模糊PID算法在紙機(jī)干燥部的應(yīng)用

董超++鄭芳琴

文章編號：2095-6835（2017）10-0148-02

摘 要：針對紙機(jī)干燥部溫度控制回路的時滯常數(shù)大，控制困難的特點，提出采用可編程控制器（PLC）結(jié)合模糊PID算法。這種方法需首先建立模糊規(guī)則表，通過查表的方法來確定模糊PID控制器的參數(shù)，而后由模糊PID控制器控制閥門的開度，從而達(dá)到對溫度的控制要求，實現(xiàn)干燥部的優(yōu)化過程控制。結(jié)果表明，模糊PID算法具有較好的控制效果。

關(guān)鍵詞：模糊PID算法；紙機(jī)干燥部；控制器；DCS控制系統(tǒng)

中圖分類號：TS734 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.148

傳統(tǒng)的軟PID參數(shù)不易整定，而且參數(shù)一旦整定好之后就固定不變，不能根據(jù)對象的變化自我調(diào)整，這樣就降低了PID的控制精度和魯棒性，不適應(yīng)于大時滯過程對象的控制。而紙機(jī)的烘干部就是一個大時滯對象，如果應(yīng)用常規(guī)的PID控制器，就難以達(dá)到工業(yè)上所要求的溫度控制曲線，所以將模糊控制的原理應(yīng)用于傳統(tǒng)的PID，根據(jù)查表的方法在線整定PID參數(shù)，使其根據(jù)對象的變化而變化，從而提高傳統(tǒng)PID的控制精度和魯棒性，并將其應(yīng)用于紙機(jī)的干燥部。

1 工藝流程簡介

由發(fā)電廠輸送過來的新鮮蒸汽分別進(jìn)入紙機(jī)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ 3組烘缸，其進(jìn)氣量的大小由相應(yīng)的閥門開度來控制。Ⅰ段烘缸只進(jìn)新鮮蒸汽，Ⅱ段烘缸除了通入新鮮蒸汽外還有來自Ⅰ段烘缸的二次蒸汽，因而此段烘缸溫度比Ⅰ段低。為了節(jié)約能源，Ⅲ段烘缸不但加入Ⅱ段烘缸的二次蒸汽，而且加入了自身的二次蒸汽。但是Ⅲ段的二次蒸汽壓力較低，所以需使用熱泵，通過新鮮蒸汽的流動來帶動二次蒸汽，這樣既可以利用二次蒸汽，節(jié)約能源，又可以消除烘缸積水。

2 控制器設(shè)計

對于紙機(jī)干燥部，最終的控制目標(biāo)是各烘缸段的表面溫度。由于溫度的非接觸測量難度大、精度低，溫度控制回路的時滯常數(shù)大，控制困難，所以通常根據(jù)飽和蒸汽壓力與溫度的對應(yīng)關(guān)系，采用檢測壓力、控制壓力的方法來穩(wěn)定各烘缸段的溫度，從而獲得工藝要求的烘缸溫度曲線。

在本控制系統(tǒng)中，核心控制算法依然是工業(yè)中廣泛采用的數(shù)字PID系列算法。但是為了實現(xiàn)本系統(tǒng)的總體設(shè)計思想，在節(jié)能和響應(yīng)速度2方面都盡可能地趨于最優(yōu)，借助于非線性PID的控制思想，對控制器的理論輸出值進(jìn)行相應(yīng)的修正后得到實際輸出值，輸出給對應(yīng)的氣動調(diào)節(jié)閥的閥門定位器。所以本次采用模糊PID算法。

模糊規(guī)則的選取以現(xiàn)場工程師的經(jīng)驗為準(zhǔn)，具體控制如下。

2.1 熱泵的壓力控制和熱泵開度的模糊控制

對于每個熱泵，包括如圖1所示的吹貫蒸汽壓差控制（DPIC）和烘缸組補(bǔ)汽壓力控制（PIC）2個閉環(huán)回路以及1個熱泵開度低端選擇開環(huán)控制（LPS）。對于DPIC和PIC 2個單回路，其

中心控制算法是常規(guī)PID算法，但排汽閥和補(bǔ)汽閥的實際動作規(guī)律卻如圖2中實線所示，熱泵針形調(diào)節(jié)頭的實際動作規(guī)律如圖2中虛線所示。其橫軸的理論值是DPIC和PIC 2個單回路中閥門理論開度值中較小的一個，即進(jìn)行低端選擇。由圖2不難看出：當(dāng)DPIC和PIC控制器的理論輸出值小于50%時，排汽閥和補(bǔ)汽閥都關(guān)閉。這就意味著Ia段烘缸所需要的蒸汽都由1#閃蒸罐閃蒸出來的二次蒸汽經(jīng)熱泵增壓后得到的混合蒸汽來供給。而熱泵的實際開度比理論計算值大，當(dāng)其理論值為50%時，實際值就達(dá)到100%，即處于全開狀態(tài)，以盡可能多地利用二次蒸汽，減少新鮮蒸汽的使用量，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2.2 濕端低溫段烘缸組壓力回路的控制

