基于模糊PID的硅溶膠反應釜溫度控制系統的設計

嚴 麒，黎洪生，曹陽陽

（武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢 430070）

隨著中國經濟的崛起，國內無機高分子材料、化學機械拋光（Chemically Mechanical Polishing ，CMP）、精密制造、無機涂料等工業迎來了它們的高速發展期。國內企業對硅溶膠的需求劇增，國外的硅溶膠生產企業為了掠奪這塊大蛋糕，也紛紛布局中國市場。我國本土的硅溶膠生產企業怎樣搶奪這個大市場呢[1]?這就需要我們不停地改良生產設備和工藝，這樣才能有效提高生產效率和加強產品的質量。硅溶膠反應釜是現在生產硅溶膠的主要機械設備，設備中的反應液是利用蒸汽來加熱的，也就是根據自動調節蒸汽電動閥的開度大小來調節溫度。利用熱電阻來測量反應釜中液體的溫度，溫度信號被轉換成了電阻信號之后通過專用導線連入熱電阻模塊EM231。然后電阻信號變為電壓信號之后又在內部轉化為數字量，最后通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）內部程序的量化變為測量的溫度。將這個值再同PLC內部設定值進行對比，模糊PID程序控制其結果，它會運算后算出所需要的控制量，再同模擬量模塊EM232發生數據轉換之后把輸出信號傳遞給電動閥，這個電動閥是用來控制蒸汽的，它會根據信號調節開度來控制反應液的溫度。

1 模糊PID控制系統結構

模糊控制的特點有對數學模型的精確性要求不高、控制效果理想、魯棒性強。有學者提出了神經—模糊融合控制模型，該模型是將融合算法、融合結構以及控制進行三位一體的設計。同時，有學者提出利用同倫BP網絡記憶模糊規則，通過“聯想方式”方式采用這些經驗。然而，模糊控制領域仍存在有待深入研究的問題：（1）歸納總結可遵循的一般設計原則；（2）模糊控制系統的最優化問題、穩定性、功能的評價；（3）如何對非線性復雜系統進行模糊建模，建立模糊規則和模糊推理算法的研究。模糊控制的特點是適用于模型不完全、非線性、時變的系統上，便于讓操作人員可以通過自然語言進行人機對話[2]。

在實際中，應用最為普遍的是PID控制。其調節器控制規律表現為微分控制、比例控制、積分控制。線性定常系統是PID控制的主要研究對象。因為它結構較簡單、穩定性較好、調整方便，所以被普遍應用于工業過程控制。當出現以下情況時，常規的PID控制器無法實現精確控制。（1）未能全面掌握被控對象的結構和參數；（2）無法得到精確的數學模型，而模糊PID控制能解決。正因為模糊PID控制結合PID控制和模糊控制的優點，在工業控制領域中被應用的特別普遍。模糊PID控制是根據PID控制器的3個參數與偏差和偏差的變化之間的模糊關系，在運行時不斷檢測偏差和偏差的變化，通過事先確定的關系，利用模糊推理的方法，在線修改PID控制器的3個參數，讓PID參數可自整定[3]。

利用模糊PID控制系統對硅溶膠反應釜進行溫度控制，主要是由Fuzzy控制器、PID控制器、溫度傳感器和蒸汽電動閥構成。

PID控制器的數學模型可以用下式表示：

其中，輸入e（t）為控制器的輸入，也就是測量值與給定值之差，也就是偏差。TI是積分時間，Kp是比例系數，TD是微分時間，u（t）是PID控制器的輸出。

比例增益Kp，積分時間常數TI，和微分時間常數TD都是PID控制器的控制參數。這些參數對系統性能影響很大，具體分為以下幾點。

（1）比例項部分其實就是對預設值和反饋值差值的放大倍數，從而加大P值，可以減少從非穩態到穩態的時間。但是同時也可能造成電機轉速在預設值附近振蕩的情形，所以又引入積分I解決此問題。

（2）積分項部分其實就是對預設值和反饋值之間的差值在時間上進行累加。當差值不是很大時，不引起振蕩。

（3）微分項部分其實就是求電機轉速的變化率，也就是前后兩次差值的差而已。也就是說，微分項是根據差值變化的速率，提前給出一個相應的調節動作。可見微分項的調節是超前的。并且D值越大，超前作用越明顯。

2 模糊PID控制器的設計

在工業控制中，一般選擇有兩個輸入變量的模糊PID控制器，這兩個輸入變量是E（輸出反饋量和輸入設定值的偏差）和△E（偏差變化率）。兩個變量能更好地表現輸入變量的動態變化，也可滿足很多工程的要求。它采用“如果E是X且△E是Y，則U是Z”的模糊規則。U是模糊控制的輸出量；Y（t）是控制器實測值；e是控制器輸入偏差；Ku是控制器輸出量化因子；Ke是控制器輸入偏差量化因子，u是控制器實際輸出量；△e是控制器輸入偏差變化率；E是控制器輸出反饋量和輸入設定值的偏差；△E是控制器輸出反饋量和輸入設定值的偏差率；Y0是控制器給定值；K△e是控制器偏差變化率的量化因子[4]，如圖1所示。

由取樣得到的E以及△E，能夠計算得到相應的控制變量U，可將全部E以及△E中元素的全部組合得到的控制變量值寫成矩陣形式得到一個查詢表。查詢表中的值先由計算機計算得出，然后存入內存，即可提高運算性能。在進行模糊控制時，通常根據模糊量化后的E以及△E來查表獲取控制量的變化值，再乘以比例因子來得到輸出控制被控量。為了表達方便，假定將輸入、輸出論域量化為{2，-1，0，1，2}，且使控制量的模糊子集的論域為{MB，MS，0，PB，PS}，選三角形隸屬函數為其隸屬函數，通過隸屬函數和拉森推理法可得到一個模糊控制查詢表[5]。

3 溫度控制的程序設計

在硅溶膠反應釜控制系統中，模糊控制算法流程如圖2所示，采用模糊PID的溫度控制系統。

圖1 模糊控制系統結構

4 結語

本文首先介紹了硅溶膠生產的背景，強調了生產時反應釜溫度控制的重要性，然后重點說明了用模糊控制系統來設計的溫度控制及模糊控制器的程序實現。現場運用結果表明模糊PID控制器提高了系統抗外部干擾和適應內部參數變化的魯棒性，保證了硅溶膠生產溫度控制系統的精度。

圖2 模糊控制算法流程

[參考文獻]

[1]湯紅成，李著信，王正濤，等.一種模糊PID控制系統[J].電機與控制學報，2005（2）：136-138.

[2]宋云霞，朱學峰.大時滯過程控制方法及應用[J].化工自動化及儀表，2001（4）：9-15.

[3]陶永華.新型PID控制及其應用[M].北京：機械工業出版社，2002.

[4]韓大平，林國海，杜鋼，等.模糊PID控制算法在回轉窯溫度控制中的應用[J].材料與冶金學報，2005（4）：321-325.

[5]李牡丹，李麗宏，雷張偉.基于模糊PID控制的配料秤系統的實現[J].中國測試技術，2008（2）：116-119.