袁清萍

摘要：為了得到較高純度的二甲基甲酰胺（DMF），針對DMF回收系統(tǒng)參數特性，提出一種壓力、流量的單閉環(huán)控制系統(tǒng)和精餾塔串級溫度控制方案。單閉環(huán)控制系統(tǒng)由上位機、PLC、壓力傳感器、流量計和電動閥組成。精餾塔溫度串級控制系統(tǒng)中，主環(huán)是模糊自適應PID溫度控制，副環(huán)是常規(guī)PI流量控制?，F場測試及仿真結果表明，FM355C閉環(huán)控制和模糊自適應PID串級控制具有良好的穩(wěn)定性、響應快和超調量小的特性。

關鍵詞：DMF回收控制；FM355C；模糊自適應PID；串級控制

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2014）01-0046-05

在濕法合成樹脂生產線或其他化工產品生產線中，二甲基甲酰胺（DMF）溶在水中，作為廢水排出會給生態(tài)環(huán)境造成嚴重的危害。同時，廢液中的DMF作為重要原料和優(yōu)良溶劑被化工生產過程大量使用[1]。因此生產線排出的DFM廢液需要進行專門的回收處理。

DMF回收工藝一般采用一級濃縮塔、二級濃縮塔和精餾塔三塔蒸餾的方法得到較高純度的DMF。回收工藝中，濃縮塔的壓力、出料流量和精餾塔的溫度對產品質量起到關鍵的作用。濃縮塔的結構比較簡單，采用常規(guī)的PID控制即可達到工藝控制要求，而精餾塔是一類具有非線性及參數時變性的控制對象，用常規(guī)的控制方法很難達到控制要求。

針對精餾塔參數特點，本文提出一個精餾塔溫度模糊自適應PID串級控制方案。在主控制器設計中，將PID控制方法引入模糊控制器，運用模糊推理，自動實現對PID參數Kp、Ki和Kd的最佳調整，從而使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)特性。

1壓力、流量閉環(huán)控制設計

11控制方案設計

以FM355C為控制中心的濃縮塔壓力、出料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1所示，圖中的虛線部分是由FM355C實現， 包括信號采集、 控制器設定、 輸出回路三個子回路。 FM355C模塊中共有4個控制通道， 每個通道可以單獨工作， 因此本系統(tǒng)只需要一塊FM355C模塊即可。 設定控制通道1為一級濃縮塔壓力控制， 控制范圍為-100～0 kPa； 通道2為一級濃縮塔出料流量控制，控制范圍為0～20 m3/h；通道3為二級濃縮塔壓力控制，控制范圍為-100～0 kPa；通道4為二級濃縮塔出料流量控制，控制范圍為0～12 m3/h。

圖1FM355C閉環(huán)控制框圖

檢測元件將被控量實際值PV測量轉換為4～20 mA電流信號，該模擬信號通過AO5041輸入安全柵接至FM355C的輸入端。壓力、流量模擬信號進入FM355C經過A/D轉換、放大、濾波和標準化與設定值相減計算出偏差值，再經過控制運算將結果輸出，輸出信號經AO5045輸出安全柵輸出到實際控制器上。

控制器輸出有兩種，一種輸出到變頻器，變成變頻器輸出的頻率，來控制電機的運轉；另一種是輸出到閥門，通過輸出值來控制閥門的實際開度。系統(tǒng)中，一級和二級濃縮塔的壓力控制是由真空調節(jié)閥來調節(jié)，當塔頂壓力升高，減小真空調節(jié)閥的閥位；壓力降低，加大真空調節(jié)閥的閥位。兩濃縮塔的出料流量由變頻器輸出頻率控制，當出料流量升高，減小變頻器輸出頻率；出料流量降低，增大變頻器輸出頻率。

12控制算法分析

FM355C閉環(huán)控制模塊提供兩種控制器算法：溫度控制器、帶死區(qū)的PID-action控制器。根據現場環(huán)境和客戶需求，本系統(tǒng)選用帶死區(qū)的PID控制運算。PID控制為3個環(huán)節(jié)疊加，動作規(guī)律為

