模糊自適應PID控制在分子蒸餾裝置中的應用研究

吳悅

摘 要：分子蒸餾效率受很多因素的影響，如刮膜電機轉速、進料溫度、導熱油溫度、進料量、真空度等。本文重點討論了刮膜電機轉速對分子蒸餾效率的影響，交流異步電機具有多變量、強耦合、參數時變非線性等特點，傳統的異步電機調速均采用PID調節，本文采取了模糊自適應PID控制代替傳統的PID控制，通過仿真結果進行分析。

關鍵詞：PID控制 模糊自適應PID控制 MATLAB仿真

中圖分類號：TP373 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）11（a）-0078-02

蒸餾裝置自20世紀20年代出現以后，其理論與研究技術正在迅速發展中，已經在石油化工、食品工業、醫藥工業等領域占據了重要的位置，特別是對一些高沸點、粘度大和熱敏性比較強的物質的分離，由于全世界都在不斷地研究開發，這項技術正在慢慢地涉及更廣的領域，然而，目前國內這項技術與國外相比依然比較落后，成本高、消耗能量大、產率低，還有很多技術沒有得到完善，并且由于分子蒸餾過程的不可逆性的特點，使能耗的損失也較大，據統計，蒸餾所消耗的能量約占整個化工領域的45%，所以研究分子蒸餾過程節能是必然趨勢，對我們解決能源問題起到了關鍵性作用。

1 雙閉環PID控制器設計

通過各個操作參數對分子蒸餾影響的分析得出，分子蒸餾的效率受多因素的影響，是一個比較復雜的過程，只有平衡好各個參數之間的關系，才能有效地進行提純。本文重點研究一下如何控制刮膜轉速。

傳統的電機調速常用的方法是雙閉環控制，由轉速和電流兩個閉環組成，主控制環是轉速控制，其主要作用是穩定電動機的轉速，副控制環是電流控制，結構原理圖如圖1所示。

整個控制系統以轉速控制器的輸出電壓作為電流控制器的給定電壓，采用轉速和電流雙閉環控制，并且兩個閉環的控制器都采用PID（比例積分微分）控制方法。PID簡單、可靠性高，被廣泛用于過程控制，但設計過分依賴于控制對象的數學模型，且抗負載的能力也不是特別強，存在著參數不能隨被控對象的變化做出相應調整的缺點，當參數變化時，PID控制器的參數不能隨著被控對象的變化做出相應的調整。

2 刮膜電機轉速模糊自適應PID控制器的設計

2.1 輸入模糊化

模糊控制器只能處理模糊量，通常輸入量都不是模糊量，因此需要做模糊處理，然后再進行模糊推理，模糊化的最終目的就是將一個確定的量轉化成模糊推理能識別的模糊量。在模糊化過程中，隸屬函數的選取對模糊控制器的控制效果有一定的影響。通常來說，隸屬函數曲線上升的速度越快就表明控制器對輸入輸出函數的辨識度越高，相反，隸屬函數曲線比較平穩就表明控制器對輸入輸出函數的辨識度比較平穩，因此，我們要根據系統的要求來旋轉合適的隸屬函數。在本文中，要想讓轉速達到無超調，穩定性好，就應該選擇靈活性高的三角形隸屬度函數，能夠保證足夠的精度。現在我們來定義7個模糊子集，分別在參數、、以及偏差論域E和偏差變化論域EC上，與之相對應的7個語言值分別是正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）、負重（NM）、負大（NB）、負?。∟S）和零（Z）。用三角函數來作為隸屬度函數，輸入值和輸出值、、、和的論域都是{-3，-2，-1，0，1，2，3}。

2.2 模糊推理過程

將非模糊量進行模糊處理之后，就要進行模糊推理過程，模糊推理就是用建立好的模糊規則來確定輸入和輸出量的模糊關系，然后用建立的模糊關系去控制輸出量。圖2是一般的階躍響應的輸出曲線。

將這條輸出曲線分為區域1、2、3和A、B、C、D、E、F六個比較重要的點進行分析。通過它們變化的規律來確定相應參數、和，模糊規則表也是根據這一變化規律制定。

2.3 解模糊化

2.4 刮膜轉速控制系統的仿真與分析

MATLAB是控制系統計算機輔助設計工具之一，提供了有效的工具箱支持，前面我們已經利用了MATLAB中的模糊工具箱建立了輸入輸出函數以及模糊推理規則，另外，MATLAB中還嵌入了實現動態系統建模和仿真工具SIMULINK。SIMULINK具有建模簡單、仿真易操作、簡單可行和修改系統參數便捷等優點。其仿真結果如圖3和圖4所示，三相異步電動機：型號Y132S-4，電壓U=380V，功率P=50kW，電流I=116A，額定轉速n=1440r/min，頻率50Hz，額定轉矩7.5N/m，定子電感0.55H，轉子電感0.58H，互感055H，定子電阻5.8Ω，轉子電阻5.5Ω。

通過仿真曲線能夠看出，模糊自適應PID相比于常規PID控制更加理想，能在較短的時間內趨于穩定，超調較小，對外界干擾具有較強的魯棒性和自適應性，在工程應用上有較好的前景。

3 結語

本文在常規PID控制器的基礎上，設計出一種基于閥值開關原理的控制器，將常規PID和模糊控制器結合起來控制轉速環，最后利用MATLAB/SIMULINK對其進行仿真，實驗結果表明模糊自適應PID相比于常規PID，具有超調減小、過度平穩、調節時間短、具體很好的動態響應特性和穩定特性。

參考文獻

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