基于模糊PID复合控制的化工生产环境监控系统

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化工

自动化及仪表

第3 8卷

基于模糊 P合控制的化工生产环境监控系统 I D复刘慧玲汪惠芬刘婷婷

(京理工大学机械工程学院，京 20 9 )南南 10 4

摘一

要

为提高某金属钾生产车间环境指标在不同工况下的控制精度，在原有典型 PD控制器上并联 I

个模糊控制器组成模糊 PD复合控制器， I该控制策略以误差值为判断依据，完成 PD控制器和模糊控 I化工生产环境T 23 P 7

制之间的切换。经仿真和试验结果对比，实了该方法能提高系统的控制精度。证

关键词

监控系统

模糊 PD复舍控制 I

误差判断

中图分类号

文献标识码 B

文章编号 10— 3 ( 0 1 0 -8 2 4 0 3 9 2 2 1 )70 1- 3 0

传统化工生产给环境带来了严重的危害，近年来提出的使用绿色工艺从源头控制有害物质的生成，终实现零排放或零污染的“色化学”最绿无

理过程 4个阶段。 针对该工艺的化工环境监控系统也分为与之

对应的 4个阶段，每一阶段抓住影响环境的不同

疑是一种理想的解决办法，目前许多工艺上的但问题无法解决，在实际生产中应用还存在很多要困难。因此，工生产环境监控系统是一种更加化有效的解决方案，献[]文 1中对 PD控制和预测 I控制、解耦控制、糊控制和专家控制系统等作了模概述，但这几种先进控制方法的应用报道很少， 目

主要因素，立不同的模糊模型，系统进行模糊建对PD复合控制。总的控制流程、阶段环境的主 I每要影响因素有：在加料过程中未除尽的炉渣伴随浓烟进入车问，部分与空气反应生成碱性物质；制

钾阶段反应釜加热，车间温度高达 4使 0—5℃; 0

出钾口有大量高温和含腐蚀性物质的浓烟冒出，在炉渣清理过程中也有大量浓烟冒出，成有害生

前仅有手动控制和基于 PD调节的常规单回路控 I制得到了较为广泛的应用。 采用常规 PD控制方法或者以经典控制理论 I

物质。因此，监测系统的主要监控任务是：间本车温度、度、 O浓度、湿 C烟雾浓度、:度、 H O浓 C浓

为基础的反馈和前馈相结合的方法，生产线稳在定生产时可以实现较好的

控制效果，但在其它生

度、 O浓度和碱浓度 8项指标以及反应釜物料 C,泄漏控制。 2控制流程及控制原理

产阶段由于化工环境多参数、大惯性、非线性模型结构不确定的特性，制参数得不到实时有效地控调整，制效果不好。随着人工智能和智能控制控理论的发展，针对这种复杂控制对象产生了各种新的控制方法，中模糊控制能够利用专家经验，其 对难以建立数学模型的复杂控制对象具有良好的控制效果，已广泛应用于各种工业过程，并但单

本设计采用模糊控制和 PD相结合的方法 I——

模糊 PD复合控制， I由空气净化系统 (行执

系统 )车问环境监测系统组成。上位机给定理和想空气环境的各项指标， L P C计算给定理想空气环境与实测各项指标的实际偏差= , X一并送至控制器计算控制量，控制器输出到各执行机构，制风机、气扇及阀和泵的工作，而控制控换进

纯的模糊控制存在稳态精度低的现象。为此，笔者针对某金属钾生产车间环境采用模糊 PD复合 I控制监测系统，现车间环境的监控及优化。实 1监控流程设计金属钾生产过程中会产生 C烟雾等多种有 O、

空气净化系统的工作，终实现对车间生产环境最的改善。笔者设计的控制器采用模糊控制和 PD I控制并联的方式，制策略以实际偏差为选择条控件：

害物质，车间内的温、湿度也随着生产的进行显著提高，不但有一定的安全隐患，且会危害工人的而

a .当 e大于设定的最大误差 e时， i一采用模糊控制，以提高动态响应速度，增强自适应能力； b .当 e小于设定的最小误差 e时，用 采

健康，因此必须对车间环境实施合理有效地监控。金属钾生产线为间歇生产过程，个完整的生产一

周期分为加料过程、钾过程、制出钾过程和炉渣清

收稿日期：0 1 3 1 2 1 -—8 0

第 7期

刘慧玲等.于模糊 PD复合控制的化工生产环境监控系统基 I

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PD控制， I以消除静态误差，高控制精度；提 c当 e∈[…,],防止控制策略切 . e e时为

一

次的动作。

换过于频繁，系统设定控制策略不作切换，维持上

制钾车间环境监测模糊 PD控制系统的原理 I如图 1所示。

图 1复合模糊 PD控制系统车间环境控制原理 I

车间环境控制流程如图 2所示。监控系统启动时即进行正常的换气控制，感器检测车间内传

控制信号 u及热泵控制信号/等 ) t 。选取钾生产第 3阶段 (钾过程 )气环境出空中C O指标进行控制说明。人若处于低浓度 C O环境中会影响其中枢神经，故需严格要求环境中 C O浓度趋于零。采用“双入双出”两变量二维的