PID控制器將輸入變量ER按比例映射至輸出信號，并添加通過對ER差分和積分生成的組件，該差分和積分是按照梯形法則使用雙精度計算得出。FM355C閉環(huán)控制模塊PID作用控制器的等式為

當控制器穩(wěn)定時，死區(qū)可抑制負偏差信號中的噪聲，從而避免不必要的控制器輸出振動。

13PID程序模塊配置

FM355C模塊的參數設置是以STEP7為平臺，安裝FM355C軟件包后，在STEP7硬件組態(tài)中對其進行設置即可。根據用戶提供的控制器PID參數以及實驗結果，一級濃縮塔壓力、出料流量PID參數均設定：Kp=3，TI=100，TD=20；二級濃縮塔壓力PID參數設定：Kp=3，TI=100，TD=20；出料流量PID參數設定：Kp=5，TI=100，TD=20。

采用FM355C程序進行PID算法控制，算法函數為了方便調用采用結構化編寫封裝在FB31（FM355CPID控制程序功能塊）中，模塊通道參與模擬量采集、控制和輸出。每個通道進行模擬量處理時需要調用FB31，程序執(zhí)行過程中還需要配合功能塊的背景數據中的參數來執(zhí)行不同的控制方案[2]。本系統(tǒng)用了一塊FM355C模塊，背景數據塊按順序和通道命名為DB11、DB12、DB13、DB14，FM355C PID功能塊的背景數據塊共44個字節(jié)，調用時對背景數據塊參數中函數形參賦值，賦值后FB31進行運算并給出輸出來控制被控對象，從而形成一個閉環(huán)控制。

背景數據塊部分參數如表1所示。數據塊中，地址為564的參數為一個布爾量，內容決定了系統(tǒng)的手動/自動狀態(tài)，地址為520的實型數據代表計算外部輸出。當手動/自動狀態(tài)為自動時，系統(tǒng)利用PID算法計算輸出，并寫在DB塊中，當手動/自動狀態(tài)為手動時，功能塊中程序會自動切掉PID算法計算部分，只運行采集信號部分，而輸出直接由DB塊中外部輸出值給定，即手動輸出。

2溫度模糊PID串級控制

21串級控制系統(tǒng)結構

精餾塔工藝要求溫度偏差為±5 ℃，而在生產過程中，回流系統(tǒng)會有劇烈的壓力波動，若采用常規(guī)單閉環(huán)控制難以適應被控對象動態(tài)特性的改變，控制品質欠佳。鑒于此，提出一種模糊自適應PID串級控制系統(tǒng)（見圖2）。

圖2精餾塔溫度串級控制結構圖

串級溫度控制系統(tǒng)采用兩套測量變送和控制器。副環(huán)為回流流量自穩(wěn)定系統(tǒng)，采用常規(guī)PI調節(jié)規(guī)律，根據回流流量信號控制回流調節(jié)閥，這樣就可以在回流罐內壓力有波動的情況下，仍能保持回流流量穩(wěn)定。副環(huán)的二次擾動為系統(tǒng)的主要干擾，該擾動量來自冷卻劑的壓力變化。當副環(huán)中有擾動發(fā)生，由于有副環(huán)控制回路的存在，回流調節(jié)閥能及時地調節(jié)，從而快速消除擾動的影響[3]。主控制器為溫度控制系統(tǒng)，采用模糊自適應PID控制規(guī)律，它根據精餾塔溫度來改變回流罐流量給定值，從而保證在發(fā)生進料方面的擾動的情況下，仍能保持塔溫度滿足要求。

22模糊PID控制器設計

模糊PID控制器由模糊推理參數校正部分和常規(guī)PID控制部分組成，運行中通過不斷檢測偏差絕對值e和偏差變化率絕對值ec，進行模糊運算，對PID三個參數進行在線修改，從而使系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)性能[4]。模糊控制器的輸入變量為偏差e和偏差變化率ec，PID參數調整值ΔKP、ΔKi、ΔKd為模糊控制器的輸出。模糊PID控制周期的KP、Ki、Kd，公式為

