差變化率e c的論域{e c}＝ {-6，-5，…，-l，0，＋l，…，＋ 5，＋ 6}，根據(jù)語(yǔ)音變量溫度誤差E和變化率EC的模糊賦值表，針對(duì)論域{e}、{e c}全部元素的所有組合，求取相應(yīng)的語(yǔ)言變量控制量輸出U的模糊集合，并應(yīng)用最大隸屬度法對(duì)此模糊集合進(jìn)行模糊判決，取得以論域 {u}＝ {-7，-6，-5，…，-l，0，＋l，…，＋5，＋6，＋7}的元素表示的控制變化值u。在上述離線計(jì)算基礎(chǔ)上，便可建立查詢表。

在每一個(gè)控制周期中，將采集到的實(shí)測(cè)溫度誤差et和溫度誤差變化率et-et-1，分別乘以量化因子ke和kec，并進(jìn)行量化變換后取得所需的e和e c值后，通過(guò)查找表中相應(yīng)行和列，立即可輸出所需的控制量變化u，再乘以比例因子ku便是加到被控過(guò)程的時(shí)間控制量變化值。

2.2 控制系統(tǒng)仿真

根據(jù)溫度給定曲線，在MATLAB軟件的SIMULINK環(huán)境下，進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)和分析。所采用的發(fā)酵罐溫度復(fù)合模糊PID控制策略已經(jīng)應(yīng)用于某啤酒廠中的發(fā)酵罐溫控中，在一個(gè)完整發(fā)酵周期內(nèi)的實(shí)際控制情況，擁有發(fā)酵罐上溫、中上溫、中溫以及下溫4條歷史曲線和發(fā)酵工藝設(shè)定曲線，發(fā)酵溫度能很好的跟蹤工藝曲線的設(shè)定溫度值?？梢?jiàn)，采用復(fù)合模糊PID控制策略，具有較高的控制精度，其中主溫度點(diǎn)(下溫)控制偏差在士0.3℃以內(nèi)。

3 結(jié)論

過(guò)程控制的任務(wù)是在了解、掌握工藝流程和生產(chǎn)過(guò)程的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)安全性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的要求，應(yīng)用自動(dòng)控制的理論對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合，最后采用適宜的手段加以實(shí)現(xiàn)。

間歇生產(chǎn)設(shè)備和間歇生產(chǎn)過(guò)程的非穩(wěn)態(tài)屬性及其產(chǎn)品品種和工藝條件頻繁變化的柔性操作特性，為適應(yīng)當(dāng)前生產(chǎn)對(duì)控制的要求愈來(lái)愈高的趨勢(shì)，必須充分注意現(xiàn)代控制技術(shù)在過(guò)程控制中的應(yīng)用。

對(duì)于具有非線性、時(shí)變性、大時(shí)滯性、結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定性的啤酒發(fā)酵過(guò)程，常規(guī)PID控制難以滿足及時(shí)、準(zhǔn)確地跟蹤工藝曲線的要求。將復(fù)合模糊PID控制策略應(yīng)用于啤酒發(fā)酵溫度控制，主溫度點(diǎn)的控制精度小于士 0.3℃，取得了令人滿意的效果。

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