模糊PID在加热器温控系统中的应用

模糊 PID在加热器温控系统中的应用 王春艳 (山东省工会管理干部学院教务处，济南 250100) 摘 要 针对加热器出口温度具有滞后性、非线性、时变性及精确模型难以建立等特点，提出了一 种模糊 PID温度控制系统设计方案，它将常规 PID控制和模糊控制二者优点相结合，利用模糊控制 规则对 PID参数进行自整定，有效提高了系统的抗干扰能力和适应参数变化的能力。 关键词 PID 模糊 PID 参数自整定 加热器 中图分类号 TH811 文献标识码 A 文章编号 1000-3932(2012)03-0366-05 加热器是化工、炼油、电力及冶金等工业生产 过程中重要的传质传热设备［1］。在丙烯水合反应 生产异丙醇过程中，为保证水合反应正常进行，需 对水合反应器进料丙烯和工艺水加热器出口温度 进行定值控制［2］，加热器出口温度的优化控制对 于提高产品质量和产量、降低能耗和减少环境污 染具有重要的意义。常规 PID 控制因原理简单、 算法易于实现及稳态无静差等优点被广泛地应用 于工业过程控制中，但它的性能取决于参数的整 定情况，由于加热器出口温度是一个具有大惯性、 纯滞后、非线性和时变性的复杂控制对象，难以 建立精确的数学模型，因而采用常规 PID 很难实 现理想的控制效果。模糊控制对具有不确定性、 非线性的控制对象具有较强的适应性，动态品质 也优于常规 PID，但存在稳态静差，单纯的模糊控 制也很难实现加热器出口温度的精确控制。 针对某化工厂的实际工艺状况，笔者结合 PID控制和模糊控制的优点，提出了一种模糊 PID 控制算法，并将其成功应用于加热器温控系统中。 1 加热器出口温度控制分析 ＊ 以丙烯加热器为例，该工艺加热器采用导 热油加热，进料丙烯经过换热器 E-101 预热后进 入加热器 E-102，在加热器内经导热油加热到一 定温度，进入水合反应器(图 1)。为保证安全生 产，反应器进料丙烯加热器出口温度要严格控 制在一定范围内。温度的检测采用双支热电阻 和一体化温度变送器，安装在 E-102 出口管道， 工艺 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 调节导热油阀门开度来改变导热油流 量，从而达到控制加热器出口温度的目的。实 际现场发现，进料丙烯流量、组成、压力及温度 变化都会对加热器出口温度产生影响，最初设 计的常规 PID控制对于该类干扰的适应能力较 差，调节缓慢且超调量较大。其结果是加热器 出口温度偏高且波动频繁，难以保证水合反应 正常进行，为解决此类问题，笔者提出一种模糊 PID控制系统设计方案。 图 1 丙烯加热器工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 663 化 工 自 动 化 及 仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 第 39 卷 * 收稿日期:2012-02-02(修改稿) 基金项目:山东省科技厅星火 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目(2011XH17005) 2 控制系统设计 模糊 PID控制器主要有参数可调整的 PID控 制器和模糊控制器两部分组成(图 2) :模糊控制 器以加热器出口温度偏差 e 和偏差变化率 ec 作 为输入，利用模糊控制规则在线对 PID 的 3 个参 数进行自整定，以满足不同的 e 和 ec 对 PID 参数 的需要。PID控制器根据整定后的参数计算出控 制量，并驱动导热油调节阀完成对加热器出口温 度的控制。 图 2 模糊 PID控制系统结构 2． 1 PID 控制控制器设计 PID控制算法分为位置式 PID控制算法和增 量式 PID控制算法:位置式 PID 算法每次输出都 要使用过去偏差的累加值，容易产生较大的累积 误差;而增量式只计算当前增量，当存在计算误差 时，对控制量的影响较小，且易实现从手动到自动 的无冲击切换［3］。根据加热器出口温度的控制特 性，选择增量式 PID 控制算法，其控制规则为: Δu(k)= KpΔe(k)+ KiΔe(k)+ Kd［Δe(k)－ Δe(k － 1) ］ (1) 式中 KP ———比例系数; K i ———积分系数，K i = KPT /Ti; Kd ———微分系数，Kd = KPTd /T。 