確定模糊規(guī)則后，運用最大隸屬度法對整定的三個參數進行去模糊化，從而得到輸出量的精確值。

3實驗及仿真結果

31壓力、流量閉環(huán)控制實驗結果

本系統(tǒng)中，壓力和流量的工藝控制界面采用組態(tài)王軟件進行設計，控制器界面如圖3所示。

圖3PID控制器界面

SP為模擬量的設定值（期望值），PV為控制量的過程值，P、I、D為參與輸出運算的PID算法的參數值，OP為系統(tǒng)輸出值，左下角顯示手自動操作按鈕，直接與PLC的 DB塊聯通控制FM355C功能塊的運作。自動狀態(tài)下，PID算法參與控制，輸出為經算法后自動生成的內部輸出，外部輸出顯示隱藏；手動狀態(tài)下，PID算法被隔離，系統(tǒng)直接輸出外部輸出（即手動輸入的輸出），內部輸出顯示隱藏。自動狀態(tài)下，P、I、D參數可修改，手動狀態(tài)下OP值可修改，SP手自動狀態(tài)下均可修改。

為了便于工作人員實時觀測到現場壓力和流量控制值，在組態(tài)王中將以儀表總貌的形式呈現控制值（見圖4）。

圖4壓力監(jiān)測畫面

32模糊PID控制器仿真研究

模糊自適應PID串級控制中，以精餾塔溫度為主變量，回流罐流量為副變量的串級控制系統(tǒng)。理想條件下，回流模塊的傳遞函數可表示為一階慣性環(huán)節(jié)：

Gp1（s）=K1T1s+1 （4）

式中：K1為系統(tǒng)放大倍數；T1為系統(tǒng)時間常數；本系統(tǒng)中，取K1=3，T1=10。

實際工程中，精餾塔是一個具有非線性和參數時變的受控對象，使得傳遞函數不易獲取。但在一定理想化條件下，可根據傳遞函數矩陣的理論推導出精餾塔溫度控制通道的傳遞函數表示為[8]

GP2（s）=KaTas+1e-τs （5）

式中：Ka為放大倍數；Ta為慣性時間；τ為滯后時間。

串級系統(tǒng)中，副調節(jié)器PI參數設定為Kp=10， Ki=1/33， 主調節(jié)器初始參數設定為Kp=0294， Ki=1/60，Kp=20。工況1：τ=30，Ka=8，Ta=60；工況2：τ=30，Ka=10，Ta=75，分別對串級控制和簡單回路控制進行仿真比較，驗證系統(tǒng)的魯棒性能（見圖5）。

t/s

單回路控制：1. 工況1；2. 工況2

串級控制：3. 工況1；4. 工況2

圖5系統(tǒng)魯棒性能對比

由仿真結果可以看出，串級控制的控制效果明顯優(yōu)于單回路控制。為分析串級系統(tǒng)的抗干擾性能，在串級控制系統(tǒng)的副控制回路加入擾動信號，抗干擾特性曲線如圖6所示。對比兩條曲線可知，在相同干擾作用下，串級控制系統(tǒng)的超調明顯比等效的簡單控制系統(tǒng)要小的多，可見串級控制系統(tǒng)對二次干擾具有很好的抑制能力。

t/s

圖6抗干擾特性

4結束語

本文設計的FM355C壓力、流量閉環(huán)控制，經現場測試，系統(tǒng)具有響應速度快，調節(jié)精度高的特性。MATLAB仿真結果表明，模糊自適應PID串級精餾塔溫度控制方案具有超調小、無振蕩、控制精度高的特點，該控制方案可以實現較為準確的溫度控制要求。

參考文獻：

[1]楊德明，郭新連.多效精餾回收DMF工業(yè)的研究[J].計算機與應用化學，2008，25（10）：2-5.

[2]潘峰，劉紅兵.西門子PLC控制技術實踐[M].北京：中國電力出版社，2009：2.

