基于模糊PID的熱水解反應(yīng)控制算法研究

郭文濤， 高淑芝

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

熱水解(Thermal Hydrolysis)是一種有效的污泥預(yù)處理技術(shù)[1]，經(jīng)過(guò)熱水解后，可以使污泥的性質(zhì)發(fā)生改變，如微生物解體、細(xì)胞破裂、細(xì)胞中的有機(jī)成分釋放等.污泥經(jīng)過(guò)熱水解工藝處理后可以有效地改善其脫水和厭氧消化性能，有效減少我國(guó)的污泥量，同時(shí)為資源化奠定基礎(chǔ).本文主要研究基于模糊PID的熱水解反應(yīng)控制算法，整個(gè)系統(tǒng)以PLC為主架構(gòu)，在原有PID控制基礎(chǔ)上，加上模糊算法，最后形成一個(gè)模糊PID子模塊，通過(guò)仿真軟件進(jìn)行仿真對(duì)比、驗(yàn)證.

1 熱水解反應(yīng)釜自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)適用于化工、煉油和冶金行業(yè)中，它是由自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件、軟件上位機(jī)和下位機(jī)集成.熱水解反應(yīng)釜自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于能夠解決與反應(yīng)釜配套相關(guān)的控制問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)由沈陽(yáng)化工大學(xué)自行設(shè)計(jì)的3M3熱水解反應(yīng)釜自動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛熱水解反應(yīng)過(guò)程的故障數(shù)據(jù)自動(dòng)報(bào)警、數(shù)據(jù)自動(dòng)分析的全過(guò)程自動(dòng)控制，降低人為因素對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的干擾，達(dá)到提高反應(yīng)精度、反應(yīng)效率、保證熱水解反應(yīng)安全進(jìn)行的目的.

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1.1 系統(tǒng)組成

熱水解反應(yīng)釜自動(dòng)化控制系統(tǒng)由PLC控制系統(tǒng)：西門子300PLC;上位機(jī)和觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)：工控計(jì)算機(jī)、西門子觸摸屏;在線儀表：K型溫度傳感器、壓力傳感器、蒸汽流量計(jì);生產(chǎn)設(shè)備：物料輸送機(jī)、鍋爐、反應(yīng)釜、攪拌機(jī)、控制閥等4部分組成.

1.1.2 控制系統(tǒng)主要功能

(1) 監(jiān)控功能：在監(jiān)控畫(huà)面上實(shí)時(shí)監(jiān)視生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)、儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).

(2) 自動(dòng)控制功能：通過(guò)點(diǎn)擊畫(huà)面手動(dòng)控制按鈕，手動(dòng)控制生產(chǎn)設(shè)備；通過(guò)設(shè)定生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制參數(shù)和點(diǎn)擊畫(huà)面自動(dòng)控制按鈕，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的全自動(dòng)化控制.

(3) 數(shù)據(jù)整理功能：通過(guò)數(shù)據(jù)、曲線分析實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)以Excel表格的形式導(dǎo)出.

(4) 報(bào)警功能：顯示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)異常報(bào)警情況，包括報(bào)警時(shí)間、報(bào)警確認(rèn)時(shí)間等.

(5) 密碼保護(hù)功能：系統(tǒng)密碼保護(hù)，確保系統(tǒng)和生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的安全.

1.2 控制系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)

1.2.1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由圖1可以看出：該系統(tǒng)通過(guò)profinet總線連接，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、在線實(shí)時(shí)的進(jìn)行對(duì)熱水解反應(yīng)釜內(nèi)溫度數(shù)據(jù)的觀測(cè)，并能在線調(diào)整PID參數(shù)，同時(shí)應(yīng)用HMI使現(xiàn)場(chǎng)工作人員也能方便快捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水解反應(yīng)釜內(nèi)溫度數(shù)據(jù)的觀測(cè)、參數(shù)調(diào)整等功能.

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2.2 PLC輸入輸出

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)PLC-300-315對(duì)開(kāi)關(guān)量、閥門、模擬量等的控制，進(jìn)而可以有效對(duì)熱水解反應(yīng)釜內(nèi)的溫度進(jìn)行控制.PLC輸入輸出如圖2所示.

圖2 PLC輸入輸出

2 控制算法

由于污泥只有在特定溫度環(huán)境下進(jìn)行處理，才能使熱水解反應(yīng)過(guò)程中把污泥變成期望的產(chǎn)物，同時(shí)減少其他有害產(chǎn)物的生成，使反應(yīng)更加安全穩(wěn)定.因此有效的對(duì)溫度進(jìn)行控制即成為工作的重點(diǎn).目前，一般工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中比較常見(jiàn)的控制算法有常規(guī)PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等.