由于一组固定的 PID 参数很难适应工况变 化，故采用模糊规则对参数自整定。 2． 2 模糊控制器的设计 选加热器出口温度的偏差 e和偏差变化率 ec 以及 3 个输出 ΔKp、ΔK i 和 ΔKd 对应的模糊语言 变量分别为 E、EC、Kp、K i 和 Kd。选 E、EC、Kp、K i 和 Kd 的论域均为: (－ 6，－ 5，－ 4，－ 3，－ 2，－ 1， 0，1，2，3，4，5，6) ，根据生产工艺要求，加热器出口 温度要求在 135 ～ 155℃，温度偏差基本论域为 － 5 ～ 5℃，经反复实验 ec 的基本论域为 － 2 ～ 2℃ /s，则可得到量化因子 Ke = 6 /5 = 1． 2，Kec = 6 / 2 = 3。 在其量化论域内，E、EC、Kp、K i 和 Kd 对应模 糊子集均为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，其含 义依次为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。 隶属度函数的选择是模糊控制的关键问题之一， 它在很大程度上决定了控制效果的好坏。通过 对不同类型的隶属度函数进行多次实验，隶属函 数选择全三角形隶属函数效果较好，如图 3 所示。 图 3 E、EC、Kp、K i、Kd 的隶属度函数 针对不同的 e 和 ec，由 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 设计人员对温度 调节的实际操作经验和 PID 参数整定原则［4 ～ 6］， 可总结出 ΔKp、ΔK i 和 ΔKd 的模糊推理规则见表 1。 表 1 ΔKp、ΔK i、ΔKd 的模糊规则表 E EC NB NM NS ZE PS PM PB NB PB /NB /PS PM /NM /NS PM /NM /NB PS /NS /NB PS /ZE /NB ZE /ZE /NM ZE /ZE /PS NM PB /NB /PS PM /NM /NS PM /NM /NB PS /NS /NM PS /NS /NM ZE /ZE /NS NS /ZE /ZE NS PM /NB /ZE PM /NM /NS PM /NS /NM PS /NS /NM ZE /ZE /NS NS /PS /NS NS /PS /ZE ZE PM /NM /ZE PM /NS /NS PS /NS /NS ZE /ZE /NS NS /PS /NS NS /PM /NS NM /PM /ZE PS PS /NM /ZE PS /NS /ZE ZE /ZE /ZE NS /PS /ZE NS /PS /ZE NM /PM /ZE NM /PB /ZE PM PS /ZE /PB ZE /ZE /NS NS /PS /PS NM /PM /PS NM /PM /PS NM /PB /PS NB /PB /PB PB ZE /ZE /PB ZE /ZE /PM NM/PS /PM NM/PM /PM NM/PM /PS NM /PB /PS NB /PB /PB 763第 3 期 王春艳．模糊 PID在加热器温控系统中的应用 选用 Mamdani法进行模糊推理，为获得精确 的 PID修正量，采用目前工业控制中最广泛的重 心法进行解模糊运算［7］，该法针对论语中每个元 素 xi(i = 1，2，3，…，n) ，以它作为待判决输出模糊 集合的隶属度 μ(xi)的加权系数，再计算该乘积 之和对于隶属度之和的平均值 xo，即清晰量为: xo = ∑ n i = 1 μ(xi)·xi ∑ n i = 1 μ(xi) (2) 将由模糊控制器得到的 PID修正参数代入下式: Kx = Kx' + f(e，ec)x = Kx' + ΔKx (3) Kx'(x = p，i，d)是 PID 的预设值，由系统工 程师在现场采用经验试凑法进行设定。在线运行 中，模糊控制器完成对 PID参数动态整定，PID 根 据整定后的参数 Kx(x = p，i，d)计算控制量，驱 动调节阀控制加热器出口温度。 3 仿真试验及比较 为了验证模糊 PID控制方法的有效性和实用 性，采用 Matlab软件中 Simulink 工具进行了单位 阶跃响应和抗干扰试验研究。根据加热器大滞 后、大惯性的特点，将加热器简化为一个带有纯滞 后的一阶惯性环节，其传递函数为: G0(s)= 8e －20s 100s + 1 (4) 由试验获得 PID 参数预设值 Kp ' = 0． 