CN103869696A - 一种蒸馏参数解耦控制方法 - Google Patents

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CN103869696A CN201410100443.8A CN201410100443A CN103869696A CN 103869696 A CN103869696 A CN 103869696A CN 201410100443 A CN201410100443 A CN 201410100443A CN 103869696 A CN103869696 A CN 103869696A
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李慧
李秀歌
张德江
尤文
李颖
王珂鑫
果芯如
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Abstract

一种蒸馏参数解耦控制方法涉及蒸馏过程参数控制领域，该方法利用模糊前馈解耦控制器结合常规PID控制器，实现蒸馏过程中蒸馏温度和蒸馏压力的解耦控制。本发明有效消弱了蒸馏温度和蒸馏压力的耦合性影响，提高了蒸馏过程中单一变量（蒸馏温度或蒸馏压力）的控制精度和系统稳定性，提高了蒸馏产品质量，有利于蒸馏过程节能。

Description

一种蒸馏参数解耦控制方法
技术领域
本发明涉及一种蒸馏过程参数解耦控制方法，具体地说是一种针对蒸馏过程中温度和压力的模糊解耦控制方法。
背景技术
蒸馏系统是一个多输入多输出的大系统。物料在分离提纯过程中受蒸发温度、蒸发压力、进料速度等参数影响，其中温度和压力相互影响，耦合性较强，现有的蒸馏控制系统没有考虑蒸馏温度和蒸馏压力的强耦合，在参数控制中没有进行温度和压力的解耦控制，因此很难实现准确的单一参数（温度或者压力）控制，这种蒸馏参数控制的不准确性，严重影响了蒸馏产品质量。
蒸馏装置主要包括蒸发器系统、加热系统、真空系统和进/出料系统。蒸馏加热系统提供蒸馏温度，真空系统提供蒸馏压力，进/出料电机控制进/速度。其中系统的热油机电压与蒸发器内压力；真空阀门开度与蒸发内温度存在严重的不稳定耦合，这种不稳定耦合严重影响蒸馏过程中的温度和压力控制的准确性，不满足蒸馏过程生产的实时性高的要求，对蒸馏产品质量和蒸馏过程系统稳定性有严重影响。
目前可以检索到的有关蒸馏过程参数控制方面的文献均没有考虑变量间相互耦合的影响，特别是对蒸馏过程影响较大的温度和压力参数的解耦控制。因此，提出蒸馏过程温度和蒸馏压力解耦控制将有利于蒸馏过程中温度和压力参数的控制，提高蒸馏产品质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解除蒸馏过程中蒸馏温度和蒸馏压力耦合关系的模糊解耦控制方法。
本发明的实现方法：
本发明的蒸馏温度和蒸馏压力模糊解耦控制是基于以PLC为控制器的蒸馏分布式控制系统实现的。分布式蒸馏控制系统由蒸发器系统、温度控制系统、真空度控制系统、冷凝器控制系统、进/出控制系统和监控系统组成。其中温度控制回路提供蒸馏装置所需的温度，真空度控制系统提供蒸馏装置所需的压力。温度控制回路装置主要包括热油机，夹套，变压器，热电偶传感器。压力控制回路装置主要包括旋片式真空泵、液环真空泵、扩散泵和稳定型电阻真空规管。从工业过程控制的角度划分，蒸馏分布式控制系统可分为三级，分别是现场执行机构级、PLC控制级和上位机监控级。模糊解耦控制算法在基于OPC技术下应用在PLC控制级。
本发明的蒸馏温度和蒸馏压力模糊解耦控制实施步骤为。
（1）设定蒸馏过程控制中温度和压力稳态值，系统开始运行。
（2）通过现场执行机构级的温度和压力传感器实时检测蒸馏过程系统的温度和压力实测值，将数据通过MPI通信传递到PLC控制器。
（3）PLC控制器与组态软件进行以太网数据通信，组态软件与MATLAB通过OPC通信，这样MATLAB就通过PLC与蒸馏温度和蒸馏压力建立了连接，PLC以组态软件为桥梁将数据传递给MATLAB中的SIMULINK中，SIMULINK中集成设计了模糊解耦控制算法，经过算法计算，将输出再返回PLC控制器。
（4）PLC控制器将获取的现场执行机构级数据信息及经过模糊解耦控制算法计算的输出，通过INTERNET网络传输到上位机监控级，监控级负责所有数据的保存和查询。
（5）PLC控制器在上传数据到上位机的同时，下传控制信号到执行机构，执行机构通过调节热油机电压调节蒸馏温度，调节真空阀门的开度调节蒸馏压力。将整个系统变化到指定的工况下。
（6）现场传感器及检测变送环节将实施及调节信号同步传输至PLC控制器，系统循环执行（1）~（5）。
本发明蒸馏系统温度和压力模糊解耦控制方法还可以包括。
1、组态软件可以是以组态王、IFIX为代表的工业过程控制组态软件。
2、现场执行机构级的温度传感器可以是热电偶，压力传感器可以是稳定型电阻真空规管。