常規(guī)PID控制過(guò)程中，控制參數(shù)一旦整定計(jì)算好以后整個(gè)控制過(guò)程都是固定不變的，但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于外部參數(shù)或其他實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)等發(fā)生變化時(shí)，常規(guī)PID依然按照原參數(shù)進(jìn)行控制，這樣就很難達(dá)到最佳的控制效果.在熱水解反應(yīng)釜控制過(guò)程中，由于被控對(duì)象機(jī)理復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變性和非線性等特征，且從系統(tǒng)對(duì)象所獲取的知識(shí)信息量也相對(duì)較少、控制性能要求較高，所以采用常規(guī)PID控制器難以獲得滿意的控制效果[2].

2.1 PID 控制器設(shè)計(jì)

經(jīng)典 PID 控制包含比例、積分和微分3個(gè)部分[3]，常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理如圖3所示.

圖3 PID 控制系統(tǒng)原理

圖3中：r(t)是系統(tǒng)的給定值(給定溫度)，y(t)是被控對(duì)象的輸出值 (實(shí)際溫度)，e(t)是系統(tǒng)偏差，因此，系統(tǒng)偏差為：

e(t)=r(t)-y(t)

u(t)是偏差e(t)通過(guò)PID控制算法處理后得到的控制量，完整的u(t)表達(dá)式為：

其中：KP為比例增益，TI為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù).

2.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制的基本原理如圖4所示[4]，其核心部分為模糊控制器，如圖4中虛線框中部分所示.

圖4 模糊邏輯控制結(jié)構(gòu)

模糊控制系統(tǒng)主要由模糊控制器和被控對(duì)象組成，而模糊控制器主要由模糊化、模糊推理、知識(shí)庫(kù)和清晰化4部分組成.

在模糊控制器中以偏差e和偏差變化率ec作為輸入，以參數(shù)kp、ki、kd為輸出，采用模糊推理方法實(shí)時(shí)對(duì)PID 控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到控制要求.將輸入偏差e和偏差變化率ec，輸出kp、ki、kd離散為7 個(gè)模糊子集，描述輸入變量及輸出變量的語(yǔ)言值的模糊子集為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，0，正小，正中，正大}.通常采用如下簡(jiǎn)記形式：NB=負(fù)大，NZ =負(fù)中，NS=負(fù)小，O=零，PS=正小，PZ=正中，PB=正大.得出模糊論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}.根據(jù)對(duì)反應(yīng)釜溫度的控制要求及偏差和偏差率，得出模糊控制規(guī)則如表1所示.

模糊控制器的二輸入三輸出變量隸屬度函數(shù)如圖5所示.模糊規(guī)則如圖6所示.

表1 控制規(guī)則

圖5 變量隸屬度函數(shù)

圖6 模糊規(guī)則

3 控制仿真對(duì)比

3.1 PID 控制的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)工藝要求以及現(xiàn)實(shí)設(shè)備的工藝特點(diǎn)，計(jì)算相關(guān)參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型，由于工業(yè)過(guò)程受控系統(tǒng)形式很多，特選用二階慣性系統(tǒng)作為模型來(lái)研討PID控制，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)得出受控對(duì)象的傳遞函數(shù)為：

G(s)=1/(20s2+12s+1)

在MATLAB 中調(diào)用Simulink 建立仿真框圖，對(duì)其加入單位階躍輸入，得到常規(guī)PID 控制器的仿真模型如圖7 所示.由仿真模型得出仿真結(jié)果(見(jiàn)圖8).

圖7 常規(guī)PID 控制器的仿真模型

圖8 常規(guī)PID仿真曲線

3.2 模糊算法的實(shí)現(xiàn)

模糊PID控制器[5]的仿真模型如圖9 所示，其中Subsystem 中封裝著Fuzzy Logic Controller.

由仿真模型得出仿真結(jié)果，如圖10所示.

圖9 模糊PID 控制器的仿真模型

圖10 模糊PID仿真曲線

3.3 結(jié)果對(duì)比

對(duì)比模糊PID與常規(guī)PID控制溫度曲線如圖11所示.從圖11可以看出：模糊PID 的控制方式獲得的響應(yīng)曲線比常規(guī)PID控制獲得的響應(yīng)曲線超調(diào)量明顯較小、調(diào)節(jié)時(shí)間縮短且改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能.

圖11 模糊PID與常規(guī)PID溫度控制曲線比較

4 結(jié) 論

對(duì)污泥熱水解過(guò)程中的溫度控制問(wèn)題提出一種模糊PID模式的控制模型.對(duì)實(shí)際參數(shù)應(yīng)用MATLAB 模糊邏輯工具箱和Simulink工具箱進(jìn)行設(shè)計(jì)及模擬仿真，結(jié)果可以看出模糊PID

自適應(yīng)能力強(qiáng)，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)或外部有擾動(dòng)時(shí)也能進(jìn)行調(diào)整，控制效果較好，能夠滿足工業(yè)控制要求.

參考文獻(xiàn)：

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