20、 K i ' = 0． 004、Kd ' = 0． 1。选择单位阶跃信号为输入 量，扰动信号大小为阶跃信号的 20%，实现模糊 PID控制和 PID 控制仿真，如图 4、5 所示。由在 单位阶跃信号和加入干扰下的常规 PID 和模糊 PID控制器的响应曲线可知，模糊 PID比常规 PID 动态响应曲线较好、响应时间短、超调量小，且稳 态精度高。系统遇到干扰或工况发生变化时能快 速恢复稳态，动静态性能好。 图 4 阶跃响应曲线 图 5 模型参数变化后曲线(T = 120s，τ = 30) 4 控制算法实现 4． 1 利用 DCS组态软件实现 国内大多数异丙醇生产线已投产 DCS，可通 过相应组态软件 (如 ABB 公司 AC800F 或 AC800M系统，通过用梯形图、功能块图及结构文 本语言等编程)实现模糊 PID 控制算法，然后将 程序下载到 DCS过程站。该算法执行速度快、效 率高，其程序流程如图 6 所示。 图 6 模糊 PID控制算法流程 4． 2 利用 VC开发控制软件实现 考虑到不同 DCS厂商的组态软件互不通用， 上述方法可移植性差，由于大多数组态软件支持 OPC(OLE for Process Control)接口技术并自带 OPC服务器，可利用 VC开发先进控制软件 ，即利 用 VC编写的模糊 PID控制软件通过 OPC接口嵌 入到 DCS来实现，软件控制结构如图 7 所示。 控制软件通过 OPC 接口实时地读取 DCS 采 集的现场数据，并储存至 SQL server数据库，数据 经过预处理，传递给模糊PID控制算法，利用VC 863 化 工 自 动 化 及 仪 表 第 39 卷 图 7 模糊 PID控制结构 快速的运算功能以及丰富的函数库，求出当前的 控制输出值，经过限幅处理后将 SQL server 数据 作为中转站传给 OPC客户端，再写入到 DCS过程 站中，从而实现对出口温度的实时控制。温度设 定值由操作员通过人机界面设定。为增强软件的 可移植性和扩展性，软件设计时程序采用模块化 结构编制，OPC 客户端、数据预处理、模糊 PID 控 制算法及人机界面等功能的实现都由各子程序完 成，该控制软件能和国内大多数 DCS实时通讯。 5 现场应用效果 国内某化工厂异丙醇过程控制采用 ABB 的 AC800F现场总线冗余控制系统，已投入运行多 年。由于现场的 DCS基础自动化已经实现，只需 要在上位机组态软件 Control Builder F 中做出两 部分修改:在监控画面做出相应的模糊 PID控制 / PID控制 /手动控制切换按钮;在程序组态界面做 出切换程序，然后将修改后程序下载到 DCS 现场 控制器。 根据工艺要求温度设定值为 145℃，控制精 度 ± 5℃，数据采样周期设为 20ms。实验过程中 不断加随机干扰，从现场上位机采集的加热器出 口温度 18h的历史趋势如图 8 所示。可以看出采 用模糊 PID控制时系统的动态特性增强，出现干 扰时能快速调节，温度的波动幅度较小，偏差被控 制在设定值 ± 2． 5℃范围内，而且变化比较平缓。 经过反复实验结果表明:在复杂干扰的情况下模 糊 PID控制系统能够提高加热器出口温度的控制 精度。 图 8 模糊 PID控制历史趋势 6 结束语 笔者基于某化工厂加热器出口温度的特点 设计的模糊 PID 控制系统，采用模糊推理的方法 实现 PID 参数的在线自整定，有效解决了加热器 出口温度滞后性、非线性和干扰多的难题，有效 地减少了加热器出口温度的波动。仿真及现场 应用表明:该模糊 PID 控制不仅保持了常规 PID 控制系统的原理简单及工程易于实现等特点，而 且具有更大的灵活性、适应性及精确性等特性， 可广泛用于其他具有时变、时滞和非线性的工业 对象。 参 考 文 献 ［1］ 王树青，戴连奎，于玲． 过程控制工程［M］． 北 京:化学工业出版社，2008． ［2］ 王春艳． CIPS 环境下异丙醇生产控制系统的研 究［D］．济南:济南大学，2006． ［3］ 严晓照，张兴国．增量式 PID 控制在温控系统中 的应用［J］．南通大学学报(自然科学版) ，2006， 5(4) :48 ～ 51． ［4］ 刘金琨． 先进 PID 控制 MATLAB 仿真［M］． 北 京:电子工业出版社，2007． ［5］ 高宪文，赵亚平．模糊自适应 PID 在焦炉控制中 的仿真［J］．