CIP清洗系統(tǒng)回液溫度模糊預測探究

顏 東，劉立山，姬國亮

(青島農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，青島，266109)

CIP清洗系統(tǒng)指在不拆開或移動裝置的情況下，采用高溫、高濃度的洗凈液，對設(shè)備裝置加以強力作用把與食品的接觸面洗凈的一種對衛(wèi)生級別要求較嚴格的生產(chǎn)設(shè)備的清洗凈化系統(tǒng)。在系統(tǒng)中由于液體輸送管道長、控制對象容積大等特點，使得系統(tǒng)的溫度控制環(huán)節(jié)具有較大的滯后性。傳統(tǒng)CIP清洗系統(tǒng)中溫度控制多采用PID控制，其控制效果動態(tài)品質(zhì)不太理想。本文以回液溫度變化率為輸入，運用模糊控制思想，對被清洗設(shè)備出口溫度進行模糊預測，以減小溫度控制系統(tǒng)的滯后時間，改善溫度控制動態(tài)品質(zhì)。

1 模糊控制的基本原理

模糊控制是基于語言的一種智能控制，其魯棒性強，干擾和參數(shù)變化對控制效果影響小，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制。基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，是一種閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。

圖1 模糊控制的結(jié)構(gòu)與原理

操作人員的控制經(jīng)驗是一種模糊的意識形式，無法應(yīng)用精確的數(shù)學模型來進行描述。模糊控制是基于操作人員的經(jīng)驗得出規(guī)則，并運用這些規(guī)則歸納出算法來實現(xiàn)控制。運用模糊控制策略能夠在一些無法建立精確數(shù)學模型的系統(tǒng)中獲得較滿意的控制效果。

2 模糊控制在CIP清洗系統(tǒng)中的實現(xiàn)

CIP清洗系統(tǒng)簡圖如圖2所示。根據(jù)系統(tǒng)要求需采集被清洗罐回液溫度，由于工藝環(huán)境成本等因素，回液溫度采集點一般安裝在清洗罐附近，如圖C處，使得采集溫度θ相對于實際回液溫度θ1存在較大滯后性。在日常運行中，該滯后時間大約為三分鐘。

圖2 CIP清洗結(jié)構(gòu)

圖3 CIP系統(tǒng)溫度控制框圖

CIP溫度控制系統(tǒng)方框圖如圖3所示，其中G0(S)、G1(S)、G2(S)分別為控制環(huán)節(jié)、執(zhí)行機構(gòu)和清洗設(shè)備對溫度影響的傳遞函數(shù)，將管道對溫度的影響看成純滯后的環(huán)節(jié)，其中T是采集溫度θ相對于實際回液溫度θ1的純滯后時間，系統(tǒng)的溫度閉環(huán)控制傳遞函數(shù)為：

純滯后時間T的引入使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，控制質(zhì)量下降。T的存在是由于采集到的回液口溫度相對于清洗設(shè)備實際溫度滯后造成的。若能在不改變溫度采集點數(shù)目和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上減小T的大小，將具有更好的經(jīng)濟性與可操作性。

本文采用模糊控制的思想，對系統(tǒng)回液溫度進行模糊預測以減小其滯后時間T，改善溫度控制系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)。基本思路如下：依據(jù)控制經(jīng)驗通過對采集點回液溫度的變化率的模糊推理，得出采集溫度與實際溫度的溫度補償值，將該補償值加入到溫度閉環(huán)控制的溫度反饋環(huán)節(jié)以降低系統(tǒng)溫度控制的滯后性。

圖4 模糊控制結(jié)構(gòu)框圖

圖5 新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模糊控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。在系統(tǒng)的溫度采集環(huán)節(jié)加入模糊控制，通過對回液溫度的變化率Δθ的處理來實現(xiàn)對被清洗目標的實際溫度θ1模糊預測，新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，系統(tǒng)傳遞函數(shù)如式2所示：