由于濕紙幅從毯缸分離出來，含水量很高，要求低溫段前面一兩個烘缸溫度相對較低，并由前至后保持一個穩(wěn)定、溫度逐漸升高的溫度曲線。為此，從工藝上講，這段烘缸組分成3小段，采用3個壓力回路進(jìn)行分段模糊控制，并將最初一段的壓力設(shè)定為負(fù)壓，如圖3所示。各閥門的實際動作規(guī)律如圖4所示。這樣做的目的同前面類似，在保證滿足工藝要求的前提下充分利用系統(tǒng)余熱，盡可能地減少新鮮蒸汽的消耗量，并有效避免紙頁粘缸、掉毛、掉粉、起皺、翹曲、斷紙等現(xiàn)象。

3 模糊PID在PLC中的實現(xiàn)

本次應(yīng)用針對車速60 m/min的紙機(jī)烘干系統(tǒng)而設(shè)計，并采用以西門子CPU314-2DP為核心的DCS控制系統(tǒng)。這樣可以減少分接頭數(shù)，提高系統(tǒng)的安全性，而模糊化的PID具有快速性和高的控制精度，從而保證了動作的可靠性，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的效率。模糊PID通過S7-300站實現(xiàn)門進(jìn)氣量的智能控制，以達(dá)到對烘缸溫度的控制目的。置于MCC控制室中的ET200M可將驅(qū)動烘缸的電機(jī)接入到DCS控制系統(tǒng)中，ET200M與S7-300站的通訊，以及2臺上位機(jī)與S7-300站之間的通訊均采用西門子專用的561卡，數(shù)據(jù)通過PROFIBUS-DP總線通信。

本次軟件設(shè)計借助于西門子專用編程軟件Step7，通過編程的方法實現(xiàn)自適應(yīng)PID的控制功能。由于Step7中的FB41本身就是普通的軟PID，所以編程方面主要是解決如何實現(xiàn)模糊控制及自適應(yīng)，以改進(jìn)FB41的控制功能。所以先定義輸入誤差取e=S（k）-P（k）（即設(shè)定值與過程值之間的差值），誤差變化率ec=e（k）-e（k-1）（e（k）是PLC本次掃描周期所計算出的誤差，e（k-1）是上次掃描周期所計算的誤差）。取OB1為主循環(huán)程序，控制整個系統(tǒng)中子程序的調(diào)用順序，實現(xiàn)全局最優(yōu)；OB35為中斷子程序，即程序運(yùn)行10次調(diào)用1次蒸汽流量累計程序FC15；FC1為模擬量輸入子程序，其采樣值保存于DB100中；FC98調(diào)用模擬量平均子程序，并將平均后的模擬量放入DB20中對應(yīng)的字中；模糊化子程序FC2主要實現(xiàn)輸入量的模糊化，并將噪聲干擾去除掉；FC3為模糊推理程序，其背景數(shù)據(jù)塊選取DB21（存放上文的模糊規(guī)則），并通過查表的方式實現(xiàn)模糊推理；解模糊程序放于FC4中，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的清晰化，標(biāo)度變換后得到PID參數(shù)；整定后的PID參數(shù)直接賦給FB41的背景數(shù)據(jù)塊DB30，覆蓋掉DB30中原有的PID控制參數(shù)，進(jìn)而控制執(zhí)行器的動作，以實現(xiàn)PID的在線自我整定功能。

4 控制效果

在實際應(yīng)用中，該控制器取得了較好的控制效果，當(dāng)蒸汽壓力從7.9 kPa上升到12.3 kPa時，系統(tǒng)超調(diào)量比較小，而且從系統(tǒng)開始響應(yīng)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間大概幾秒左右，比常規(guī)PID響應(yīng)要快得多；由于控制器魯棒性較強(qiáng)，所以系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)時的壓力曲線表現(xiàn)比較平滑，而此時整定出的PID控制參數(shù)基本不變，閥門的開度也不變，從而減少了閥門的擺動次數(shù)，延長了閥門的使用壽命，提高了系統(tǒng)抗干擾的能力。

5 結(jié)束語

實際運(yùn)行結(jié)果表明，這種改進(jìn)后的PID是切實可行的，其模糊自整定功能可以有效擬制噪聲和隨機(jī)干擾，特別是將其與PLC相結(jié)合，大大改進(jìn)了西門子PID的控制功能，提高了DCS系統(tǒng)的整體性能，實現(xiàn)了高級控制與實際應(yīng)用之間的結(jié)合，為廠家節(jié)約了成本，提高了社會效益。

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〔編輯：劉曉芳〕