基于模糊理论的pH值控制系统设计及应用.doc

基于模糊理论的pH值控制系统设计及应用模糊控制/pH调节/鲁棒性/控制系统1 引言在锌冶炼的沉铁工序中,目前我国企业大部分的操作是根据沉铁反应器中pH值来确定加入挥发窑烟灰的量来沉淀溶液中的铁元素,而加挥发窑烟灰量是人工经验根据反应器中pH值来确定的,基本上属于开环控制。实际操作过程经常还会出现由于人为控制给料速度难以精确控制星形给料阀的下料速度与螺旋给料机的下料速度的匹配造成下料速度不均匀从而导致螺旋给料机下料速度跟不上,进而发生故障。为了改变这种状况,本文提出了在该工艺中的下料系统中建立一套以西门子S7-300为平台的控制系统,使用SCL语言创建模糊控制算法,以此来引入模糊PID调节,以控制挥发窑烟灰的下料速度来提高沉铁工序反应器pH值的调节精度,达到调节要求。2 模糊自适应PID调节控制器设计模糊自适应PID调节器的结构如图1所示。输入量为e和ec,在线检测后,经模糊控制算法得到PID的参数,使之自适应于e和ec的变化。2.1 精确量的模糊化输入、输出空间的模糊划分,维数划分得越多,控制的精度也会越高,但如果划分得太多,控制规则也就非常多,就会引起“规则爆炸”问题1。根据系统中对pH控制精度的要求,我们采用通常所用的7个模糊等级划分法。输入量e、ec、输出量Kp、Ki、Kd的模糊集为负大,负中,负小,零,正小,正中,正大,简写为NB,NM,NS,PS,PM,PB,偏差,偏差变化率以及Kp的论域定义为-3,-2,-1,0,1,2,3,Ki、Kd的论域为-0.06,-0.04,-0.02,0,0.02,0.04,0.062。选择比例因子与量化因子。假设pH值的变化范围为0.2,则偏差量化因子即为Ke=3/0.2=15;若偏差变化率在0.05范围内变化,则其量化因子为Kec=3/0.05=60;输出量的比例因子都选择1/3。隶属度函数:通过隶属度函数可以将连量离散化。根据对实验数据的分析以及借鉴别人的经验,均选择三角函数作为其隶属度函数,赋值表如表1。表示 NB=1.0/-3+0.5/-2,NM=0.5/-3+1.0/-2+0.5/-1,PB=0.5/2+1.0/32.2 模糊规则库的建立模糊控制规则,由诸多模糊条件语句组成,形式为“IF-HEN-”等,其实质是运行人员在操作过程中积累下来的经验。它是模糊控制器设计的前提。阶跃响应曲线能够较好地反映系统的特性,如图2所示,通过它可以归纳出针对不同的e和ec,PID参数自整定的一般原则:在曲线起始阶段,e较大,此时Kp的值应该取得较大一些,这样就可以加快响应速度;为防止因偏差急剧增大而发生微分过饱和现象,Kd的值应该取得相对小一些;同时使Ki=0,因为此时超调量比较大。曲线中间部分,偏差不是太大,也不太小,影响系统性能的主要因素取决于Kd的大小,Kd宜取较小一些;同时Kp的值也应该取得相对较小,这样可以防止超调量过大。在最后部分,偏差量较小,为保证系统的稳定性,Kp和Ki都宜较大;Kd的取值要依照ec而定,当ec较大时,Kd的取值宜小一些,这样就可以避免出现振荡。反之Kd可取大一些。根据以上控制原则,可得模糊控制状态表如下,表示规则为:R1:若偏差为PB and偏差变化率为PB, 则KP为NBR2:若偏差为是PB and偏差变化率为PM,则KP为NBR49:若偏差为NB and偏差变化率为NB,则KP是PB2.3 模糊推理模糊推理就是生成方法与推理合成算法。推理方法有好多种,为了取得良好的控制效果,推理规则要符合实际,符合人们的直观经验,同时,也要符合控制过程的定性分析。我们根据直浸沉铁系统的实际,以及借鉴前人的经验,选择合成推理算法。合成推理算法基本过程如下:首先根据每条模糊规则求出对应的模糊关系,也就是Ri=(Ai and Bi)Ci,与运算(and)和蕴含运算()通常都采用求交或求积;其次,用取并的方法求出总的模糊关系,即;最后,求每个量的模糊集合。假设x是Aand y是B则C(Aand BR(其中合成运算通常采用最大最小法)3。3 模糊自适应PID控制在控制系统中的实现3.1 硬件平台建立本系统硬件平台我们使用西门子S7-300系列中高性能的S7-315-2PN/DP中央控制器,采用分布式I/O的ET200M方式实现各相关现场信号的采集,并通过PROFIBUS-DP通讯实现ET200M与中央控制器的连接,上位系统采用工业以太网实现PC与下位系统的高速通讯。3.2 软件平台建立软件平台我们在STEP7基础上通过安装S7-SCL软件包可实现结构化控制语言编程。结构化控制语言是一种类似计算机高级语言的编程方式,它的语法规范接近计算机中的PASCAL语言,使用SCL语言创建模糊控制算法形成标准FB功能块调用。3.3 功能实现在沉铁下料系统中受控对象是沉铁反应器中pH值,检测装置是反应器中加的挥发窑烟灰量。为保持沉铁反应器中pH值的设定值,需要控制好反应器中加的挥发窑烟灰量。模糊控制器,从硬件角度上看是计算机控制系统,从软件角度看是以上我们在STEP7基础上使用SCL语言创建的模糊控制算法。本模糊自适应PID调节器以沉铁反应器内实测的pH值(ph(kT)与工艺要求的PH值(一般取ph=3.5)的偏差e(kT)=ph(kT)-ph和偏差的变化率ec(kT)=e(kT)-e(k-1)T作为输入,以PID控制器参数KP、KI、KD的调整增量为输出并得到新的PID控制器参数。确定好了PID控制器的参数,也就确定了pH值与单位时间内应向反应器中加挥发窑烟灰量u的对应关系。根据单位时间内应加烟灰的量和螺旋给料机内的烟灰的重量可以确定螺旋给料的旋转速度,根据螺旋给料机内挥发窑烟灰的重量的变化大小确定星形阀的给料速度,当螺旋给料的重量增大时,星形阀的速度就减少,当螺旋给料机的重量下降时,星形给料阀的速度就增加,这样就构成了下料系统的一个闭环控制,从而实现下料量与pH值控制的平稳进行。传统pid与模糊pid调节效果对比如图3与图4所示:4 结束语在沉铁下料工艺中通过建立模糊控制器与西门子控制系统相结合,将常规 PID