模糊PID算法在紙機干燥部的應用

董超++鄭芳琴

文章編號：2095-6835（2017）10-0148-02

摘 要：針對紙機干燥部溫度控制回路的時滯常數大，控制困難的特點，提出采用可編程控制器（PLC）結合模糊PID算法。這種方法需首先建立模糊規則表，通過查表的方法來確定模糊PID控制器的參數，而后由模糊PID控制器控制閥門的開度，從而達到對溫度的控制要求，實現干燥部的優化過程控制。結果表明，模糊PID算法具有較好的控制效果。

關鍵詞：模糊PID算法；紙機干燥部；控制器；DCS控制系統

中圖分類號：TS734 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.148

傳統的軟PID參數不易整定，而且參數一旦整定好之后就固定不變，不能根據對象的變化自我調整，這樣就降低了PID的控制精度和魯棒性，不適應于大時滯過程對象的控制。而紙機的烘干部就是一個大時滯對象，如果應用常規的PID控制器，就難以達到工業上所要求的溫度控制曲線，所以將模糊控制的原理應用于傳統的PID，根據查表的方法在線整定PID參數，使其根據對象的變化而變化，從而提高傳統PID的控制精度和魯棒性，并將其應用于紙機的干燥部。

1 工藝流程簡介

由發電廠輸送過來的新鮮蒸汽分別進入紙機Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ 3組烘缸，其進氣量的大小由相應的閥門開度來控制。Ⅰ段烘缸只進新鮮蒸汽，Ⅱ段烘缸除了通入新鮮蒸汽外還有來自Ⅰ段烘缸的二次蒸汽，因而此段烘缸溫度比Ⅰ段低。為了節約能源，Ⅲ段烘缸不但加入Ⅱ段烘缸的二次蒸汽，而且加入了自身的二次蒸汽。但是Ⅲ段的二次蒸汽壓力較低，所以需使用熱泵，通過新鮮蒸汽的流動來帶動二次蒸汽，這樣既可以利用二次蒸汽，節約能源，又可以消除烘缸積水。

2 控制器設計

對于紙機干燥部，最終的控制目標是各烘缸段的表面溫度。由于溫度的非接觸測量難度大、精度低，溫度控制回路的時滯常數大，控制困難，所以通常根據飽和蒸汽壓力與溫度的對應關系，采用檢測壓力、控制壓力的方法來穩定各烘缸段的溫度，從而獲得工藝要求的烘缸溫度曲線。

在本控制系統中，核心控制算法依然是工業中廣泛采用的數字PID系列算法。但是為了實現本系統的總體設計思想，在節能和響應速度2方面都盡可能地趨于最優，借助于非線性PID的控制思想，對控制器的理論輸出值進行相應的修正后得到實際輸出值，輸出給對應的氣動調節閥的閥門定位器。所以本次采用模糊PID算法。

模糊規則的選取以現場工程師的經驗為準，具體控制如下。

2.1 熱泵的壓力控制和熱泵開度的模糊控制

對于每個熱泵，包括如圖1所示的吹貫蒸汽壓差控制（DPIC）和烘缸組補汽壓力控制（PIC）2個閉環回路以及1個熱泵開度低端選擇開環控制（LPS）。對于DPIC和PIC 2個單回路，其

中心控制算法是常規PID算法，但排汽閥和補汽閥的實際動作規律卻如圖2中實線所示，熱泵針形調節頭的實際動作規律如圖2中虛線所示。其橫軸的理論值是DPIC和PIC 2個單回路中閥門理論開度值中較小的一個，即進行低端選擇。由圖2不難看出：當DPIC和PIC控制器的理論輸出值小于50%時，排汽閥和補汽閥都關閉。這就意味著Ia段烘缸所需要的蒸汽都由1#閃蒸罐閃蒸出來的二次蒸汽經熱泵增壓后得到的混合蒸汽來供給。而熱泵的實際開度比理論計算值大，當其理論值為50%時，實際值就達到100%，即處于全開狀態，以盡可能多地利用二次蒸汽，減少新鮮蒸汽的使用量，達到節能降耗的目的。

