摘 要: 介紹了DMF回收系統(tǒng)的工藝流程。在分析了模糊控制和PID控制的特點后,將兩種控制方法融合并形成模糊PID控制。將模糊控制與西門子PLC的PID功能模塊FM355相結(jié)合,采用STEP7編寫模糊控制器軟件;模糊規(guī)則采用Mamdani算法,通過離線計算得出模糊查詢表,控制系統(tǒng)在線查詢的控制策略,并將其應(yīng)用于DMF回收控制系統(tǒng)中。生產(chǎn)實踐證明,模糊PID控制的性能良好。
關(guān)鍵詞: DMF回收;模糊PID控制;STEP7
在工業(yè)濕法的合成革生產(chǎn)中,二甲基甲酰胺(DMF)作為洗滌固化劑,有著重要的作用。DMF具有強污染性,若流失到大氣、水或土壤中會給環(huán)境帶來嚴(yán)重污染,因此現(xiàn)今生產(chǎn)線上流失的DMF都需要做回收處理。
DMF的回收采用多塔精餾工藝,屬于典型的化工精餾的過程,包含一、二級濃縮塔、精餾塔、蒸發(fā)罐等。過程有原料預(yù)熱、負(fù)壓濃縮、精餾、脫酸等工藝過程。在實際操作中,精餾塔液位波動很快,影響因素很復(fù)雜,受塔操作壓力、塔釜熱量、塔頂回流量及進(jìn)出料量的影響,工藝參數(shù)關(guān)聯(lián)度高,非線性程度高,難以建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型,常規(guī)的PID控制難以做到實時有效的控制。針對這些特點大部分企業(yè)暫時只能夠運用手動控制輸出的方式來解決控制不穩(wěn)定的問題。
近年來,模糊控制技術(shù)飛速發(fā)展,越來越多地應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域。由于模糊控制技術(shù)不依賴對象精確的數(shù)學(xué)模型,具有較強的魯棒性,即使控制對象沒有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,也可以依照經(jīng)驗對其進(jìn)行穩(wěn)定控制。在本系統(tǒng)實際精餾塔的液位控制中,存在不同程度的超調(diào)和震蕩現(xiàn)象,而且存在調(diào)節(jié)時間長的問題。綜合被控對象的非線性、高階次、大滯后、數(shù)學(xué)模型難以確定等特點,因此適宜采用模糊控制。然而,模糊控制自身也具有一定的局限性,例如穩(wěn)態(tài)性能較差等。為了解決這些問題,就需要模糊控制器具有自學(xué)習(xí)、自調(diào)整的能力。
本文設(shè)計了一種fuzzy-PID復(fù)合控制器,利用STEP7將模糊控制與PID算法相結(jié)合,提高了對非線性時滯系統(tǒng)的控制能力。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
DMF回收智能控制系統(tǒng)硬件主要由SIMENSE PLC-300、工控機(jī)、液位傳感器等部件組成,軟件編寫采用STEP7,上位機(jī)軟件采用組態(tài)王軟件。
如圖1所示,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為中央處理單元(CPU)、功能模塊(FM)、網(wǎng)絡(luò)通信模塊(CP)、信號模塊(SM)幾個部分。其中CP343為網(wǎng)絡(luò)通信模塊,負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通信;SM334為模擬量輸入/輸出模塊,負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場的信號或給出輸出信號;SM321為數(shù)字量輸入模塊,負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場的數(shù)字量信號;FM355C為智能控制模塊,本身具有執(zhí)行傳統(tǒng)PID算法的功能,可以實現(xiàn)對被控對象的PID控制。
精餾塔的液位通過液位傳感器采集后轉(zhuǎn)換成4 mA~20 mA的電流信號送入PLC的模擬量模塊SM334中,在PLC中計算偏差液位E和偏差變化率EC并傳入數(shù)據(jù)塊,通過模糊控制器計算出PID控制器各參數(shù)的遷移量,在PLC數(shù)據(jù)塊中形成新的PID參數(shù),最后通過傳統(tǒng)PID算法計算并輸出4 mA~20 mA信號來控制氣動閥,從而達(dá)到調(diào)節(jié)液位的效果。
2 模糊控制器的設(shè)計
2.1 模糊化
模糊PID參數(shù)自調(diào)整模糊控制器由3個子模糊控制器共同構(gòu)成,每個子模糊控制器的輸入變量為液位誤差E和誤差變化EC,輸出變量分別為△Kp、△Ki、△Kd。
基于對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析以及液位的控制經(jīng)驗,E和EC的論域設(shè)計為[-6,+6],輸出變量△Kp、△Ki、△Kd的論域分別為[-10,+10]、[-10,+10]、[-2,+2]。模糊輸入輸出的量化等級為7級,定義模糊集為[NB,NM,NS,O,PS,PM,PB],含義依次表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大[1-3]。采用三角形函數(shù)作為隸屬度函數(shù)以確定模糊語言變量的隸屬度,可分別得到各模糊變量的隸屬度賦值表。由此可計算出精確量E和EC并得出相應(yīng)的模糊語言變量的輸入。
2.2 建立模糊控制規(guī)則
根據(jù)數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場操作人員手動調(diào)節(jié)參數(shù)的經(jīng)驗,各環(huán)節(jié)的控制規(guī)則如下。