其中，T0為系統(tǒng)滯后校正時間。經(jīng)實際分析可知，加入了模糊控制后雖然無法將e-(T-T0)S從系統(tǒng)中完全剔除，但也極大地改善了系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。

3 模糊算法的PLC程序?qū)崿F(xiàn)

在本文中，將采集溫度θ的變化率Δθ作為模糊控制的輸入，通過模糊算法來降低溫度滯后環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)的影響。模糊算法程序由三部分組成：模糊化處理程序、模糊推理功能程序、逆模糊化處理程序。

3.1 模糊化處理程序

在本文中模糊化程序包括以下功能：量程轉(zhuǎn)換、求隸屬度。將回液溫度變化率范圍設(shè)為±Δθ，并將其范圍細分等級，Δθ的五個模糊子集設(shè)為{快速上升，上升，不變，下降，快速下降}，即{NB，NM，ZC，PM，PB}。然后對其所選模糊集定義其隸屬函數(shù)，選取三角形隸屬函數(shù)，如圖8所示，其中x1、x2、x3、x4、x5分別為NB、NM、ZC、PM、PB的中心點值。

圖8 隸屬函數(shù)

1）輸入量的量程轉(zhuǎn)換

由圖8可知輸入量在模糊量轉(zhuǎn)化前需進行處理來消除圖8中輸入量死區(qū)的存在，處理如式3所示。

2）隸屬度計算

輸入變量進行量程轉(zhuǎn)換后按圖8曲線計算得出輸入變量對應(yīng)模糊子集的隸屬度。下面以模糊子集ZC隸屬度求法為例，介紹文中各模糊子集隸屬度的求法。輸入量模糊子集隸屬度求法如式4所示。

3.2 模糊推理功能程序

模糊推理的任務(wù)是根據(jù)當前輸入的不同隸屬度的模糊子集，遵照預先設(shè)定的規(guī)則，推斷應(yīng)有的模糊控制輸出。模糊控制規(guī)則是控制者實踐經(jīng)驗和手動控制策略的總結(jié)，有若干條模糊條件語句構(gòu)成的。其語言形式為：IF EC =EiTHEN U=Ui，其中Ei、Ui分別為EC與U上的模糊子集。

在模糊控制器中，如果E1為小前提，則通過模糊關(guān)系的推理出結(jié)論U1，如下顯示的即為它的推理過程：

在這里符號“o”為矩陣乘，“E→U”為模糊量集合E與模糊量集合U的模糊關(guān)系，推理過程如式5。

3.3 逆模糊化處理程序

模糊控制器的輸出是模糊量，只有將其轉(zhuǎn)化為精確量，才能作用于執(zhí)行機構(gòu)。常用解模糊方法有：最大隸屬函數(shù)法、重心法、加權(quán)平均法等多種方法。

本文采用的是加權(quán)平均法。文中模糊控制最終輸出溫度補償值Ci由上位機輸入。經(jīng)過模糊推理得到的模糊論域元素隸屬度為μu(xi)，最終判斷值算法如式7。

由式7編寫反模糊化程序功能塊，經(jīng)過解模糊化得到的數(shù)據(jù)就是補償回液溫差值，該溫差值與采集溫度之和為修正后的采集溫度，參與到溫度控制過程中。

4 小結(jié)

在CIP系統(tǒng)中由于工藝要求，回液溫度采集點采集溫度與被清洗設(shè)備出口處的實際溫度具有較長的滯后時間，將滯后環(huán)節(jié)引入了溫度控制回路中使得控制動態(tài)品質(zhì)變差。本文利用模糊控制思想，以溫度采樣點溫度值以及溫度變化率為輸入，經(jīng)過關(guān)系矩陣進行模糊推理，推理出被清洗設(shè)備出口處實際溫度，減小了系統(tǒng)滯后時間，提高了系統(tǒng)溫度控制的動態(tài)品質(zhì)。

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