摘  要： 介紹了DMF回收系統(tǒng)的工藝流程。在分析了模糊控制和PID控制的特點(diǎn)后,，將兩種控制方法融合并形成模糊PID控制,。將模糊控制與西門子PLC的PID功能模塊FM355相結(jié)合，采用STEP7編寫模糊控制器軟件,；模糊規(guī)則采用Mamdani算法,，通過離線計(jì)算得出模糊查詢表,，控制系統(tǒng)在線查詢的控制策略,，并將其應(yīng)用于DMF回收控制系統(tǒng)中。生產(chǎn)實(shí)踐證明,，模糊PID控制的性能良好,。
關(guān)鍵詞： DMF回收,；模糊PID控制；STEP7

　在工業(yè)濕法的合成革生產(chǎn)中,，二甲基甲酰胺（DMF）作為洗滌固化劑,有著重要的作用,。DMF具有強(qiáng)污染性，若流失到大氣,、水或土壤中會給環(huán)境帶來嚴(yán)重污染,，因此現(xiàn)今生產(chǎn)線上流失的DMF都需要做回收處理。
    DMF的回收采用多塔精餾工藝,，屬于典型的化工精餾的過程,，包含一、二級濃縮塔,、精餾塔,、蒸發(fā)罐等。過程有原料預(yù)熱,、負(fù)壓濃縮,、精餾、脫酸等工藝過程,。在實(shí)際操作中,，精餾塔液位波動很快，影響因素很復(fù)雜,，受塔操作壓力,、塔釜熱量、塔頂回流量及進(jìn)出料量的影響,，工藝參數(shù)關(guān)聯(lián)度高,，非線性程度高，難以建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型,，常規(guī)的PID控制難以做到實(shí)時有效的控制,。針對這些特點(diǎn)大部分企業(yè)暫時只能夠運(yùn)用手動控制輸出的方式來解決控制不穩(wěn)定的問題。
    近年來,，模糊控制技術(shù)飛速發(fā)展,，越來越多地應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域。由于模糊控制技術(shù)不依賴對象精確的數(shù)學(xué)模型,，具有較強(qiáng)的魯棒性,，即使控制對象沒有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，也可以依照經(jīng)驗(yàn)對其進(jìn)行穩(wěn)定控制,。在本系統(tǒng)實(shí)際精餾塔的液位控制中,，存在不同程度的超調(diào)和震蕩現(xiàn)象，而且存在調(diào)節(jié)時間長的問題。綜合被控對象的非線性,、高階次,、大滯后、數(shù)學(xué)模型難以確定等特點(diǎn),，因此適宜采用模糊控制,。然而，模糊控制自身也具有一定的局限性,，例如穩(wěn)態(tài)性能較差等,。為了解決這些問題，就需要模糊控制器具有自學(xué)習(xí),、自調(diào)整的能力,。
    本文設(shè)計(jì)了一種fuzzy-PID復(fù)合控制器，利用STEP7將模糊控制與PID算法相結(jié)合,，提高了對非線性時滯系統(tǒng)的控制能力,。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
    DMF回收智能控制系統(tǒng)硬件主要由SIMENSE PLC-300、工控機(jī),、液位傳感器等部件組成,，軟件編寫采用STEP7，上位機(jī)軟件采用組態(tài)王軟件,。
    如圖1所示,，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為中央處理單元（CPU）、功能模塊（FM）,、網(wǎng)絡(luò)通信模塊（CP）,、信號模塊（SM）幾個部分。其中CP343為網(wǎng)絡(luò)通信模塊,，負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通信,；SM334為模擬量輸入/輸出模塊，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場的信號或給出輸出信號,；SM321為數(shù)字量輸入模塊,，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場的數(shù)字量信號；FM355C為智能控制模塊,，本身具有執(zhí)行傳統(tǒng)PID算法的功能,，可以實(shí)現(xiàn)對被控對象的PID控制。
    

