褚向前

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

復(fù)合肥生產(chǎn)線是一個(gè)涉及到溫度、壓力、濃度、流量等多種因素的復(fù)雜系統(tǒng)，生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量很大程度上取決于工藝參數(shù)(如溫度、壓力、流量等)的控制。因此，控制方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、物料在生產(chǎn)過(guò)程中的溫度、壓力、流量和組分等穩(wěn)定，可大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，達(dá)到穩(wěn)定、可靠、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)和節(jié)能降耗的目的，從而提高生產(chǎn)效率，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。本文將模糊-PID復(fù)合控制策略應(yīng)用于復(fù)合肥轉(zhuǎn)化和復(fù)肥工段反應(yīng)釜溫度控制，利用模糊控制的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)及PID控制的穩(wěn)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜溫度的快速、穩(wěn)定控制[1]。

某化工集團(tuán)有限公司是國(guó)家化肥行業(yè)的骨干企業(yè)，是以生產(chǎn)硫基三元復(fù)合肥為主的國(guó)有大中型企業(yè)。三元復(fù)合肥生產(chǎn)分為3個(gè)工段：磷酸和硫酸工段、轉(zhuǎn)化和復(fù)肥工段、造粒工段。其中，在轉(zhuǎn)化和復(fù)肥工段，先在反應(yīng)釜中按比例加入硫酸和氯化鉀，加溫至160℃并恒溫固定時(shí)間后進(jìn)入收集槽，然后在收集槽加入磷酸，混合后經(jīng)混酸泵打入管式反應(yīng)器，最后向管式反應(yīng)器加入中和氨氣，生產(chǎn)成品料漿。本工段中，控制好反應(yīng)釜的溫度，是保證產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)鍵。因此對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)——溫度必須進(jìn)行控制[2]。

1 控制方案選擇

本系統(tǒng)反應(yīng)釜溫度受進(jìn)料物料溫度、進(jìn)料物料多少、供熱蒸汽閥門開度、周圍環(huán)境等影響，具有典型的非線性、分布參數(shù)、時(shí)滯和大慣性等特點(diǎn)，無(wú)法建立精確數(shù)學(xué)模型，用傳統(tǒng)的控制算法難以滿足要求。針對(duì)此情況，可采用模糊算法，自適應(yīng)算法和神經(jīng)元算法等方案。而模糊算法因其運(yùn)算量小，實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，控制效果好，本文采用此算法。在線性控制理論中，積分控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢；比例控制作用動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；而比例積分控制作用既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度，又能具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。故把PID控制策略引入模糊控制器，構(gòu)成Fuzzy-PID復(fù)合控制，使動(dòng)靜態(tài)性能都能得到很好的改善，即達(dá)到動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小。因此，本文將采用模糊-PID控制策略，從而使系統(tǒng)既具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，又能滿足一定的穩(wěn)態(tài)精度。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

復(fù)合肥轉(zhuǎn)化和復(fù)肥工段反應(yīng)釜溫度所需條件，要求實(shí)際溫度在目標(biāo)溫度上下2C范圍內(nèi)變化，即滿足。根據(jù)此要求可以設(shè)計(jì)模糊-PID控制器，當(dāng)時(shí)，從模糊控制階段切換到PID控制階段。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)模糊控制采用二維模糊控制器。選擇反應(yīng)釜溫度偏差E，溫度偏差變化率EC作為系統(tǒng)的輸入變量，供熱蒸汽閥開度變化量△U作為輸出變量。

對(duì)于本文設(shè)計(jì)的模糊控制器，采用經(jīng)驗(yàn)歸納法設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)作局部調(diào)整。根據(jù)設(shè)備的實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)，得出模糊控制規(guī)則

如表1所示。

本文PID控制器選用增量式，并且控制器在誤差減小到C范圍內(nèi)才發(fā)揮作用。因此PID控制的主要目的在于盡可能消除系統(tǒng)靜差，提高調(diào)節(jié)精度，而響應(yīng)速度的要求可以適當(dāng)放松。所以應(yīng)適當(dāng)減小比例系數(shù)，增大積分作用系數(shù)，而只要適中即可。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)調(diào)整，本文選取的PID參數(shù)如下：

圖2 仿真結(jié)果對(duì)比

3 系統(tǒng)仿真與分析

該控制模型建立和仿真是在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行的。反應(yīng)釜溫控系統(tǒng)可以用二階的純滯后環(huán)節(jié)和一階慣性環(huán)節(jié)表示。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，建立模型如下：

式(1)中，K 為增益，T1，T2 為時(shí)間常數(shù)，為滯后時(shí)間。選擇一組參數(shù)：K=1.36，T1=560，T2=350，=26。在單位階躍輸入下，分別用常規(guī)PID控制、模糊控制和模糊-PID控制算法進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯琍ID控制時(shí)，超調(diào)量較大，穩(wěn)態(tài)時(shí)間較長(zhǎng)。模糊控制時(shí)，超調(diào)量減少，穩(wěn)態(tài)精度提高，過(guò)渡時(shí)間縮短。模糊-PID控制時(shí)，超調(diào)量最少，過(guò)渡時(shí)間進(jìn)一步縮短。

將模糊-PID應(yīng)用到反應(yīng)釜溫控系統(tǒng)系統(tǒng)中，設(shè)采樣周期為30s,反應(yīng)釜溫度目標(biāo)值為160℃，溫度變化曲線如圖3所示。可以看出，控制系統(tǒng)的上升時(shí)間為270秒，過(guò)渡時(shí)間短，響應(yīng)速度快，到達(dá)目標(biāo)值輸出穩(wěn)定，誤差較小，精度高。

4 結(jié)論

采用FUZZY-PID控制結(jié)構(gòu)，對(duì)非線性、難以建立精確數(shù)學(xué)模型的反應(yīng)釜溫度對(duì)象進(jìn)行控制，既具有模糊控制魯棒性強(qiáng)、快速響應(yīng)的特點(diǎn)，又具有PID控制消除靜態(tài)誤差、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)踐證明，此復(fù)合控制方式控制精度在±2.0℃，控制精度更高，控制效果更好。

[1]文樂(lè).透平壓縮機(jī)組的模糊PID控制與特性研究 [J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,45(7):76-81.

[2]Onur Karasakal,Mujde Guzelkaya,Ibrahim Eksin,et al.An error-based on-line rule weightadjustmentmethod forfuzzy PID controllers[J].Expert Systems with Applications，2011,38(8):10124-10132.