[3]梁昭峰，李 兵，裴旭東.過程控制工程[M].北京：北京理工大學出版社，2010：8.

[4]范衛(wèi)剛， 袁冬莉. 基于模糊自適應PID的無人機縱向姿態(tài)控制研究[J]. 計算機測量與控制， 2011， 19（3）： 586-588.

[5]諸 靜.智能預測控制及其應用[M].杭州：浙江大學出版社，2003：11.

[6]溫陽東，高震宇，劉思邦.基于模糊控制的總線型溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].合肥工業(yè)大學學報：自然科學版， 2010，9（33）：1 325-1 328.

[7]王建平，邵威，金鐵江.基于自適應PID控制器及其在電子萬能試驗機中的應用[J]. 合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2009，9（32）：1 343-1 347.

[8]黃克謹，錢積新，孫優(yōu)賢，等.一種精餾塔傳遞函數矩陣的理論推導方法[J].浙江大學學報：自然科學版，1994，28（3）：253-261.

（責任編輯：何學華，吳曉紅）

串級溫度控制系統(tǒng)采用兩套測量變送和控制器。副環(huán)為回流流量自穩(wěn)定系統(tǒng)，采用常規(guī)PI調節(jié)規(guī)律，根據回流流量信號控制回流調節(jié)閥，這樣就可以在回流罐內壓力有波動的情況下，仍能保持回流流量穩(wěn)定。副環(huán)的二次擾動為系統(tǒng)的主要干擾，該擾動量來自冷卻劑的壓力變化。當副環(huán)中有擾動發(fā)生，由于有副環(huán)控制回路的存在，回流調節(jié)閥能及時地調節(jié)，從而快速消除擾動的影響[3]。主控制器為溫度控制系統(tǒng)，采用模糊自適應PID控制規(guī)律，它根據精餾塔溫度來改變回流罐流量給定值，從而保證在發(fā)生進料方面的擾動的情況下，仍能保持塔溫度滿足要求。

22模糊PID控制器設計

模糊PID控制器由模糊推理參數校正部分和常規(guī)PID控制部分組成，運行中通過不斷檢測偏差絕對值e和偏差變化率絕對值ec，進行模糊運算，對PID三個參數進行在線修改，從而使系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)性能[4]。模糊控制器的輸入變量為偏差e和偏差變化率ec，PID參數調整值ΔKP、ΔKi、ΔKd為模糊控制器的輸出。模糊PID控制周期的KP、Ki、Kd，公式為

確定模糊規(guī)則后，運用最大隸屬度法對整定的三個參數進行去模糊化，從而得到輸出量的精確值。

3實驗及仿真結果

31壓力、流量閉環(huán)控制實驗結果

本系統(tǒng)中，壓力和流量的工藝控制界面采用組態(tài)王軟件進行設計，控制器界面如圖3所示。

圖3PID控制器界面

SP為模擬量的設定值（期望值），PV為控制量的過程值，P、I、D為參與輸出運算的PID算法的參數值，OP為系統(tǒng)輸出值，左下角顯示手自動操作按鈕，直接與PLC的 DB塊聯通控制FM355C功能塊的運作。自動狀態(tài)下，PID算法參與控制，輸出為經算法后自動生成的內部輸出，外部輸出顯示隱藏；手動狀態(tài)下，PID算法被隔離，系統(tǒng)直接輸出外部輸出（即手動輸入的輸出），內部輸出顯示隱藏。自動狀態(tài)下，P、I、D參數可修改，手動狀態(tài)下OP值可修改，SP手自動狀態(tài)下均可修改。

為了便于工作人員實時觀測到現場壓力和流量控制值，在組態(tài)王中將以儀表總貌的形式呈現控制值（見圖4）。

圖4壓力監(jiān)測畫面

32模糊PID控制器仿真研究

模糊自適應PID串級控制中，以精餾塔溫度為主變量，回流罐流量為副變量的串級控制系統(tǒng)。理想條件下，回流模塊的傳遞函數可表示為一階慣性環(huán)節(jié)：