    精餾塔的液位通過液位傳感器采集后轉(zhuǎn)換成4 mA～20 mA的電流信號送入PLC的模擬量模塊SM334中,，在PLC中計(jì)算偏差液位E和偏差變化率EC并傳入數(shù)據(jù)塊,，通過模糊控制器計(jì)算出PID控制器各參數(shù)的遷移量，在PLC數(shù)據(jù)塊中形成新的PID參數(shù),，最后通過傳統(tǒng)PID算法計(jì)算并輸出4 mA～20 mA信號來控制氣動閥,，從而達(dá)到調(diào)節(jié)液位的效果,。
2 模糊控制器的設(shè)計(jì)
2.1 模糊化
    模糊PID參數(shù)自調(diào)整模糊控制器由3個子模糊控制器共同構(gòu)成，每個子模糊控制器的輸入變量為液位誤差E和誤差變化EC,，輸出變量分別為△Kp、△Ki,、△Kd,。
    基于對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析以及液位的控制經(jīng)驗(yàn)，E和EC的論域設(shè)計(jì)為[-6,，+6],，輸出變量△Kp、△Ki,、△Kd的論域分別為[-10,，+10]、[-10,，+10],、[-2，+2],。模糊輸入輸出的量化等級為7級,，定義模糊集為[NB，NM,，NS,，O，PS,，PM,，PB]，含義依次表示負(fù)大,、負(fù)中,、負(fù)小、零,、正小,、正中、正大[1-3],。采用三角形函數(shù)作為隸屬度函數(shù)以確定模糊語言變量的隸屬度,，可分別得到各模糊變量的隸屬度賦值表。由此可計(jì)算出精確量E和EC并得出相應(yīng)的模糊語言變量的輸入,。
2.2 建立模糊控制規(guī)則
    根據(jù)數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場操作人員手動調(diào)節(jié)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn),，各環(huán)節(jié)的控制規(guī)則如下。
    (1)比例環(huán)節(jié)的作用是及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號,，并即刻產(chǎn)生控制作用以減少偏差,。因此,，當(dāng)偏差較大時，為提高響應(yīng)速度,，Kp應(yīng)取較大值,；當(dāng)偏差較小接近穩(wěn)態(tài)時，為防止超調(diào)過大引起振蕩,，Kp應(yīng)取較小值,。△Kp的模糊規(guī)則庫如表1所示,。

    (2)積分環(huán)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差,，通過對誤差進(jìn)行積分，對系統(tǒng)控制有一定的滯后作用,。因此,，當(dāng)偏差較大時，Ki應(yīng)該取較小值,，避免造成系統(tǒng)超調(diào)量過大或系統(tǒng)振蕩,。當(dāng)誤差較小接近穩(wěn)態(tài)時，Ki應(yīng)適量加大,，以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,，提高控制精度?！鱇i的模糊規(guī)則庫如表2所示,。

    (3)對有較大慣性和滯后的被控對象，微分環(huán)節(jié)可以預(yù)測誤差變化的趨勢,。它能在偏差信號值變得太大之前加入有效的修正信號,，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減少調(diào)節(jié)時間,。由于微分環(huán)節(jié)對于干擾信號較為敏感,，因此Kd的取值應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。本系統(tǒng)中,，在誤差較大時應(yīng)取較大的Kd值，控制中期或接近穩(wěn)態(tài)時,，Kd值應(yīng)取較小值,，從而減弱過程的控制作用，增加對擾動的抑制能力,?！鱇d的模糊規(guī)則庫如表3所示。

    本系統(tǒng)中控制規(guī)則采用Mamdani算法,，即基于IF-THEN的產(chǎn)生式規(guī)則,，其結(jié)構(gòu)簡單,，易于修改。用一個由

