郭利進 井海明 宋英利 何西碩

(天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，天津 300387)

基于模糊自適應(yīng)PID的回轉(zhuǎn)爐溫度控制系統(tǒng)

郭利進 井海明 宋英利 何西碩

(天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，天津 300387)

針對回轉(zhuǎn)爐溫度控制的滯后性、強耦合性等特點，設(shè)計基于模糊自適應(yīng)PID控制算法的回轉(zhuǎn)爐溫度控制系統(tǒng)。給出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與控制器設(shè)計方法。Matlab仿真實驗結(jié)果證明：與傳統(tǒng)PID控制相比，基于模糊自適應(yīng)PID的回轉(zhuǎn)爐溫度控制系統(tǒng)具有更好的動態(tài)調(diào)節(jié)性能，滿足控制需求。

溫度控制系統(tǒng) 回轉(zhuǎn)爐 模糊自適應(yīng)PID Matlab S7-300 PLC

回轉(zhuǎn)爐是實驗室或工廠生產(chǎn)催化劑普遍應(yīng)用的焙燒設(shè)備[1,2]，其溫度控制的滯后性和強耦合性、控制器的反應(yīng)動作與被控對象的狀態(tài)變化存在時差，被控變量不能及時反映系統(tǒng)受到的擾動，導(dǎo)致產(chǎn)生超調(diào)，系統(tǒng)控制穩(wěn)定性變差，調(diào)節(jié)時間變長，甚至出現(xiàn)振蕩和發(fā)散現(xiàn)象[3,4]。傳統(tǒng)的PID控制器憑借結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、自動調(diào)節(jié)快和魯棒性好的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)催化劑生產(chǎn)中。然而，隨著大滯后、無法預(yù)知精確模型、具有強非線性的被控對象的增多，科技水平的提升，催化劑生產(chǎn)控制精度要求的提高和干擾因素的增多，導(dǎo)致單一的傳統(tǒng)PID控制器已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)要求。為提高PID控制器的適應(yīng)性，研究人員開始采用智能算法不斷地對它進行改進和優(yōu)化。韓沛等在PID控制器的基礎(chǔ)上提出了自適應(yīng)控制技術(shù)，改善了對被控對象模型的自動辨識、PID參數(shù)的自整定和有干擾時的快速調(diào)整[5]。針對回轉(zhuǎn)爐溫度控制系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)的特點和控制要求[6]，筆者提出將模糊自適應(yīng)PID控制算法應(yīng)用于回轉(zhuǎn)爐爐膛溫度控制系統(tǒng)中，完成對原料焙燒過程的控制，保證系統(tǒng)控制精度、生產(chǎn)過程的安全性及生產(chǎn)質(zhì)量等。

1 回轉(zhuǎn)爐溫度控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工藝分析

回轉(zhuǎn)爐溫度控制系統(tǒng)(圖1)主要包括給料機、卸料機、引風(fēng)機、鼓風(fēng)機、傳送機、焙燒廂、相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥、溫度壓力變送器、現(xiàn)場儀表及冷卻回收裝置等。

回轉(zhuǎn)爐溫度控制系統(tǒng)的滯后性普遍存在，其過程響應(yīng)曲線如圖2所示。其中τ為純滯后時間，T為慣性時間常數(shù)。用τ/T判定純滯后程度[7]，當(dāng)τ/T>0.3時，認(rèn)定該工藝過程是大滯后系統(tǒng)。隨著τ/T的增加，系統(tǒng)的相位滯后也不斷增加，此時系統(tǒng)會出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，進而引起穩(wěn)定性降低，甚至危及設(shè)備和人身安全，造成生產(chǎn)事故。

圖2 回轉(zhuǎn)爐溫度控制系統(tǒng)的過程響應(yīng)曲線

1.2回轉(zhuǎn)爐焙燒原理

回轉(zhuǎn)爐采用多段式加熱方式增強熱傳導(dǎo)和熱輻射的作用[8]，并以天燃氣為燃燒能源，對粉末狀催化劑和原料進行焙燒。通過程控器控制點火系統(tǒng)，采用二級點火方案，先建立小火，當(dāng)火焰探測器檢測到火焰后，給控制器一個反饋信號，通過調(diào)節(jié)天然氣和空氣的通入量來建立大火。當(dāng)設(shè)定溫度改變時，控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)伺服電機從而調(diào)節(jié)天然氣和助燃氣的閥門開度，控制回轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)溫度達到設(shè)定值。鼓風(fēng)機不斷地提供助燃氣并在開機和停機階段進行吹掃，以吹走爐膛內(nèi)的混合氣體，清除安全隱患。通過引風(fēng)機抽出燃燒后的煙氣，防止?fàn)t膛內(nèi)壓力過高而產(chǎn)生的安全隱患。此外，冷卻系統(tǒng)能有效平衡爐膛內(nèi)的焙燒溫度，避免溫度過高帶來的安全隱患。