(1)比例環(huán)節(jié)的作用是及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號,并即刻產(chǎn)生控制作用以減少偏差。因此,當(dāng)偏差較大時,為提高響應(yīng)速度,Kp應(yīng)取較大值;當(dāng)偏差較小接近穩(wěn)態(tài)時,為防止超調(diào)過大引起振蕩,Kp應(yīng)取較小值?!鱇p的模糊規(guī)則庫如表1所示。
(2)積分環(huán)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差,通過對誤差進(jìn)行積分,對系統(tǒng)控制有一定的滯后作用。因此,當(dāng)偏差較大時,Ki應(yīng)該取較小值,避免造成系統(tǒng)超調(diào)量過大或系統(tǒng)振蕩。當(dāng)誤差較小接近穩(wěn)態(tài)時,Ki應(yīng)適量加大,以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,提高控制精度。△Ki的模糊規(guī)則庫如表2所示。
(3)對有較大慣性和滯后的被控對象,微分環(huán)節(jié)可以預(yù)測誤差變化的趨勢。它能在偏差信號值變得太大之前加入有效的修正信號,加快系統(tǒng)響應(yīng)速度,減少調(diào)節(jié)時間。由于微分環(huán)節(jié)對于干擾信號較為敏感,因此Kd的取值應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力,以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中,在誤差較大時應(yīng)取較大的Kd值,控制中期或接近穩(wěn)態(tài)時,Kd值應(yīng)取較小值,從而減弱過程的控制作用,增加對擾動的抑制能力?!鱇d的模糊規(guī)則庫如表3所示。
本系統(tǒng)中控制規(guī)則采用Mamdani算法,即基于IF-THEN的產(chǎn)生式規(guī)則,其結(jié)構(gòu)簡單,易于修改。用一個由
2.3 清晰化
清晰化過程即把模糊語言變量轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的精確量,采用最大隸屬度法,即μ(u*)≥μ(u),u∈U,μ是u的隸屬度函數(shù),u*是與最大隸屬度對應(yīng)的模糊控制量的值。
3 STEP7實現(xiàn)的軟件設(shè)計
SIMENSE S7-300 PLC的編程軟件STEP7提供了豐富的擴(kuò)展功能模塊,為實現(xiàn)各種功能的算法提供了便利的條件[8]。STEP7工程中,主程序模塊OB1實現(xiàn)對子程序模塊的調(diào)用和數(shù)據(jù)傳遞,是不斷刷新的,OB35是中斷服務(wù)程序模塊,用來響應(yīng)系統(tǒng)中斷,OB100模塊為系統(tǒng)初始化模塊,系統(tǒng)上電時自動運行,初始化各參數(shù)。在STEP7工程中編寫函數(shù)FB1模塊為主模糊控制器,編寫子函數(shù)FC1~FC4完成整個模糊控制功能,手動輸入各子模糊控制器的模糊控制查詢表至DB5-DB7中。其中FC1負(fù)責(zé)計算液位偏差E和偏差變化率EC,F(xiàn)C2負(fù)責(zé)將E和EC模糊化,把精確數(shù)值轉(zhuǎn)化為模糊語言變量,F(xiàn)C3負(fù)責(zé)在線查詢,通過在DB塊中查表,根據(jù)模糊語言變量的輸入得出相應(yīng)的模糊語言變量的輸出,F(xiàn)C4負(fù)責(zé)將模糊語言變量的輸出清晰化,轉(zhuǎn)換為精確值△Kp、△Ki、△Kd。系統(tǒng)在自動控制狀態(tài)下,F(xiàn)B1分別調(diào)用FC1、FC2、FC3、FC4,完成模糊控制功能的計算,清晰化以后根據(jù)如下方法進(jìn)行3個參數(shù)的自適應(yīng)校正:
Kp=Kp+△Kp,Ki=Ki+△Ki,Kd=Kd+△Kd。
通過模糊和推理修正后的PID參數(shù)Kp、Ki、Kd存入PLC數(shù)據(jù)塊,通過FM355模塊應(yīng)用在普通的PID算法上,形成具有自適應(yīng)功能的模糊PID算法。
模糊PID算法軟件設(shè)計的流程框圖如圖3所示。
4 系統(tǒng)運行效果分析
應(yīng)用了模糊PID控制的算法后,DMF回收控制系統(tǒng)對精餾塔液位的控制效果比以前有明顯改善。
從控制曲線可以看出,運用模糊PID自調(diào)整控制方式,超調(diào)量小,達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的時間短。模糊PID自調(diào)整控制方式是將模糊控制和PID控制兩者相結(jié)合,進(jìn)行參數(shù)的在線調(diào)整,在初期偏差比較大時,自動增大比例常數(shù)Kp,提高了系統(tǒng)的響應(yīng)時間;在偏差較小時,適當(dāng)增加積分常數(shù)Ki,消除了靜態(tài)誤差,減小超調(diào),縮短了穩(wěn)態(tài)時間,從而使系統(tǒng)的控制精度提高,動態(tài)性能得到改善。如圖4、圖5所示。
模糊推理用于模仿人腦的邏輯思維,用于處理模型未知或不精確的控制問題。而采用西門子系列PLC實現(xiàn)模糊控制時,需要專用的編程設(shè)備,價格昂貴,使用復(fù)雜。本文使用軟件方法實現(xiàn)的模糊控制器大大節(jié)約了企業(yè)成本,實現(xiàn)了生產(chǎn)完全自動化,以往因控制不穩(wěn)定而導(dǎo)致的必須人工手動操作輸出的制度得以解除。另外利用模糊規(guī)則庫離線計算生成查詢表,在系統(tǒng)中直接在線查詢,優(yōu)化了系統(tǒng)的運行速度,具有較高的工程應(yīng)用價值。本控制方法現(xiàn)在已應(yīng)用于某化工企業(yè)DMF回收控制系統(tǒng)當(dāng)中,控制較以前有了明顯改善,大大減小了系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間和超調(diào),控制穩(wěn)定且準(zhǔn)確,給企業(yè)帶來了較大收益。
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