Gp1（s）=K1T1s+1 （4）

式中：K1為系統(tǒng)放大倍數；T1為系統(tǒng)時間常數；本系統(tǒng)中，取K1=3，T1=10。

實際工程中，精餾塔是一個具有非線性和參數時變的受控對象，使得傳遞函數不易獲取。但在一定理想化條件下，可根據傳遞函數矩陣的理論推導出精餾塔溫度控制通道的傳遞函數表示為[8]

GP2（s）=KaTas+1e-τs （5）

式中：Ka為放大倍數；Ta為慣性時間；τ為滯后時間。

串級系統(tǒng)中，副調節(jié)器PI參數設定為Kp=10， Ki=1/33， 主調節(jié)器初始參數設定為Kp=0294， Ki=1/60，Kp=20。工況1：τ=30，Ka=8，Ta=60；工況2：τ=30，Ka=10，Ta=75，分別對串級控制和簡單回路控制進行仿真比較，驗證系統(tǒng)的魯棒性能（見圖5）。

t/s

單回路控制：1. 工況1；2. 工況2

串級控制：3. 工況1；4. 工況2

圖5系統(tǒng)魯棒性能對比

由仿真結果可以看出，串級控制的控制效果明顯優(yōu)于單回路控制。為分析串級系統(tǒng)的抗干擾性能，在串級控制系統(tǒng)的副控制回路加入擾動信號，抗干擾特性曲線如圖6所示。對比兩條曲線可知，在相同干擾作用下，串級控制系統(tǒng)的超調明顯比等效的簡單控制系統(tǒng)要小的多，可見串級控制系統(tǒng)對二次干擾具有很好的抑制能力。

t/s

圖6抗干擾特性

4結束語

本文設計的FM355C壓力、流量閉環(huán)控制，經現場測試，系統(tǒng)具有響應速度快，調節(jié)精度高的特性。MATLAB仿真結果表明，模糊自適應PID串級精餾塔溫度控制方案具有超調小、無振蕩、控制精度高的特點，該控制方案可以實現較為準確的溫度控制要求。

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[6]溫陽東，高震宇，劉思邦.基于模糊控制的總線型溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].合肥工業(yè)大學學報：自然科學版， 2010，9（33）：1 325-1 328.

[7]王建平，邵威，金鐵江.基于自適應PID控制器及其在電子萬能試驗機中的應用[J]. 合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2009，9（32）：1 343-1 347.

[8]黃克謹，錢積新，孫優(yōu)賢，等.一種精餾塔傳遞函數矩陣的理論推導方法[J].浙江大學學報：自然科學版，1994，28（3）：253-261.

（責任編輯：何學華，吳曉紅）

串級溫度控制系統(tǒng)采用兩套測量變送和控制器。副環(huán)為回流流量自穩(wěn)定系統(tǒng)，采用常規(guī)PI調節(jié)規(guī)律，根據回流流量信號控制回流調節(jié)閥，這樣就可以在回流罐內壓力有波動的情況下，仍能保持回流流量穩(wěn)定。副環(huán)的二次擾動為系統(tǒng)的主要干擾，該擾動量來自冷卻劑的壓力變化。當副環(huán)中有擾動發(fā)生，由于有副環(huán)控制回路的存在，回流調節(jié)閥能及時地調節(jié)，從而快速消除擾動的影響[3]。主控制器為溫度控制系統(tǒng)，采用模糊自適應PID控制規(guī)律，它根據精餾塔溫度來改變回流罐流量給定值，從而保證在發(fā)生進料方面的擾動的情況下，仍能保持塔溫度滿足要求。

22模糊PID控制器設計

模糊PID控制器由模糊推理參數校正部分和常規(guī)PID控制部分組成，運行中通過不斷檢測偏差絕對值e和偏差變化率絕對值ec，進行模糊運算，對PID三個參數進行在線修改，從而使系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)性能[4]。模糊控制器的輸入變量為偏差e和偏差變化率ec，PID參數調整值ΔKP、ΔKi、ΔKd為模糊控制器的輸出。模糊PID控制周期的KP、Ki、Kd，公式為

