模糊控制在尾礦池液位控制上的應用

許金龍

（湖北大峪口化工有限責任公司，湖北 鐘祥 431910）

0 引言

常規PID 控制器具有結構簡單、穩定性好和可靠性高的特點，對于各種線性定常數系統的控制都能獲得滿意的控制效果，但在實際工業生產過程中，被控對象的環境多變，導致參數不定，甚至出現嚴重的非線性問題[1]。本公司選礦一部一期尾礦工段有兩個尾礦池，設計采用單回路負反饋控制回路控制液位，其在該現場的工況下存在以下問題：①因尾礦進口流量波動較大，且尾礦池液位和執行器存在一定的滯后，PID 參數整定最優后，液位曲線也近似于等幅震蕩曲線，無法達到自控專業要求的4:1 ～10:1衰減曲線；②驅動液力耦合器的電動執行機構動作幅度大，電動執行機構的電機及控制板因為過熱經常損壞；③因轉速變化幅度大，造成尾礦泵故障率偏高；④持續動作還會造成液力耦合器的油溫偏高，增加更換傳動油的費用。經過實踐檢驗，使用模糊控制能解決以上問題。

1 模糊控制理論

在傳統的控制領域里，控制系統動態模式的精確與否是影響控制優劣的最主要因素，系統動態的信息越詳細，則越能達到精確控制的目的。然而，對于復雜的系統，由于變量太多，往往難以正確地描述系統的動態。換言之，傳統的控制理論對于明確系統有強而有力的控制能力，但對于過于復雜或難以精確描述的系統，則顯得無能為力了。因此，需要用模糊數學來處理這些控制問題。“模糊”是人類感知萬物，獲取知識，思維推理，決策實施的重要特征。“模糊”比“清晰”所擁有的信息容量更大，內涵更豐富，更符合客觀世界。

模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Control）簡稱模糊控制（Fuzzy Control），是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制技術。1965 年，美國的L.A.Zadeh 創立了模糊集合論；1973 年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關的定理；1974 年，英國的E.H.Mamdani首次根據模糊控制語句組成模糊控制器，并將它應用于鍋爐和蒸汽機的控制，獲得了實驗室的成功。

在模糊邏輯控制中，最主要的一環是模糊邏輯推理，它需要專家的知識庫做基礎，通常可用n 個if…then 的型式來表述。另外，熟練的操作人員在不知道數學模型的情況下，也能夠成功地控制這些系統，因此需要記錄操作員的操作模式，并將其整理為if…then 的型式，以構成一組控制規則。

2 操作工的操作方法

尾礦池液位使用單回路PID 控制時，有時操作工會將調節器切換到手動位置。經過觀察發現：操作工控制液位的方式都要在大腦里做3 個判斷，一是液位當前高低程度；二是液位是在增加還是在減小；三是增加或減小的速度。根據這3 個判斷，憑經驗將閥位值給到一個值，經過一段時間后，再重復上述步驟對閥位值進行微調。由此可以總結出4 個if…then 規則：①if 液位在某一范圍，then閥位（MV）對應一個開度范圍；②if 液位是在增加（或減小），then 閥位應該在滿足上個if…then 規則基礎上，應該增加還是減小；③if 液位變化快，then 閥位在滿足上2 個if…then 規則基礎上，應該增加（或減小）多少；④if 液位變化慢，then 閥位在滿足上2 個if…then 規則基礎上，應該增加（或減小）多少。下面介紹根據這4 條規則完成的DCS 組態，該組態是在浙江中控的JX-300X 系統上實現的，并通過了現場使用測試。

3 模糊控制的DCS組態

圖1 浙江中控DCS單回路控制模塊結構原理圖[2]Fig.1 Schematic diagram of the structure of Zhejiang SUPCON DCS single-loop control module

在介紹尾礦池液位模糊控制的DCS 組態之前，有必要先說明該液位控制系統的控制目標。本文介紹的尾礦池是一個12m3的小池子，其液位高低與選礦車間產品質量及產量無關，所以控制目標是保證不溢流、不抽空。通常情況下，對于這種控制目標，可以用啟停泵的方式控制液位，但是尾礦泵的電機是6000V、250KW 的高壓電機，啟停泵控制方式對電網沖擊很大，所以不可取。為了解決引言中提到的問題，應盡量減小PV（液位）和MV 值的波動；另外，在工段開車時，操作工需要手動控制MV 值，所以控制目標中還要求保留手操器功能。下面就來介紹通過DCS圖形化組態實現這些目標的方法。