的 8种指标数值，限时进行声光报警，超系统进行必要的联锁控制，统内相应的专家系统给出可系

能的报警原因和控制措施。正常情况下控制系统对各指标分别进行复合 P D控制，防止对同一 I为执行机构有多个输出而产生冲突，同一执行机对

模糊控制器， E U E、 C、 2和分别为 C O浓度偏差和偏差率 e和 e、 c风机风量输出控制量和

构取输出值中的最大值作为该机构的最终输出值。

换气扇输出控制量 u模糊化的语言变量。因 经为C O浓度要求控制在 0~ . 0~, C 24×1用 O浓度上限值 2 4x1。减去 C . 0 O浓度的理想值 0即为， C浓度偏差 e O:的基本论域，[, . 即 0 2 4×1。] 0。为防止 C O浓度控制系统频繁动作，取选

1 2X1为目标控制值。通过尺度变换，输入 . 0将

的C O浓度变换到[一，]围内， 22范再取其模糊子集论域为{一，,,,, 2一1 0 1 2}即离散点数为 5量，化因子为：

t一际化围一 4× 10:.×0￣实墼范： 4一 6 1 c o i n变 2 _ 17 5—:.

同理可得 E、 C、 2和 E U图 2车间环境控制流程 3模糊控制器设计

的模糊集均为

{ B, S Z P, B}论域均为{一2一1 0 1 N N, E, S P;,,,, 2,散点数为 5即 C}离， O浓度变化率 E 控制 C及量和，的量化因子。3 2确定模糊变量的隶属度函数 .模糊变量误差 e (一1 , 2X1 0~, 一5X1 0~,, 05X1~,2×1 )误差变化率 e (一3, 0

0 1 0、 c 0一l, 0 1,0、出控制量 M: 4一2 0 2,)/。,0 3 )输：(一，,, 4和 Z:

3 1确定模糊控制器的结构 . 在分析被控对象的基础上，本控制系统采用应用比较广泛的二维模糊控制器，对不同的针气体浓度控制指标、湿度控制指标和不同的控温制阶段，采用“双人单出”“或双入多出”的单变量或多变量模糊控制器 _。系统输人为实际偏差 e 4 J (包括气体浓度偏差、雾度偏差及温湿度偏差烟

(一一，,, ) 4, 2 0 2 4的模糊集和论域确定后，接着对模糊语言变量确定隶属函数，就是对模糊变量赋也值，确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度。根据车间出钾阶段 C O浓度控制的特点，反复实经

等 )偏差变化率 e输出为若干控制信号 u (及 包括电磁阀控制信号/风机控制信号“换风扇 Z

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化工自动化及仪表

第3 8卷

验，确定采用非线性划分方法进行量化，变量的各量化和各模糊子集的隶属度函数见表 1。表 1模糊集的隶属度函数

准工业以太网连接，充分开放的结构使系统具其有很好的可扩展性。

工业以太网交换机0S

E S

操作员站

工程师站

西门子S 2 0 7— 0 P LC

3 3建立模糊控制规则及去模糊化 .模糊控制器控制规则的设计原则是： a当误差较大时， .控制量变化使误差迅速减小；

I I器传 器圈器圈器感I感l感I感I传圆 器圆 l 感l圈 l传传 I传图 3硬件系统结构图

b。当误差较小时，防止系统产生不必要的要

5系统仿真与实施

超调及振荡，保证系统的稳定性。 根据以上设计原则确定控制规则如下：a .当 C O浓度低于 1 2×1且 C . 0 O浓度变

设置钾生产车间 C O浓度为 1 2X1 . 0一、干扰

信号的幅值为 0限幅器参数值为 15×1、 . 0一，延迟 6 s仿真时间 5 s,别运用模糊控制、 I 0, k J分 PD

化率较小时， O控制系统只作换气处理； C b当C . O浓度低于 1 2×1。但 C . 0 O浓度变

控制和模糊 PD复合控制 3种控制方式对该环境 I监控系统进行仿真和试验，比

较了控制效果。并 分析仿真结果可知，糊 PD复合控制的输出经模 I过短暂振荡后稳定在低于 12×1的范围内， . 0 达到了 C O浓度调节的目标。几种控制方式结果的比较：糊 PD复合控制方法对 C浓度控制模 I O

化率较大时，做换气处理的同时启动除 C O装置； c .当 C O浓度高于 12X1时， . 0做换气处

理的同时启动除 C O装置，根据具体的 C O浓度值和C O浓度变化率控制风机风量及换气扇风量。

在总结实际运行经验的基础上进行归纳和分析，可确定 C O浓度的模糊控制状态表 ( 2,表 )模糊控制表的产生采用玛达尼推理法 (大极小推极

的下降速度比 PD控制快，性能较好， I动态但仍有振荡且稳态误差较大的现象；传统 PD控制由于 I系统本身具有较大的时滞性，导致控制系统波动较大，响应速度缓慢而且超调量较大，易导致系统

