基于DCS的氧化鋁沉降泥層高度模糊控制的實現(xiàn)

程江濤，劉俊杰，侯偉軍

（杭州和利時自動化有限公司，浙江 杭州 310018）

DCS控制系統(tǒng)在氧化鋁生產(chǎn)上應(yīng)用廣泛，DCS控制算法多數(shù)停留在常規(guī)控制，對于大慣性、大滯后等工藝對象控制效果不佳。模糊控制是完全仿操作人員控制經(jīng)驗基礎(chǔ)上設(shè)計的控制系統(tǒng)，因此不需要建立數(shù)學(xué)模型，使一些難于建模的復(fù)雜工業(yè)過程的自動控制成為可能。只要人工控制下這些過程能過正常運行，將人工操作的經(jīng)驗歸納程模糊控制規(guī)則，就能設(shè)計出模糊控制系統(tǒng)。本文以氧化鋁沉降槽泥層高度為對象，基于HOLLiAS-MACS DCS控制平臺，開發(fā)相應(yīng)的模糊控制器實現(xiàn)了泥層高度的自動控制。

1 基于DCS的泥層高度模糊控制的設(shè)計

二維模糊控制器的兩個輸入變量選用受控變量和輸入給定的偏差E和偏差變化EC，由于它們能夠較嚴格地反映受控過程中輸出變量的動態(tài)特性，因此，在控制效果上要比一維控制器高很多，是目前采用較廣泛的一類模糊控制器。在二維模糊控制器中分離槽泥層高度為目標變量，底流泵轉(zhuǎn)速作為受控變量，泥層高度設(shè)定值和實際測量值差值為誤差，建立誤差E、誤差變化率EC及控制量U的模糊集及其論域。

2 DCS的泥層高度模糊控制的實現(xiàn)

2.1 設(shè)計模糊控制器

在DCS中采用高級語言ST開發(fā)單變量二維模糊控制器，定義誤差E、誤差變化EC及控制量U的模糊集及其論域。E、EC和U的模糊集均為：{負大NB，負小NS，零Z0，正小PS，正大PB}。本控制器采用梯形隸屬度函數(shù)來確定論域內(nèi)元素對模糊語言變量的隸屬度。

本模糊控制器設(shè)計包含3個算法塊：模糊控制器塊（FuzzyControl）、隸屬度計算塊（CalMDegree）、梯形隸屬度計算塊（Trapmf），將復(fù)雜的運算分類并模塊化，降低編程難度。其中隸屬度計算塊中調(diào)用梯形隸屬度計算塊，模糊控制器塊調(diào)用隸屬度計算塊。模糊控制器塊為最終設(shè)計的模糊控制器，見圖1中的FuzzyControl。

2.2 變量定義

變量定義包含I/O變量和內(nèi)部變量，如表1。變量表中過程值為DCS采集的現(xiàn)場儀表的實際測量值，調(diào)節(jié)輸出值為DCS輸出給底流泵的控制值，用于控制底流泵轉(zhuǎn)速。

表1 變量定義

2.3 設(shè)計控制方案

在HOLLiAS-MACS DCS控制器算法中建立控制方案頁，語言選用功能塊圖CFC。算法計算分3部分，偏差計算、變化率計算、模糊運算，見圖1。

圖1 控制算法

模糊運算是核心算法，通過調(diào)用模糊控制器塊（FuzzyControl）實現(xiàn)，該模糊控制器塊已封裝，只需將定義的變量連接到對應(yīng)的引腳即可。

2.4 設(shè)計監(jiān)控畫面

本模糊控制設(shè)計1個操控畫面和1個參數(shù)設(shè)定畫面見圖2。操控畫面負責操作控制，可選擇手動和自動模式；參數(shù)設(shè)定畫面實現(xiàn)模糊集規(guī)則庫的設(shè)定。規(guī)則庫通過現(xiàn)場實際生產(chǎn)中的各種工況以及操作人員經(jīng)驗不斷積累修正形成，最終達到自動優(yōu)化控制的目的。

圖2 監(jiān)控畫面

2.5 測試應(yīng)用及結(jié)果分析

在應(yīng)用測試中，根據(jù)圖3的測試曲線可以看出在設(shè)定值不變的情況下，當過程值高于設(shè)定值時輸出值會變大以加大底流泵轉(zhuǎn)速降少過程值；當過程值低于設(shè)定值時輸出值會變小，以減小底流泵轉(zhuǎn)速增加過程值。實際運行中只要對圖2中規(guī)則庫參數(shù)不斷調(diào)整修正，控制將逐漸平穩(wěn)，最終實現(xiàn)自動控制。

圖3 控制曲線

3 結(jié)語

基于全新一代HOLLiAS-MACS DCS控制系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計的模糊控制器，實現(xiàn)了對大慣性、大滯后對象的控制，將工藝操作人員的經(jīng)驗應(yīng)用到了控制算法中，對其它相關(guān)類似控制在DCS上的應(yīng)用提供了借鑒。