2.3 清晰化
    清晰化過程即把模糊語言變量轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的精確量,，采用最大隸屬度法,，即μ(u*)≥μ(u)，u∈U,，μ是u的隸屬度函數(shù),，u*是與最大隸屬度對應(yīng)的模糊控制量的值。
3 STEP7實(shí)現(xiàn)的軟件設(shè)計(jì)
    SIMENSE S7-300 PLC的編程軟件STEP7提供了豐富的擴(kuò)展功能模塊,，為實(shí)現(xiàn)各種功能的算法提供了便利的條件[8],。STEP7工程中,，主程序模塊OB1實(shí)現(xiàn)對子程序模塊的調(diào)用和數(shù)據(jù)傳遞,，是不斷刷新的，OB35是中斷服務(wù)程序模塊,，用來響應(yīng)系統(tǒng)中斷,，OB100模塊為系統(tǒng)初始化模塊，系統(tǒng)上電時自動運(yùn)行,，初始化各參數(shù),。在STEP7工程中編寫函數(shù)FB1模塊為主模糊控制器，編寫子函數(shù)FC1~FC4完成整個模糊控制功能,，手動輸入各子模糊控制器的模糊控制查詢表至DB5-DB7中,。其中FC1負(fù)責(zé)計(jì)算液位偏差E和偏差變化率EC，F(xiàn)C2負(fù)責(zé)將E和EC模糊化,，把精確數(shù)值轉(zhuǎn)化為模糊語言變量,，F(xiàn)C3負(fù)責(zé)在線查詢，通過在DB塊中查表,，根據(jù)模糊語言變量的輸入得出相應(yīng)的模糊語言變量的輸出,，F(xiàn)C4負(fù)責(zé)將模糊語言變量的輸出清晰化，轉(zhuǎn)換為精確值△Kp,、△Ki,、△Kd。系統(tǒng)在自動控制狀態(tài)下,，F(xiàn)B1分別調(diào)用FC1,、FC2、FC3,、FC4,，完成模糊控制功能的計(jì)算，清晰化以后根據(jù)如下方法進(jìn)行3個參數(shù)的自適應(yīng)校正：
    Kp=Kp+△Kp,，Ki=Ki+△Ki,，Kd=Kd+△Kd,。
    通過模糊和推理修正后的PID參數(shù)Kp、Ki,、Kd存入PLC數(shù)據(jù)塊,，通過FM355模塊應(yīng)用在普通的PID算法上，形成具有自適應(yīng)功能的模糊PID算法,。
    模糊PID算法軟件設(shè)計(jì)的流程框圖如圖3所示,。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果分析
    應(yīng)用了模糊PID控制的算法后，DMF回收控制系統(tǒng)對精餾塔液位的控制效果比以前有明顯改善,。
    從控制曲線可以看出,，運(yùn)用模糊PID自調(diào)整控制方式，超調(diào)量小,，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的時間短,。模糊PID自調(diào)整控制方式是將模糊控制和PID控制兩者相結(jié)合，進(jìn)行參數(shù)的在線調(diào)整,，在初期偏差比較大時,，自動增大比例常數(shù)Kp，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)時間,；在偏差較小時,，適當(dāng)增加積分常數(shù)Ki，消除了靜態(tài)誤差,，減小超調(diào),，縮短了穩(wěn)態(tài)時間，從而使系統(tǒng)的控制精度提高,，動態(tài)性能得到改善,。如圖4、圖5所示,。

    模糊推理用于模仿人腦的邏輯思維,，用于處理模型未知或不精確的控制問題。而采用西門子系列PLC實(shí)現(xiàn)模糊控制時,，需要專用的編程設(shè)備,，價格昂貴，使用復(fù)雜,。本文使用軟件方法實(shí)現(xiàn)的模糊控制器大大節(jié)約了企業(yè)成本,，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)完全自動化，以往因控制不穩(wěn)定而導(dǎo)致的必須人工手動操作輸出的制度得以解除,。另外利用模糊規(guī)則庫離線計(jì)算生成查詢表,，在系統(tǒng)中直接在線查詢，優(yōu)化了系統(tǒng)的運(yùn)行速度,，具有較高的工程應(yīng)用價值,。本控制方法現(xiàn)在已應(yīng)用于某化工企業(yè)DMF回收控制系統(tǒng)當(dāng)中,，控制較以前有了明顯改善，大大減小了系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間和超調(diào),，控制穩(wěn)定且準(zhǔn)確,，給企業(yè)帶來了較大收益。
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