理法 )对于模糊控制的输出还需变换到精确的，控制量 (即去模糊化 )去模糊化的方法采用重一， t D法。

的不稳定；模糊和 PD结合控制系统的超调小、 I调节速度快、稳态误差小，制效果优于单一的 PD控 I

表 2模糊控制状态表

和模糊控制。 在试验调试阶段，间环境监控系统控制效车果较好，曲线如图 4所示，控制量变化较为平稳，

工作环境的空气质量完全符合国标，但仍有执行NB

NSZ E P SP B

机构频繁动作这一缺陷。在以后的系统运行中积累更多数据进行分析并加以改进。

4系统硬件

车间环境监控系统 ( 3依托之前的金属钾图 )生产线 D S监控系统，位机选用 8— 0 L C下 72 P C, 0 S—0 P C通过 C 2 32块接入 A .执行器级 72 0 L P4—模 Si

总线与传感器和执行器连接。P C和上位机之间 L

采用工业以太网通信。￥-0过 C 231模块 720通 P4—与以太网连接。系统操作站和服务器之间采用标

图 4某阶段监控曲线

第 7期

刘慧玲等 .基于模糊 PD复合控制的化工生产环境监控系统 I

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6结束语

釜温度串级 PD控制[]化工自动化及仪表， I J.21 3( 0 0,7 3):8~4 3 2.

将模糊 P

D复合控制系统用于车间环境质量 I监控，动态性能明显优于传统 PD控制，其 I特别是在抗干扰、制精度和无超调等方面具有一定的控优势。经仿真和实际运行证明，系统具有完善该的报警和安全联锁措施，现了制钾车间环境控实

张铭钧 .能控制技术[ .尔滨：智 M]哈哈尔滨工程大学出版社，0 6 20 .LiD, n W , M La C Zho H e 1 u ta .Ap lc to fFu z p iain o z y Dic ee Ev n se i rCo iin n e g a - s r t e tSy tm n Ai nd t i g En ry v- o s

ig J .ora o D n haU i ri,0 9 2 4: n[] Jun l f ogu nv sy 20,6( ) e t3 0—3 5. 5 5

制系统的自动化、能化，完全满足控制精度智并高、抗干扰能力强等要求，化了工人的工作环优境。

谢森林，王钦若，杜玉晓.能控制方法在反应釜温智度控制中的运用[]自动化仪表，0 8 2 ( ) 1 J. 20,9 8:5~

1 8.

参

考

文

献

张用伟.间温度模糊 PD控制研究[]中国科技房 I J.信息，0 0 ( ) 13一l4 2 1,2:4 4. 张志涌.精通 M T A .[ . A L B6 5 M]北京：北京航空航天大学出版社，0 3 5 6~ 7 . 20:7 57

梁竹君，丽.境监控技术在设施农业中的应用武环[]安徽农业科学，0 9 3 (6:62— 6 3 J. 20,7 1 )7 7 77 . []刘克维， 2李少远，郑毅 .基于模糊逻辑的微乳液搅拌1J 1J 1J 1J 1J

De in o e c lE v r n sg fCh mia n i me tMo i r g S s e o n nt i y t m o n Ba e n F z y PI n r l s d o u z Co to DL U il g,W ANG ifn,L U n—i g I Hu—i n Hu—e I Ti g tn( colfMeh n a n i ei, aj g U i rt o Si c n e nl y N n n 10 4 C i ) Sho o cai l gn r g N nn n e i c neadTc o g, af g2 0 9, hn c E e n i v s

yf e h o i aAb t c A f zy P D c mp st o t l rwa e e o e o i r v h o a su p o u t n e vr n n s r t u z I o o i c n r l s d v lp d t mp o e t e p ts i m r d ci n i me t a e oe o oa d o t z he o r to n p i e t pea in. T o to ta e y fr n wl d sg e o to lr i a al lwi y i a u z mi he c nr l sr tg o e y- e in d c n r l n p rle t a tp c lf z y e h

c n rl r a e n t e e r rsz mp e n e c a g— v rb t e I o t l n u z o t 1 i l— o t l s so h r iet i lme t h h n e o e ewe n P D c n r d f z y c n r .S mu a oe b o o t o a o t n a d e p r n a e u t b t r v h a i i fi r vn o t l r c s n i n x ei o me tlr s l o h p o e t e v l t o s dy mp o ig c n r e i o . o p i

K y wod c e ia pou t n e v omet o i r g ss m,fz I o t l r r jdmet e rs h m cl rd c o ni n n,m nt i yt i r on e uz PD cnr,er u g n y o o ◆ _◆ _. -◆ -◆。+ -+ -◆ _◆ -◆ -◆。 .- - o .◆ m◆ _. -◆◆一◆ -. -◆ -- - o -+ _. _- t-_. -+◆ -- -+ . o-◆’◆’

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