因為要保留原有的手操器功能，所以在圖形化組態中，主控制模塊還用單回路閉環PID 控制模塊，只不過增加了通過跟蹤開關SwTV 來實現MV 跟蹤TV 的功能，在下面的程序里只要對TV 的賦值進行編程就可以實現模糊控制。圖1 是浙江中控的JX-300X 系統單回路閉環PID 控制模塊的結構原理圖。

在跟蹤開關SwTV 為OFF 時，實現功能就是普通的PID 調節或手操控制（由手自動切換開關SwAM 切換）；在跟蹤開關SwTV 為ON 時，PID 輸出無效，輸出閥位值MV實時跟蹤TV。

最終完成的模糊控制的圖形化組態有2 個梯形圖（LD）段落，圖2 為模糊控制初始化梯形圖，主要完成的功能是在系統切換到模糊控制后，根據液位所在范圍給MV 賦初始值，相當于完成了上節提到的第1 個if…then 規則。在本例中，液位在0 ～20%時，對應15%MV 值；液位在20%～40%時，對應25%MV 值；液位在40%～50%時，對應35%MV 值；液位在50% ～60% 時，對應40%MV值；液位在60% ～80% 時，對應45%MV 值；液位在80%～100%時，對應50%MV 值。

圖2 尾礦池液位模糊控制初始化梯形圖Fig.2 Fuzzy control initialization ladder diagram of tailing pool liquid level

圖3 為模糊控制主程序梯形圖，計算方法是將上一個運行周期的液位值與當前液位值相減，判斷液位是增加的趨勢還是減小的趨勢，從而決定MV 修正值（圖2 的梯形圖中變量ADDSUB）的正負, 相當于完成第2 個if…then 規則；同時還要判斷這個差值（浮點數LTEM1 與LTEM2 之差）的大小，如果差值太小忽略不計（本例不小于0.1%），如果差值夠大，對下周期的MV 進行修正，相當于完成第3個、第4 個if…then 規則。

圖3 尾礦池液位模糊控制主程序梯形圖Fig.3 The main program ladder diagram of the fuzzy control of the tailing pool level

圖4 尾礦池液位模糊控制效果圖Fig.4 Fuzzy control effect diagram of tailing pool liquid level

值得一提的是：為了保證計算精度，中間計算過程都采用浮點數計算，最終結果轉換半浮點數后賦值給自定義2 字節變量LCV5501-11，MV 值就是跟蹤這個變量。

4 模糊控制的效果

上述的尾礦池采用模糊控制，并經過一段時間的觀察后證明：完全滿足不溢流、不抽空的控制要求，而且控制效果遠遠優于PID 控制。圖4 為控制效果圖，從圖中看出，液位基本被控制在40%～60%之間，而如果采用PID控制，將PID 參數整定到最優后，液位波動范圍還是在30%～70%之間。采用模糊控制后，因為液位及閥位值波動幅度小了，引言中提到的用PID 控制存在的問題得到了基本解決；另外，本文介紹的模糊控制的DCS 組態還有不少功能強化的空間，比如可以修改模糊控制主程序梯形圖，將差值大小分幾個檔次，每檔對應不同的MV 修正值（本例中修正值固定為0.2%），以減小找到最佳MV 值的時間。因為效果已經達到了，所以本例沒有增加這段梯級的組態。

5 結束語

在保留原有PID 控制的基礎上增加模糊控制，只需要修改DCS 組態，成本為零。本例證明：采用模糊控制能達到PID 控制不能達到的控制效果，而且提高了設備使用壽命。但是模糊控制相對于PID 控制來說，有適用范圍窄、編程復雜、控制結果有余差，不容易修改目標值（SV）等缺點。不過隨著控制理論的發展以及計算機技術的進步，預計將來在DCS 組態上會有模糊控制模塊，那么模糊控制可能會有更廣大的適用范圍。