2 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

回轉(zhuǎn)爐溫度控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。系統(tǒng)以S7-300 PLC為控制器，配備冗余電源模塊和CPU，保證系統(tǒng)的安全運行。上位機WinCC通過TCP/IP通信協(xié)議和工業(yè)交換機[9]與控制器通信。WinCC負責(zé)全程生產(chǎn)過程監(jiān)視、遠程控制設(shè)備、數(shù)據(jù)處理、爐膛溫度實時顯示、報警記錄及制作報表等功能。系統(tǒng)通過Modbus通信模塊實現(xiàn)控制器與DCS的通信和遠程分布式控制。

圖3 回轉(zhuǎn)爐溫度控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

3 模糊自適應(yīng)PID控制器

3.1模糊自適應(yīng)PID控制原理

模糊控制是以模糊集合理論、模糊邏輯推理和模糊語言變量為基礎(chǔ)的計算機數(shù)字控制[10,11]。利用模糊集合理論將專家知識或操作人員經(jīng)驗形成模糊控制規(guī)則，不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，設(shè)計簡單，適用于動態(tài)性能不易掌握的復(fù)雜控制系統(tǒng)。采用負反饋結(jié)構(gòu)，將誤差和誤差微分作為模糊推理的輸入，利用由IF-THEN規(guī)則組成的知識庫語言設(shè)計和修正控制算法[12]。將模糊控制與PID反饋控制結(jié)合，構(gòu)成模糊自適應(yīng)PID控制，其結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4 模糊自適應(yīng)PID控制結(jié)構(gòu)原理

其中，給定值為系統(tǒng)設(shè)定值；e、ec分別為系統(tǒng)誤差和誤差微分，都為精確值；E、EC分別為系統(tǒng)誤差和誤差微分的模糊化語言變量；u為模糊控制器輸出的PID參數(shù)。

3.2模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計

模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計過程為：設(shè)定值與反饋值的誤差e和誤差微分ec作為輸入語言變量[13]，比例系數(shù)增量ΔKp、積分時間增量ΔTi和微分時間增量ΔTd作為輸出語言變量；將輸入輸出變量模糊化，輸入變量e、ec和輸出變量ΔKp、ΔTi、ΔTd的模糊集合都取7個模糊狀態(tài)，分別為負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。e、ec、ΔKp、ΔTi和ΔTd的論域都劃分為13級，為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；輸入變量選擇高斯型隸屬度函數(shù)，輸出變量選擇三角形隸屬度函數(shù)[11]。根據(jù)現(xiàn)場對回轉(zhuǎn)爐溫度控制系統(tǒng)的實際操作經(jīng)驗，確定ΔKp、ΔTi、ΔTd的模糊控制規(guī)則見表1～3。圖5為模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計流程。

表1 ΔKp模糊控制規(guī)則

表2 ΔTi模糊控制規(guī)則

表3 ΔTd模糊控制規(guī)則

圖5 模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計流程

4 Matlab仿真與結(jié)果分析

Matlab提供了非常方便的模糊推理系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試的圖形用戶界面，它包含的Simulink工具提供了方便的控制系統(tǒng)仿真調(diào)試平臺[14,15]。仿真時間設(shè)為5 000s，在3 000s時加入擾動，回轉(zhuǎn)爐焙燒溫度設(shè)為1 000℃，計算選擇固定步長為1的ode5算法。

圖6 傳統(tǒng)PID控制算法的回轉(zhuǎn)爐溫度控制仿真結(jié)果

圖7 模糊自適應(yīng)PID控制算法的回轉(zhuǎn)爐溫度控制仿真結(jié)果

不同控制算法下的系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)見表4。模糊自適應(yīng)PID控制算法比傳統(tǒng)PID控制算法在調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量方面均有著絕對優(yōu)勢。

表4 動態(tài)性能指標(biāo)

5 結(jié)束語

筆者將模糊自適應(yīng)PID控制算法應(yīng)用于回轉(zhuǎn)爐溫度控制系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)PID控制算法下的系統(tǒng)性能相比，改善了回轉(zhuǎn)爐溫度控制的滯后性，使系統(tǒng)具有更好的動態(tài)性能和調(diào)節(jié)性能，保證了系統(tǒng)的可操作性、可靠性和先進性，具有調(diào)節(jié)速度快、無超調(diào)及抗干擾性強等特點。

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RotaryFurnaceControlSystemBasedonFuzzyAdaptivePID

GUO Li-jin, JING Hai-ming, SONG Ying-li,HE Xi-shuo

(CollegeofElectricalEngineeringandAutomation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

Considering hysteresis and strong coupling in the rotary furnace temperature control, the fuzzy adaptive PID control algorithm-based rotary furnace control system was designed and the system’s structure, working principle, network structure and controller design method were presented. Matlab simulation results show that, compared to the conventional PID control, this control system has better dynamic regulation performance and can satisfy the control requirements.

temperature control system, rotary furnace, fuzzy adaptive PID, Matlab, S7-300PLC

TH862

A

1000-3932(2016)11-1125-05

2016-05-11

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)項目(15JCYBJC47800)