模糊自適應(yīng)PID控制在分子蒸餾裝置中的應(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)料溫度、導(dǎo)熱油溫度、進(jìn)料量、真空度等。本文重點(diǎn)討論了刮膜電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)分子蒸餾效率的影響，交流異步電機(jī)具有多變量、強(qiáng)耦合、參數(shù)時(shí)變非線性等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的異步電機(jī)調(diào)速均采用PID調(diào)節(jié)，本文采取了模糊自適應(yīng)PID控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制，通過仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：PID控制 模糊自適應(yīng)PID控制 MATLAB仿真

中圖分類號(hào)：TP373 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）11（a）-0078-02

蒸餾裝置自20世紀(jì)20年代出現(xiàn)以后，其理論與研究技術(shù)正在迅速發(fā)展中，已經(jīng)在石油化工、食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域占據(jù)了重要的位置，特別是對(duì)一些高沸點(diǎn)、粘度大和熱敏性比較強(qiáng)的物質(zhì)的分離，由于全世界都在不斷地研究開發(fā)，這項(xiàng)技術(shù)正在慢慢地涉及更廣的領(lǐng)域，然而，目前國(guó)內(nèi)這項(xiàng)技術(shù)與國(guó)外相比依然比較落后，成本高、消耗能量大、產(chǎn)率低，還有很多技術(shù)沒有得到完善，并且由于分子蒸餾過程的不可逆性的特點(diǎn)，使能耗的損失也較大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，蒸餾所消耗的能量約占整個(gè)化工領(lǐng)域的45%，所以研究分子蒸餾過程節(jié)能是必然趨勢(shì)，對(duì)我們解決能源問題起到了關(guān)鍵性作用。

1 雙閉環(huán)PID控制器設(shè)計(jì)

通過各個(gè)操作參數(shù)對(duì)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(gè)比較復(fù)雜的過程，只有平衡好各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，才能有效地進(jìn)行提純。本文重點(diǎn)研究一下如何控制刮膜轉(zhuǎn)速。

傳統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速常用的方法是雙閉環(huán)控制，由轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)閉環(huán)組成，主控制環(huán)是轉(zhuǎn)速控制，其主要作用是穩(wěn)定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，副控制環(huán)是電流控制，結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

整個(gè)控制系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速控制器的輸出電壓作為電流控制器的給定電壓，采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制，并且兩個(gè)閉環(huán)的控制器都采用PID（比例積分微分）控制方法。PID簡(jiǎn)單、可靠性高，被廣泛用于過程控制，但設(shè)計(jì)過分依賴于控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，且抗負(fù)載的能力也不是特別強(qiáng)，存在著參數(shù)不能隨被控對(duì)象的變化做出相應(yīng)調(diào)整的缺點(diǎn)，當(dāng)參數(shù)變化時(shí)，PID控制器的參數(shù)不能隨著被控對(duì)象的變化做出相應(yīng)的調(diào)整。

2 刮膜電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)

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(jìn)行模糊推理，模糊化的最終目的就是將一個(gè)確定的量轉(zhuǎn)化成模糊推理能識(shí)別的模糊量。在模糊化過程中，隸屬函數(shù)的選取對(duì)模糊控制器的控制效果有一定的影響。通常來說，隸屬函數(shù)曲線上升的速度越快就表明控制器對(duì)輸入輸出函數(shù)的辨識(shí)度越高，相反，隸屬函數(shù)曲線比較平穩(wěn)就表明控制器對(duì)輸入輸出函數(shù)的辨識(shí)度比較平穩(wěn)，因此，我們要根據(jù)系統(tǒng)的要求來旋轉(zhuǎn)合適的隸屬函數(shù)。在本文中，要想讓轉(zhuǎn)速達(dá)到無超調(diào)，穩(wěn)定性好，就應(yīng)該選擇靈活性高的三角形隸屬度函數(shù)，能夠保證足夠的精度?，F(xiàn)在我們來定義7個(gè)模糊子集，分別在參數(shù)、、以及偏差論域E和偏差變化論域EC上，與之相對(duì)應(yīng)的7個(gè)語言值分別是正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）、負(fù)重（NM）、負(fù)大（NB）、負(fù)?。∟S）和零（Z）。用三角函數(shù)來作為隸屬度函數(shù)，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(jìn)行模糊處理之后，就要進(jìn)行模糊推理過程，模糊推理就是用建立好的模糊規(guī)則來確定輸入和輸出量的模糊關(guān)系，然后用建立的模糊關(guān)系去控制輸出量。圖2是一般的階躍響應(yīng)的輸出曲線。

將這條輸出曲線分為區(qū)域1、2、3和A、B、C、D、E、F六個(gè)比較重要的點(diǎn)進(jìn)行分析。通過它們變化的規(guī)律來確定相應(yīng)參數(shù)、和，模糊規(guī)則表也是根據(jù)這一變化規(guī)律制定。

2.3 解模糊化

2.4 刮膜轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的仿真與分析

MATLAB是控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具之一，提供了有效的工具箱支持，前面我們已經(jīng)利用了MATLAB中的模糊工具箱建立了輸入輸出函數(shù)以及模糊推理規(guī)則，另外，MATLAB中還嵌入了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真工具SIMULINK。SIMULINK具有建模簡(jiǎn)單、仿真易操作、簡(jiǎn)單可行和修改系統(tǒng)參數(shù)便捷等優(yōu)點(diǎn)。其仿真結(jié)果如圖3和圖4所示，三相異步電動(dòng)機(jī)：型號(hào)Y132S-4，電壓U=380V，功率P=50kW，電流I=116A，額定轉(zhuǎn)速n=1440r/min，頻率50Hz，額定轉(zhuǎn)矩7.5N/m，定子電感0.55H，轉(zhuǎn)子電感0.58H，互感055H，定子電阻5.8Ω，轉(zhuǎn)子電阻5.5Ω。

通過仿真曲線能夠看出，模糊自適應(yīng)PID相比于常規(guī)PID控制更加理想，能在較短的時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定，超調(diào)較小，對(duì)外界干擾具有較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性，在工程應(yīng)用上有較好的前景。

3 結(jié)語

本文在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種基于閥值開關(guān)原理的控制器，將常規(guī)PID和模糊控制器結(jié)合起來控制轉(zhuǎn)速環(huán)，最后利用MATLAB/SIMULINK對(duì)其進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模糊自適應(yīng)PID相比于常規(guī)PID，具有超調(diào)減小、過度平穩(wěn)、調(diào)節(jié)時(shí)間短、具體很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定特性。

參考文獻(xiàn)

[1] 李國(guó)兵.刮膜分子蒸餾過程研究[D].天津大學(xué)，2002.

[2] 張俊青.三相異步電動(dòng)機(jī)的模糊PID控制研究[J].科技資訊，2009（16）：61.

[3] 諸靜.模糊控制原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2001.