活性炭生產中焦油溫度的模糊自適應控制

北方民族大學電氣信息工程學院　尚　燕　虎恩典　鮑　鶴　趙　陽

活性炭生產中焦油溫度的模糊自適應控制

北方民族大學電氣信息工程學院尚燕虎恩典鮑鶴趙陽

活性炭的生產過程中，作為黏結劑的煤焦油的黏結性起到至關重要的作用，而焦油的溫度直接決定黏結性。溫度過低，煤焦油內的瀝青容易凝結；溫度過高，易達到煤焦油的閃點，造成其內部成分喪失。本次設計采用了加入智能模糊自適應算法的嵌入式微控制器控制生產中焦油的溫度，減小焦油溫度控制的超調，使活性炭的生產更加方便、高效準確。

模糊；自適應；PID；嵌入式

引言

在活性炭的生產過程中，作為黏結劑的煤焦油的黏結性起至關重要的作用。粘性差煤粉混合不均勻，后續的炭化活化不易保持良好的孔隙結構，影響質量。在焦油溫度控制系統中，利用熱水蒸汽管路通入焦油倉和焦油罐的夾層中實現對焦油的加熱。本設計結合廠家的要求，通過對活性炭，混捏成型工藝的研究，采用模糊自適應參數調整進行焦油的溫度控制。

活性炭混合攪拌通過向焦油罐中注入高溫水蒸汽加熱焦油，由于向焦油加熱系統中通入的熱水蒸汽為固定溫度。因此只需控制熱水蒸汽閥門的開度即可加熱。待溫度達到要求，保持閥門開度不變，進行后續的原料進料、出料、原料攪拌、煤膏出料等過程。

1　基本原理

活性炭混合及成型控制系統中，焦油溫度控制屬于慣性較大、時滯較嚴重的系統。該系統運用常規PID，通過調整控制器的比例，積分，微分，使得被控對象的溫度跟隨其設定值。然而，活性炭生產對焦油的溫度控制精度要求非常高，這就使得傳統PID控制略顯不足。針對該問題，采用模糊自適應智能算法，并將帶有控制算法的芯片結合轉換電路制成控制器，以適應工業生產的的電流信號。

圖中氣源為高溫蒸氣，控制器通過可調開度閥門控制注入的蒸氣量以加熱焦油并保持溫度恒定，多余的蒸氣從排氣孔排出。本系統中如圖2，反饋轉換電路將現場焦油溫度的反饋4-20mA轉換為0-3.3V信號；轉換電路將的0-3.3V控制信號轉換為4-20mA工信號至調節高溫蒸氣的閥門。焦油溫度的設定由控制器上帶有按鍵的顯示屏模塊顯示并輸入至微處理器，并顯示焦油反饋溫度實際值，如圖1中的PV、SV。

2　焦油溫度控制基本理論

由現場及控制理論得焦油溫度控制原理如圖1所示。控制器的核心主要有常規P1D控制和模糊推理的參數校。

圖1　控制器原理圖

圖2　控制系統原理圖

給定為控制器的輸入焦油設定溫度SV，反饋為焦油實測溫度PV。

圖2所示偏差e由給定SV減去反饋PV得出，ec為偏差變化率。模糊推理，不斷檢測焦油給定反饋偏差和偏差變化率，經過模糊化處理后分別得到模糊量e和ec，并以此作為輸人量，經由模糊推理輸出參數修正量△Kp、△Ki和△Kd以實時調整P1D控制參數，調整后參數即為原參數加上修正量。

對常規PID離散化得到PID算法的離散表達式：

其中，T為離散系統的采樣周期，e（k-1）表示第（k-1）次采樣后的偏差，e（k）表示第k次采樣后的偏差。Kp、TI、、TD為比例、積分、微分參數。用一階后向差分近似代替微分作用，則模糊推理輸入ec為：

模糊控制表的設計：

對誤差e，誤差變化ec和控制量Kp、Ki、Kd論域定義為：

｛-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5｝

e、ec和Kp、Ki、Kd模糊子集均為：

｛負大、負中、負小、零、正小、正中、正大｝

英文縮寫為：

｛NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB｝

將焦油的溫度反饋值與設定值比較，量化可得焦油溫度偏差e、溫度偏差變化率ec的模糊隸屬度。則制定出△Kp， △Ki， △Kd關于e、ec的調節模糊規則表。由焦油溫度控制的基本原理知，模糊自適應PID輸出量即為控制蒸氣通入焦油罐的閥門開度。

3　結果

由飛升曲線知本系統中實測焦油的參數為：純滯后時間τ=60s，時間常數T=Tm-τ=360-60=300s，放大倍數K=2。則從這些數據分析計算可知，焦油溫度控制系統的數學模型為：

通過建立matlab模型仿真，控制效果如圖3所示。

圖3　焦油溫度控制仿真曲線

由仿真結果對比知，模糊自適應PID參數調整可使系統的超調幅值減小約10%，且更快到達穩態值。

將設計的編寫的程序代碼編譯并寫入微處理器，與現場設備連

接，得實測曲線如圖4所示。

圖4　焦油溫度實測曲線

4　結語

工業生產中帶有滯后的控制對象很多，參數不理想，很容易產生大幅度超調，傳統的控制方法已不能滿足現代生產需求，在此種情況下，帶有模糊自適應的PID參數調整方法將顯著提升控制效果。理論與實踐證明，模糊自適應PID控制的焦油溫度超調小，穩定性高，系統本身滯后帶來的不良影響降低，有利于整個活性炭工藝的生產。

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