2.2 濕端低溫段烘缸組壓力回路的控制

由于濕紙幅從毯缸分離出來，含水量很高，要求低溫段前面一兩個烘缸溫度相對較低，并由前至后保持一個穩定、溫度逐漸升高的溫度曲線。為此，從工藝上講，這段烘缸組分成3小段，采用3個壓力回路進行分段模糊控制，并將最初一段的壓力設定為負壓，如圖3所示。各閥門的實際動作規律如圖4所示。這樣做的目的同前面類似，在保證滿足工藝要求的前提下充分利用系統余熱，盡可能地減少新鮮蒸汽的消耗量，并有效避免紙頁粘缸、掉毛、掉粉、起皺、翹曲、斷紙等現象。

3 模糊PID在PLC中的實現

本次應用針對車速60 m/min的紙機烘干系統而設計，并采用以西門子CPU314-2DP為核心的DCS控制系統。這樣可以減少分接頭數，提高系統的安全性，而模糊化的PID具有快速性和高的控制精度，從而保證了動作的可靠性，提高了系統運行的效率。模糊PID通過S7-300站實現門進氣量的智能控制，以達到對烘缸溫度的控制目的。置于MCC控制室中的ET200M可將驅動烘缸的電機接入到DCS控制系統中，ET200M與S7-300站的通訊，以及2臺上位機與S7-300站之間的通訊均采用西門子專用的561卡，數據通過PROFIBUS-DP總線通信。

本次軟件設計借助于西門子專用編程軟件Step7，通過編程的方法實現自適應PID的控制功能。由于Step7中的FB41本身就是普通的軟PID，所以編程方面主要是解決如何實現模糊控制及自適應，以改進FB41的控制功能。所以先定義輸入誤差取e=S（k）-P（k）（即設定值與過程值之間的差值），誤差變化率ec=e（k）-e（k-1）（e（k）是PLC本次掃描周期所計算出的誤差，e（k-1）是上次掃描周期所計算的誤差）。取OB1為主循環程序，控制整個系統中子程序的調用順序，實現全局最優；OB35為中斷子程序，即程序運行10次調用1次蒸汽流量累計程序FC15；FC1為模擬量輸入子程序，其采樣值保存于DB100中；FC98調用模擬量平均子程序，并將平均后的模擬量放入DB20中對應的字中；模糊化子程序FC2主要實現輸入量的模糊化，并將噪聲干擾去除掉；FC3為模糊推理程序，其背景數據塊選取DB21（存放上文的模糊規則），并通過查表的方式實現模糊推理；解模糊程序放于FC4中，主要實現數據的清晰化，標度變換后得到PID參數；整定后的PID參數直接賦給FB41的背景數據塊DB30，覆蓋掉DB30中原有的PID控制參數，進而控制執行器的動作，以實現PID的在線自我整定功能。

4 控制效果

在實際應用中，該控制器取得了較好的控制效果，當蒸汽壓力從7.9 kPa上升到12.3 kPa時，系統超調量比較小，而且從系統開始響應到穩定狀態所需時間大概幾秒左右，比常規PID響應要快得多；由于控制器魯棒性較強，所以系統在穩定狀態時的壓力曲線表現比較平滑，而此時整定出的PID控制參數基本不變，閥門的開度也不變，從而減少了閥門的擺動次數，延長了閥門的使用壽命，提高了系統抗干擾的能力。

5 結束語

實際運行結果表明，這種改進后的PID是切實可行的，其模糊自整定功能可以有效擬制噪聲和隨機干擾，特別是將其與PLC相結合，大大改進了西門子PID的控制功能，提高了DCS系統的整體性能，實現了高級控制與實際應用之間的結合，為廠家節約了成本，提高了社會效益。

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〔編輯：劉曉芳〕