確定模糊規(guī)則后，運用最大隸屬度法對整定的三個參數進行去模糊化，從而得到輸出量的精確值。

3實驗及仿真結果

31壓力、流量閉環(huán)控制實驗結果

本系統(tǒng)中，壓力和流量的工藝控制界面采用組態(tài)王軟件進行設計，控制器界面如圖3所示。

圖3PID控制器界面

SP為模擬量的設定值（期望值），PV為控制量的過程值，P、I、D為參與輸出運算的PID算法的參數值，OP為系統(tǒng)輸出值，左下角顯示手自動操作按鈕，直接與PLC的 DB塊聯通控制FM355C功能塊的運作。自動狀態(tài)下，PID算法參與控制，輸出為經算法后自動生成的內部輸出，外部輸出顯示隱藏；手動狀態(tài)下，PID算法被隔離，系統(tǒng)直接輸出外部輸出（即手動輸入的輸出），內部輸出顯示隱藏。自動狀態(tài)下，P、I、D參數可修改，手動狀態(tài)下OP值可修改，SP手自動狀態(tài)下均可修改。

為了便于工作人員實時觀測到現場壓力和流量控制值，在組態(tài)王中將以儀表總貌的形式呈現控制值（見圖4）。

圖4壓力監(jiān)測畫面

32模糊PID控制器仿真研究

模糊自適應PID串級控制中，以精餾塔溫度為主變量，回流罐流量為副變量的串級控制系統(tǒng)。理想條件下，回流模塊的傳遞函數可表示為一階慣性環(huán)節(jié)：

Gp1（s）=K1T1s+1 （4）

式中：K1為系統(tǒng)放大倍數；T1為系統(tǒng)時間常數；本系統(tǒng)中，取K1=3，T1=10。

實際工程中，精餾塔是一個具有非線性和參數時變的受控對象，使得傳遞函數不易獲取。但在一定理想化條件下，可根據傳遞函數矩陣的理論推導出精餾塔溫度控制通道的傳遞函數表示為[8]

GP2（s）=KaTas+1e-τs （5）

式中：Ka為放大倍數；Ta為慣性時間；τ為滯后時間。

串級系統(tǒng)中，副調節(jié)器PI參數設定為Kp=10， Ki=1/33， 主調節(jié)器初始參數設定為Kp=0294， Ki=1/60，Kp=20。工況1：τ=30，Ka=8，Ta=60；工況2：τ=30，Ka=10，Ta=75，分別對串級控制和簡單回路控制進行仿真比較，驗證系統(tǒng)的魯棒性能（見圖5）。

t/s

單回路控制：1. 工況1；2. 工況2

串級控制：3. 工況1；4. 工況2

圖5系統(tǒng)魯棒性能對比

由仿真結果可以看出，串級控制的控制效果明顯優(yōu)于單回路控制。為分析串級系統(tǒng)的抗干擾性能，在串級控制系統(tǒng)的副控制回路加入擾動信號，抗干擾特性曲線如圖6所示。對比兩條曲線可知，在相同干擾作用下，串級控制系統(tǒng)的超調明顯比等效的簡單控制系統(tǒng)要小的多，可見串級控制系統(tǒng)對二次干擾具有很好的抑制能力。

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圖6抗干擾特性

4結束語

本文設計的FM355C壓力、流量閉環(huán)控制，經現場測試，系統(tǒng)具有響應速度快，調節(jié)精度高的特性。MATLAB仿真結果表明，模糊自適應PID串級精餾塔溫度控制方案具有超調小、無振蕩、控制精度高的特點，該控制方案可以實現較為準確的溫度控制要求。

參考文獻：

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[8]黃克謹，錢積新，孫優(yōu)賢，等.一種精餾塔傳遞函數矩陣的理論推導方法[J].浙江大學學報：自然科學版，1994，28（3）：253-261.

（責任編輯：何學華，吳曉紅）