东北大学学报(自然科学版) ，2006， 27(10) :1067 ～ 1070． ［6］ 李虎山，蒋亚军．可调参数模糊 PID 控制的实现 ［J］．化工自动化及仪表，2005，32(4) :58 ～ 60． ［7］ 诸静．模糊控制原理与应用［M］．北京:机械工业 出版社，1995． (下转第 429 页) 963第 3 期 王春艳．模糊 PID在加热器温控系统中的应用 一网段。 图 6 上位机 IP设置 完成 EDG配置和 PC机 IP地址设置后，还需 进行 EDG 端口映射。点击进入端口映射工具 COM Port Mapping Utility，进行虚拟 COM 端口设 置(图 7)。在项目中包含了已使用的端口和未使 用的端口。 图 7 虚拟 COM端口设置 点击展开“未使用端口”，即显示还未使用的 端口。由于外输机有 4 个端口，因此选择 COM3 口。在 COM3 口中，将设备类型选择为 ADAM- 4571，IP地址中输入设备配置时采用的地址，点 击“添加”后，就可以在ADAM-4571下看见设置 参数，然后点击“退出”，重启主机后 ADAM-4571 就能正常工作，如此实现了外输机 ESM 与 PC 机 的连接。 4 结束语 该方案采用 ADAM-4571 将 RS-232 协议转换 为以太网协议，经双绞线连接至以太网 /光纤转换 器 FC610A，利用 FC610A 将以太网转换为光纤， 使信息加载在光波中通过光缆远传至主控室，运 用 FC610A将光纤反转为以太网，再利用双绞线 连接至 PC机。这种方法成功解决了 RS-232 信号 距离通信短的难题，实现了信号远传。采用光纤 作为远距离传输媒介具有抗干扰性强、无电磁辐 射、信号泄漏、接地和短路的问题，使传输信号具 有很高的信噪比，损耗非常低。这种方法不仅顺 利解决了数据不能远传的问题，同时还提高了信 号传输的速度和质量。通过本次改造，有效地将 外输气压缩机 ESM数据的监控、调整位置从天然 气压缩机厂房转移至压缩机控制室，减轻了员工 的劳动强度，保护了员工的身体健康，同时减少了 现场插拔数据线产生的静电对 ESM的影响。 参 考 文 献 ［1］ 李宁．转子动力学分析在高压离心式压缩机中的 应用［J］．化工机械，2009，36(4) :331 ～ 334． ［2］ 傅仁轩，杜延．一种有双 RS232 通信口的数据采 集终端［J］．科技通报，2004，19(2) :77 ～ 79． ［3］ 张勇，甄国涌．基于 W5300 的以太网数据传输硬 件设计及优化［J］． 化工自动化及仪表，2011，38 (8) :989 ～ 991，1019． ［4］ 蔡永昶．基于以太网和现场总线的分布式系统集 成设计［J］．化工自动化及仪表，2010，37(11) :99 ～ 102，  106． (上接第 369 页) Application of Fuzzy-PID Control in Heater Temperature Control System WANG Chun-yan (Academic Affairs Division，Shandong Administration Institute of Trade Unions Cadres，Jinan 250100，China) Abstract Considering heater outlet temperature’s lag，nonlinearity，time variance and difficulty in establishing ac- curate mathematical model，a fuzzy-PID temperature control system was proposed to apply fuzzy rules to tuning PID parameter，this can improve system’s anti-interference ability and adaptability to parameter change． MATLAB simu- lation and application in a chemical plant prove this scheme’s correctness and applicability． Key words PID，fuzzy-PID，parameter auto-tuning，heater 924第 3 期 温艳军等．瓦克夏发动机控制器 ESM信号远传改造