3、模糊解耦控制包含两个单独的二维模糊前馈控制器，温度模糊前馈控制器和压力模糊前馈控制器。模糊前馈控制器负责将输入值进行模糊化，按照专家制定的模糊控制规则进行模糊推理，推理得到的模糊值进行解模糊化，得到精确的系统控制量，控制量输出作用于蒸馏温度和蒸馏压力的动态数学模型，实现温度和压力的解耦控制。
4、蒸馏温度和蒸馏压力的动态数学模型可以通过系统辨识的方法得到。
本发明的工作原理是：本发明的核心部分是针对蒸馏过程中的蒸馏温度和蒸馏压力存在强耦合，难以实现单一变量准确控制，同时蒸馏温度和蒸馏压力精确的数学模型难以建立问题。在系统辨识和常规PID控制的基础上，采用模糊前馈补偿器的原理进行蒸馏温度和蒸馏压力的模糊解耦控制，已达到解除温度和压力耦合的目的。
附图说明
图1 系统结构图。
图2 IFIX组态软件与MATLAB数据通信结构图。
图3 MATLAB/SIMULINK环境下的系统总体结构图。
图4 模糊解耦控制算法应用流程图。
图5 蒸馏温度模糊控制规则表。
图6 蒸馏压力模糊控制规则表。
图7 蒸馏温度模糊控制查询表。
图8 蒸馏压力模糊查询表。
图9 无解耦时温度和压力输出曲线。
图10 模糊解耦控制时温度和压力输出曲线。
具体实施方式
以蒸馏温度和蒸馏压力为控制变量，物料的纯度作为系统的输出量。系统的结构图如图1所示。结合图1，                                                
Figure 541643DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 793632DEST_PATH_IMAGE002
分别为系统的输入蒸馏温度和蒸馏压力，蒸馏系统主控制通道上设计了常规PID控制器，在前馈通道上设计了温度和真空度两个模糊前馈控制器，模糊控制器的结构均是二维模糊控制器。对于温度变量，分别选取温度的实测值与设定值得误差
Figure 693455DEST_PATH_IMAGE003
及误差的变化率
Figure 259566DEST_PATH_IMAGE004
作为模糊控制器的输入，温度模糊控制器的输出为
Figure 561234DEST_PATH_IMAGE005
。对于真空度，分别选取压力的实测值与设定值的误差
Figure 233393DEST_PATH_IMAGE006
和误差的变化率
Figure 620512DEST_PATH_IMAGE007
作为输入，压力模糊控制器输出为
Figure 990313DEST_PATH_IMAGE008
。和
Figure 740281DEST_PATH_IMAGE008
通过系统辨识的蒸馏温度和蒸馏真空度进行动态数学模型解耦，最后得到系统输出
Figure 335658DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 346339DEST_PATH_IMAGE011
。模糊前馈控制器设计包括模糊化、模糊推理、解模糊等几个部分。
1、温度输入/输出变量的模糊化
温度变量模糊控制器为双输入、单输出的二维模糊控制器，输入量为给定温度量与输出量
Figure 472744DEST_PATH_IMAGE010
之差构成的误差信号
Figure 184348DEST_PATH_IMAGE003
及其变化
Figure 49536DEST_PATH_IMAGE004
，输出控制量为
Figure 188393DEST_PATH_IMAGE005
。 
（1）输入变量
Figure 83406DEST_PATH_IMAGE003
模糊化的过程包括：的基本论域为[
Figure 318395DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 690471DEST_PATH_IMAGE013
]，即： [-30，30]，单位：°C；模糊量化论域：[，
Figure 627651DEST_PATH_IMAGE015
]，即：[-6，+6]；的模糊集为{NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB}；模糊语言表示为{负大，负中，负小，零负，零正，正小，正中，正大}；误差的量化因子：
Figure 948091DEST_PATH_IMAGE016
即。
（2）输入变量的模糊化：
Figure 854233DEST_PATH_IMAGE004
的基本论域：[-|
Figure 505794DEST_PATH_IMAGE018
|，+|
Figure 862695DEST_PATH_IMAGE018
|]，即：[-2，+2]，单位：°C/s；量化论域：[-
Figure 257904DEST_PATH_IMAGE019
，+]，即：[-6，+6] ；
Figure 770105DEST_PATH_IMAGE004
模糊集为{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}；模糊语言表示为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；误差的变化率的量化因子：
