模糊控制在烘干系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：整個(gè)烘干系統(tǒng)是一個(gè)多輸入多輸出的耦合系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID單回路控制無(wú)法達(dá)到預(yù)期的控制效果，針對(duì)該情況提出了基于多變量的模糊控制，即先利用相對(duì)增益矩陣對(duì)其進(jìn)行了耦合性分析，再選擇適合該系統(tǒng)的隸屬函數(shù)，并且根據(jù)已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)去獲取模糊規(guī)則，然后根據(jù)隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則設(shè)計(jì)模糊控制器，最后應(yīng)用于系統(tǒng)。實(shí)際系統(tǒng)試驗(yàn)表明，模糊控制不僅優(yōu)化了整個(gè)控制系統(tǒng)，使其控制的實(shí)時(shí)性和精確性提高，加強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：多變量耦合；隸屬函數(shù)；模糊規(guī)則

1 引言

膠帶生產(chǎn)中的烘干系統(tǒng)由幾大部分構(gòu)成：送排風(fēng)、加熱、循環(huán)和廢氣處理等。其中的輸入輸出變量（如排風(fēng)風(fēng)機(jī)、熱油閥門、送風(fēng)溫度、烘箱負(fù)壓）之間確實(shí)存在耦合程度不等的情況，即整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)多變量的耦合系統(tǒng)。傳統(tǒng)的PID單回路控制在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法消除這些參數(shù)間的耦合關(guān)系，使得系統(tǒng)始終處于不穩(wěn)定、控制精度不高的狀態(tài)之中。由此我們需要引入模糊控制，設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)該系統(tǒng)的模糊控制器。

2 耦合系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計(jì)

2.1 多輸入多輸出系統(tǒng)耦合程度分析

在烘干系統(tǒng)中，烘箱排出的含有可燃性氣體的空氣通過(guò)回收管道到達(dá)廢氣處理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱RTO）統(tǒng)一進(jìn)行燃燒處理，而在這個(gè)過(guò)程中一直存在一個(gè)問(wèn)題無(wú)法最好地去解決：那就是送往RTO的熱風(fēng)風(fēng)量越大則消耗的燃料越多，而風(fēng)量的大小是取決于排風(fēng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，一旦負(fù)壓變化就會(huì)使排風(fēng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變從而直接導(dǎo)致排往RTO的風(fēng)量不受控制。從實(shí)際情況來(lái)看很明顯這些參數(shù)間存在耦合關(guān)系，所以要做的第一步就是分析它們的耦合程度。我們可以利用常用工具--相對(duì)增益矩陣來(lái)分析該系統(tǒng)。把RTO溫度和烘箱負(fù)壓作為測(cè)量值，把RTO風(fēng)門作為控制量，這樣就構(gòu)成了一個(gè)二輸入單輸出的被控對(duì)象。

知道了被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)后，就可以利用相對(duì)增益矩陣來(lái)考察各個(gè)測(cè)量值和控制量之間的耦合程度[1]。對(duì)于K個(gè)輸入（U1，U2，...，Uk），K個(gè)輸出（Y1，Y2，...，Yk）的閉合系統(tǒng)，輸出Yi對(duì)輸入U(xiǎn)j的相對(duì)增益可定義為：

從實(shí)際系統(tǒng)中獲得相關(guān)工藝參數(shù)后，就可以得到相對(duì)增益矩陣為：

由元素定義“當(dāng)？姿ij>1時(shí)說(shuō)明回路間有耦合；？姿ij<0時(shí)說(shuō)明2個(gè)回路并聯(lián)運(yùn)作時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定”可知該烘干系統(tǒng)的輸入輸出變量間存在耦合關(guān)系，耦合程度不高。

2.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

在已知系統(tǒng)的耦合程度后，就可以進(jìn)行模糊控制器的結(jié)構(gòu)選擇[2]，由于系統(tǒng)具有2輸入2輸出耦合關(guān)系，所以選擇2維模糊控制器。

