喬 杰，李曼珍，王開輝

(東華大學(xué) 信息學(xué)院，上海 201620)

聚合反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，是強(qiáng)放熱反應(yīng)。其過程具有大滯后、大慣性、非線性等特點(diǎn)，反應(yīng)過程的溫度、壓力、濃度及催化劑的活性與牌號(hào)等都對(duì)化學(xué)平衡產(chǎn)生重要影響。因此，反應(yīng)釜溫度控制的效果將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量及裝置的正常運(yùn)行。為此，一般工業(yè)生產(chǎn)過程均會(huì)將反應(yīng)釜溫度控制回路列為重點(diǎn)監(jiān)控回路，嚴(yán)格將反應(yīng)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(diǎn)，但其設(shè)計(jì)依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，且難以解決系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性和快速性的矛盾，不能在線整定參數(shù)，且對(duì)非線性、大滯后、模型不明確和時(shí)變的系統(tǒng)不能很好地控制。而模糊控制器設(shè)計(jì)不需要掌握被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)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(yàn)，控制規(guī)則較復(fù)雜[1]。本文首先根據(jù)聚合反應(yīng)釜控制對(duì)象提出了PID參數(shù)的模糊自整定，將PID控制技術(shù)和模糊控制結(jié)合起來，發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，并進(jìn)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(shè)計(jì)

1.1 聚合反應(yīng)工藝特點(diǎn)

聚合反應(yīng)釜是化工生產(chǎn)中常用的一類反應(yīng)器，將原料投放后，先在夾套中通以高壓蒸汽，當(dāng)加熱到預(yù)定反應(yīng)溫度后就停止加熱，反應(yīng)過程中，在夾套中通以冷卻劑傳熱。聚合反應(yīng)過程伴有強(qiáng)烈的放熱效應(yīng)，并且反應(yīng)的放熱速率與反應(yīng)溫度之間是一種正反饋?zhàn)约さ年P(guān)系。即若某種擾動(dòng)使反應(yīng)溫度有所增加，聚合反應(yīng)的速率就會(huì)增加，放熱速率也相應(yīng)增加，使反應(yīng)溫度進(jìn)一步上升，甚至?xí)稹熬郾爆F(xiàn)象，使整個(gè)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(yīng)一般要經(jīng)過加熱、恒溫、冷卻等過程，當(dāng)原料配比、濃度等確定后，準(zhǔn)確控制反應(yīng)的溫度是保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵。本文選擇聚合釜這樣一個(gè)典型的控制對(duì)象，控制目的就是控制其反應(yīng)的溫度。

1.2 控制器模型

模糊自適應(yīng)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(gè)控制器的實(shí)現(xiàn)思想是先找出3個(gè)PID參數(shù)與偏差E及偏差變化率EC之間的模糊關(guān)系。在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè)E和EC，再根據(jù)模糊控制原理對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足在不同E和EC時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，計(jì)算量小、易于實(shí)現(xiàn)。該算法是在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上，將輸入量e和ec經(jīng)模糊化處理，利用知識(shí)庫中的控制規(guī)則，經(jīng)過模糊推理和清晰化接口輸出，對(duì) PID參數(shù) Kp、Ki、Kd進(jìn)行在線自整定，再由 PID控制器給出控制信號(hào)，對(duì)被控對(duì)象實(shí)行有效的控制[2]。控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 參數(shù)自整定模糊PID控制器結(jié)構(gòu)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(gè)合適的相應(yīng)量程，使得精確的輸入數(shù)據(jù)變換成適當(dāng)?shù)恼Z言值或模糊集合的標(biāo)識(shí)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(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，并簡(jiǎn)記為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，論域?yàn)閧-6，6}。 以 Kp、Ki、Kd3個(gè)參數(shù)作為輸出變量，Kp、Ki、Kd模糊量的模糊子集取為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，并簡(jiǎn)記為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，Kp的論域?yàn)閧-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(jiǎn)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(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對(duì)Kp、Ki、Kd3個(gè)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(shè)計(jì)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(duì)Kp、Ki、Kd進(jìn)行動(dòng)態(tài)整定，設(shè)Kp、Ki、Kd為采用常規(guī)整定的預(yù)整定值，計(jì)算公式：

在線運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)通過對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表、計(jì)算，完成對(duì)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(shè)計(jì)

反應(yīng)釜內(nèi)的溫度經(jīng)過傳感器和A/D轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入PLC，PLC則根據(jù)輸入的各種命令，并通過模糊控制算法計(jì)算控制量，然后將輸出信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換送給夾套閥門，調(diào)節(jié)給水量控制反應(yīng)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(zhuǎn)換得到釜內(nèi)的反饋信號(hào)，然后根據(jù)偏差和偏差變化率計(jì)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(dòng)、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(wù)程序。整個(gè)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(shí)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(jìn)制的轉(zhuǎn)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(yīng)用于聚合反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)的控制方法，設(shè)計(jì)了參數(shù)自整定模糊PID控制器，并給出了控制算法。仿真結(jié)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(yīng)速度和更小的超調(diào)量，對(duì) PID的 3個(gè)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(xué)模型。該控制器具備較強(qiáng)的參數(shù)變化適應(yīng)能力和更好的抗干擾能力，適合用于具有時(shí)變非線性，純滯后、大慣性特點(diǎn)的控制系統(tǒng)中。

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