Figure 37139DEST_PATH_IMAGE020
即
Figure 236039DEST_PATH_IMAGE021
。
（3）输出变量
Figure 639338DEST_PATH_IMAGE005
的模糊化：
Figure 960598DEST_PATH_IMAGE005
的基本论域：[
Figure 714927DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 451939DEST_PATH_IMAGE023
]，即：[4，20]，单位：mA；量化论域：[，
Figure 779070DEST_PATH_IMAGE025
]，即：[-6，+6]；模糊集：{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}；初选时最大增量一般是输出最大值得百分之几，若取值百分之2，则输出变量的比例因子：即
Figure 108869DEST_PATH_IMAGE027
。
2、压力（真空度）输入/输出变量的模糊化
压力变量模糊控制器为双输入、单输出的二维模糊控制器，输入量为给定温度量
Figure 752340DEST_PATH_IMAGE002
与输出量
Figure 87506DEST_PATH_IMAGE011
之差构成的误差信号
Figure 816428DEST_PATH_IMAGE006
及其变化
Figure 957559DEST_PATH_IMAGE007
，输出控制量为
Figure 455536DEST_PATH_IMAGE008
。
（1）输入变量
Figure 961604DEST_PATH_IMAGE006
的模糊化：
Figure 489406DEST_PATH_IMAGE006
的基本论域：[
Figure 371912DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 724395DEST_PATH_IMAGE029
]，即：[-50，50]，单位：pa；量化论域：[
Figure 666944DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 167195DEST_PATH_IMAGE015
]，即：[-6，+6]；
Figure 587812DEST_PATH_IMAGE006
的模糊集为{NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB}；语言表示为{负大，负中，负小，零负，零正，正小，正中，正大}；误差的量化因子：
Figure 60382DEST_PATH_IMAGE030
即
Figure 721301DEST_PATH_IMAGE031
。
（2）输入变量的模糊化：的基本论域：[-|
Figure 260233DEST_PATH_IMAGE032
|，+|
Figure 544584DEST_PATH_IMAGE032
|]，即：[-2，+2]，单位：pa/s；量化论域：[
Figure 957111DEST_PATH_IMAGE033
，]，即：[-6，+6]；模糊集：{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}；语言表示为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；误差的变化率的量化因子：
Figure 212697DEST_PATH_IMAGE035
。
（3）输出变量 
Figure 667950DEST_PATH_IMAGE008
 的模糊化：
Figure 567772DEST_PATH_IMAGE008
的基本论域：[-|
Figure 196200DEST_PATH_IMAGE036
|，+|
Figure 232289DEST_PATH_IMAGE036
|]，即：[4，20]，单位：mA；量化论域：[-m，+m]，即：[-6，+6]；模糊集：{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}；初选时最大增量一般是输出最大值得百分之几，若取值百分之2，则输出变量的比例因子：
Figure 858442DEST_PATH_IMAGE026
即
Figure 58611DEST_PATH_IMAGE027
。
上述温度和压力误差模糊集均区分了NZ和PZ，选取了八个元素，目的是提高系统稳定精度。隶属度函数选择对称三角线型。
3、制定模糊控制规则
应用LARSEN乘积推理法，根据分子蒸馏工程人员的知识和经验，综合分析后分别制定蒸馏温度模糊控制规则表和压力的模糊控制规则表，分别如图5、图6中的表所示。其中以表1中的第一条规则为例：
rule1：If E1=NB and EC1=NB Then U1=NB
