基于模糊自適應PID的回轉爐溫度控制系統

郭利進 井海明 宋英利 何西碩

(天津工業大學電氣工程與自動化學院，天津 300387)

基于模糊自適應PID的回轉爐溫度控制系統

郭利進 井海明 宋英利 何西碩

(天津工業大學電氣工程與自動化學院，天津 300387)

針對回轉爐溫度控制的滯后性、強耦合性等特點，設計基于模糊自適應PID控制算法的回轉爐溫度控制系統。給出系統的結構、工作原理、網絡結構與控制器設計方法。Matlab仿真實驗結果證明：與傳統PID控制相比，基于模糊自適應PID的回轉爐溫度控制系統具有更好的動態調節性能，滿足控制需求。

溫度控制系統 回轉爐 模糊自適應PID Matlab S7-300 PLC

回轉爐是實驗室或工廠生產催化劑普遍應用的焙燒設備[1,2]，其溫度控制的滯后性和強耦合性、控制器的反應動作與被控對象的狀態變化存在時差，被控變量不能及時反映系統受到的擾動，導致產生超調，系統控制穩定性變差，調節時間變長，甚至出現振蕩和發散現象[3,4]。傳統的PID控制器憑借結構設計簡單、自動調節快和魯棒性好的優點，廣泛應用于工業催化劑生產中。然而，隨著大滯后、無法預知精確模型、具有強非線性的被控對象的增多，科技水平的提升，催化劑生產控制精度要求的提高和干擾因素的增多，導致單一的傳統PID控制器已經不能滿足生產要求。為提高PID控制器的適應性，研究人員開始采用智能算法不斷地對它進行改進和優化。韓沛等在PID控制器的基礎上提出了自適應控制技術，改善了對被控對象模型的自動辨識、PID參數的自整定和有干擾時的快速調整[5]。針對回轉爐溫度控制系統模型結構的特點和控制要求[6]，筆者提出將模糊自適應PID控制算法應用于回轉爐爐膛溫度控制系統中，完成對原料焙燒過程的控制，保證系統控制精度、生產過程的安全性及生產質量等。

1 回轉爐溫度控制系統

1.1 系統結構與工藝分析

回轉爐溫度控制系統(圖1)主要包括給料機、卸料機、引風機、鼓風機、傳送機、焙燒廂、相應的調節閥、溫度壓力變送器、現場儀表及冷卻回收裝置等。

回轉爐溫度控制系統的滯后性普遍存在，其過程響應曲線如圖2所示。其中τ為純滯后時間，T為慣性時間常數。用τ/T判定純滯后程度[7]，當τ/T>0.3時，認定該工藝過程是大滯后系統。隨著τ/T的增加，系統的相位滯后也不斷增加，此時系統會出現超調現象，進而引起穩定性降低，甚至危及設備和人身安全，造成生產事故。

圖2 回轉爐溫度控制系統的過程響應曲線

1.2回轉爐焙燒原理

回轉爐采用多段式加熱方式增強熱傳導和熱輻射的作用[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，采用二級點火方案，先建立小火，當火焰探測器檢測到火焰后，給控制器一個反饋信號，通過調節天然氣和空氣的通入量來建立大火。當設定溫度改變時，控制系統自動調節伺服電機從而調節天然氣和助燃氣的閥門開度，控制回轉爐爐內溫度達到設定值。鼓風機不斷地提供助燃氣并在開機和停機階段進行吹掃，以吹走爐膛內的混合氣體，清除安全隱患。通過引風機抽出燃燒后的煙氣，防止爐膛內壓力過高而產生的安全隱患。此外，冷卻系統能有效平衡爐膛內的焙燒溫度，避免溫度過高帶來的安全隱患。

2 系統的網絡結構

回轉爐溫度控制系統的網絡結構示意圖如圖3所示。系統以S7-300 PLC為控制器，配備冗余電源模塊和CPU，保證系統的安全運行。上位機WinCC通過TCP/IP通信協議和工業交換機[9]與控制器通信。WinCC負責全程生產過程監視、遠程控制設備、數據處理、爐膛溫度實時顯示、報警記錄及制作報表等功能。系統通過Modbus通信模塊實現控制器與DCS的通信和遠程分布式控制。

圖3 回轉爐溫度控制系統的網絡結構示意圖

3 模糊自適應PID控制器

3.1模糊自適應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的計算機數字控制[10,11]。利用模糊集合理論將專家知識或操作人員經驗形成模糊控制規則，不需要建立被控對象的精確數學模型，設計簡單，適用于動態性能不易掌握的復雜控制系統。采用負反饋結構，將誤差和誤差微分作為模糊推理的輸入，利用由IF-THEN規則組成的知識庫語言設計和修正控制算法[12]。將模糊控制與PID反饋控制結合，構成模糊自適應PID控制，其結構原理如圖4所示。

圖4 模糊自適應PID控制結構原理

其中，給定值為系統設定值；e、ec分別為系統誤差和誤差微分，都為精確值；E、EC分別為系統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。

3.2模糊自適應PID控制器的設計

模糊自適應PID控制器的設計過程為：設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，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，輸出變量選擇三角形隸屬度函數[11]。根據現場對回轉爐溫度控制系統的實際操作經驗，確定ΔKp、ΔTi、ΔTd的模糊控制規則見表1～3。圖5為模糊自適應PID控制器的設計流程。

表1 ΔKp模糊控制規則

表2 ΔTi模糊控制規則

表3 ΔTd模糊控制規則

圖5 模糊自適應PID控制器的設計流程

4 Matlab仿真與結果分析

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

圖6 傳統PID控制算法的回轉爐溫度控制仿真結果

圖7 模糊自適應PID控制算法的回轉爐溫度控制仿真結果

不同控制算法下的系統動態性能指標見表4。模糊自適應PID控制算法比傳統PID控制算法在調節時間和超調量方面均有著絕對優勢。

表4 動態性能指標

5 結束語

筆者將模糊自適應PID控制算法應用于回轉爐溫度控制系統中，與傳統PID控制算法下的系統性能相比，改善了回轉爐溫度控制的滯后性，使系統具有更好的動態性能和調節性能，保證了系統的可操作性、可靠性和先進性，具有調節速度快、無超調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

天津市應用基礎與前沿技術項目(15JCYBJC47800)