模糊化處理的關(guān)鍵是選擇適合的隸屬函數(shù)。在本系統(tǒng)中，為了得到滿意的控制性能我們根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和工藝調(diào)試經(jīng)驗(yàn)給出隸屬函數(shù)，控制的效果會(huì)在試驗(yàn)中體現(xiàn)。為了得到隸屬函數(shù)需要先確定基本語(yǔ)言值，在該烘干系統(tǒng)的模糊控制器語(yǔ)言值中，分別選擇語(yǔ)言變量e1 （RTO溫度差值）、e2（烘箱負(fù)壓差值）、U1（RTO風(fēng)門開(kāi)度）的模糊集[3]如下：

結(jié)合上述模糊元素和正態(tài)分布隸屬函數(shù)，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)推導(dǎo)出該系統(tǒng)的隸屬函數(shù)，（如圖2-3）：

之后需要根據(jù)操作者的長(zhǎng)期調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出模糊語(yǔ)句構(gòu)成的模糊規(guī)則，以便建立模糊狀態(tài)表[5]。下面是該系統(tǒng)的具體控制規(guī)則：

通過(guò)上述模糊關(guān)系，采用Mandani模糊推理法，可以獲得該耦合系統(tǒng)的總模糊關(guān)系R：

計(jì)算出總模糊關(guān)系R后，利用推理合成規(guī)則計(jì)算實(shí)現(xiàn)解模糊的過(guò)程，完成模糊控制的最后一步，合成規(guī)則為：

我們應(yīng)用加權(quán)平均法對(duì)此模糊集合進(jìn)行模糊判決，令e1的論域元素為行，e2的論域元素為列，兩種元素相應(yīng)的交點(diǎn)為輸出量U1，U2制成該系統(tǒng)模糊控制器的輸出查詢表，如圖：

至此模糊控制器設(shè)計(jì)完成，需要將該控制器運(yùn)用到實(shí)際的系統(tǒng)中并觀察試驗(yàn)結(jié)果。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及運(yùn)行效果

采用上述模糊控制應(yīng)用到某膠帶生產(chǎn)線的烘干系統(tǒng)中去，并對(duì)其進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)以ROCKWELL公司的 LOGIX5000為平臺(tái)，配合PF400變頻器、RTO排風(fēng)閥門、HONEYWELL加熱器等。在PLC中編程以實(shí)現(xiàn)模糊控制算法，為了驗(yàn)證模糊控制的控制效果，將傳統(tǒng)PID控制和模糊控制進(jìn)行比較。

傳統(tǒng)PID控制時(shí)，控制對(duì)象采用簡(jiǎn)化的一階慣性加純滯后模型G（S）= ，通過(guò)PLC內(nèi)部的PID模塊整定溫度PID回路，整定結(jié)果為

溫度：Kp=1，Ki=0.1，Kd=400 壓差：Kp=1.5，Ki=0.2，Kd=0

設(shè)定溫度T為130℃，用PLC自帶趨勢(shì)記錄功能收集采樣點(diǎn)，運(yùn)行結(jié)果如下圖：

從上圖很容易得出在PID控制下溫度的波動(dòng)范圍在-8℃～+8℃，然后我們用模糊控制器來(lái)控制這2個(gè)參數(shù)，運(yùn)行結(jié)果如下圖：

模糊控制的溫度曲線

從上圖很容易得出在模糊控制下溫度的波動(dòng)范圍在-2 ～+3 ，

由此可見(jiàn)，模糊控制在控制精度和穩(wěn)定性上比PID控制器要好很多。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)多輸入多輸出耦合烘干系統(tǒng)，我們舍棄了傳統(tǒng)PID控制而選擇了模糊控制策略。那是因?yàn)镻ID控制算法是僅針對(duì)簡(jiǎn)化模型，并忽略了系統(tǒng)的非線性、強(qiáng)干擾、強(qiáng)耦合等實(shí)際因素的存在。而模糊控制并不依賴于精確的對(duì)象模 ，實(shí)際運(yùn)行效果表明，在一定的精度要求范圍內(nèi)，其效果比PID控制好很多，還是令人滿意的。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：張杰（1985，12-），男，碩士研究生，主要從事工作工業(yè)自動(dòng)化控制，主要研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化控制。