上述规则解释为：如果蒸馏器温度误差
Figure 162833DEST_PATH_IMAGE037
为负大，而且蒸馏器温度误差变化率 
Figure 319008DEST_PATH_IMAGE038
同时也为负大，即实际蒸馏器温度高于蒸馏器设定值，为消除误差，尽快达到蒸馏器设定温度，就要使热油机电压下降，降低热油机导热油温度，其输出变量
Figure 178379DEST_PATH_IMAGE005
也变为负大，其它规则同理。
4、解模糊
本系统解模糊方法采用重心法，其计算公式是：
Figure 787215DEST_PATH_IMAGE039
式中，
Figure 960708DEST_PATH_IMAGE040
为模糊子集中所含有全部的隶属度值在论域上的积分，
Figure 971389DEST_PATH_IMAGE041
根据等号两边相等，取合理的数值，
Figure 313246DEST_PATH_IMAGE042
为元素，
Figure 409378DEST_PATH_IMAGE043
为输出模糊子集。蒸馏温度模糊控制查询表和蒸馏压力模糊查询表，如图7和图8中的表所示。
5、基于OPC技术的数据交换和算法应用设计。
结合图2，分子蒸馏自控系统生产管理层采用IFIX作为OPC SERVER， MATLAB作为OPC CLIENT，以IFIX为桥梁，实现可编程逻辑控制器与MATLAB之间的数据连接。
结合图3，在分子蒸馏过程生产中，温度、压力的控制采用前面所叙述的模糊解耦控制算法，通过MATLAB的SIMULINK搭建控制系统的结构，利用SIMULINK中的OPC工具箱实现与IFIX接口的通讯连接，利用西门子可编程逻辑控制器将控制量输出。
结合图4，现场控制层的PLC将采集到的数据，通过通信协议传递给MATLAB中的SIMULINK中，SIMULINK中集成设计了模糊解耦控制算法，经过算法计算之后，将输出再返回控制器。其中，OPC SERVER通过周期性的访问OPC接口的对象装置，并及时存储生产过程数据。OPC CLINT可以直接访问SERVER中的数据。这些数据只代表PLC控制器上一次所采集的数据。IFIX与S7-300 PLC进行以太网数据通信，IFIX与MATLAB通过OPC通信，这样MATLAB就与被控对象建立了连接，可以进行实时的数据传递，实现被控对象的控制。
结合图9和图10，可以看出无解耦控制时，蒸馏系统的温度和真空度输出超调较大，调节时间长，系统受外界扰动影响大；模糊解耦控制时，系统响应速度快，超调小，抗干扰能力强，模糊解耦控制良好的消弱了温度和压力之间的耦合关系，具有较好的控制性能。
本发明的优点在于：模糊解耦控制较好的消除了蒸馏系统抖动，系统响应速度快，有效的抑制了系统超调，成功的消除了蒸馏温度和蒸馏压力的耦合关系，系统得到有效控制；系统在传递函数变化时，仍能正常工作，系统鲁棒性较强。

Claims (3)

1.一种蒸馏过程参数解耦控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一、设定蒸馏过程控制中温度和压力稳态值，系统开始运行；
步骤二、通过现场执行机构级的温度和压力传感器实时检测蒸馏过程系统的温度和压力实测值，将数据通过MPI通信传递到PLC控制器；
步骤三、PLC控制器与组态软件进行以太网数据通信，组态软件与MATLAB通过OPC通信，这样MATLAB就通过PLC与蒸馏温度和蒸馏压力建立了连接，PLC以组态软件为桥梁将数据传递给MATLAB中的SIMULINK中，SIMULINK中集成设计了模糊解耦控制算法，经过算法计算，将输出再返回PLC控制器；
步骤四、PLC控制器将获取的现场执行机构级数据信息及经过模糊解耦控制算法计算的输出，通过INTERNET网络传输到上位机监控级，监控级负责所有数据的保存和查询；
步骤五、PLC控制器在上传数据到上位机的同时，下传控制信号到执行机构，执行机构通过调节热油机电压调节蒸馏温度，调节真空阀门的开度调节蒸馏压力，将整个系统变化到指定的工况下；
步骤六、现场传感器及检测变送环节将调节信号同步传输至PLC控制器。
2.根据权利要求1所述的一种蒸馏过程参数解耦控制方法，其特征在于：
（1）步骤二中所述的现场执行机构级的温度传感器可以是热电偶，压力传感器可以是稳定型电阻真空规管；
（2）步骤三中所述的组态软件可以是以组态王、IFIX为代表的工业过程控制组态软件。
3.根据权利要求1所述的一种蒸馏过程参数解耦控制方法，其特征在于：所述的模糊解耦控制包含两个单独的二维模糊前馈控制器，温度模糊前馈控制器和压力模糊前馈控制器，模糊前馈控制器负责将输入值进行模糊化，按照专家制定的模糊控制规则进行模糊推理，推理得到的模糊值进行解模糊化，得到精确的系统控制量，控制量输出作用于蒸馏温度和蒸馏压力的动态数学模型，实现温度和压力的解耦控制；蒸馏温度和蒸馏压力的动态数学模型可以通过系统辨识的方法得到。
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