CN107608415A - 一种基于模糊pid控制的电加热纯蒸汽发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模糊PID控制的电加热纯蒸汽发生器，包括：蒸发器，温度传感器，可编程控制器PLC、触摸屏、功率调节器、电加热管、分离器；所述可编程控制器PLC通过温度传感器采集来自于蒸发器的温度，与温度设定值进行比较，经过模糊控制运算，得到温度控制信号；所述触摸屏能够进行初始温度给定，并显现相应温度设定、实际蒸发器温度以及电加热管运行状态相关信息；所述功率调节器能够接收可编程控制器PLC发出的功率调节控制信号，并调节电加热管加热功率。本发明具有控制反应快、适应性强的特点，保证了调节系统具有良好的动、稳态特性，抗干扰性能好及鲁棒性显著增强。

Description

一种基于模糊PID控制的电加热纯蒸汽发生器

技术领域

本发明涉及制药用水设备领域，具体是一种基于模糊PID控制的电加热纯蒸汽发生器。

背景技术

电加热多效蒸馏水机的电加热管一般采用传统的PID控制器来控制加热功率，取得的比较好的控制效果。但是，由于电加热多效蒸馏水机在运行过程中，系统状态参数处于不断变化之中，为使系统始终保持最佳控制状态，需要对PID参数进行不断修正。现场操作人员合理设定这些参数困难极大，影响了电加热多效蒸馏水机的产水效果。电加热纯蒸汽发生器温度控制系统的被控对象是一个非线性、时变的环节，仅采用常规的PID控制很难在整个温度控制范围内达良好的控制效果。

公开号为CN 202522945 U的专利公开了一种注射用水蒸馏温度控制器，其实现途径是在蒸馏塔底部设置加热装置，蒸馏塔顶部设置红外温度传感器，通过红外温度传感器、含有模数装换模块的PLC控制器来控制加热装置，实现温度控制，但是该专利仅仅通过常规PLC实现温度控制，与本发明将PLC与模糊控制结合相比，本发明具有相应快速、适应行强的特点，动稳态特性更好。

公开号为CN 102436177 B的专利公开了一种多效蒸馏水机的自动控制装置，其中温度控制采用的方法是：工控机根据安装于主蒸汽管道上的温度传感器的温度值区间确定主蒸汽不同温度下原料水流量与主蒸汽压力之间的工艺曲线，最终实现蒸发器温度的稳定。但是，在调整过程中，由于存在调整梯度的原因，温度波动大，控制精度不如本发明的控制精度。

现有的能提高PID控制精度的解决方案存在缺陷，本发明正是基于此提出改进方案。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明旨在提供一种基于模糊PID控制的电加热管加热功率控制方法，解决了常规PID控制调节时间长、超调量大、鲁棒性差的问题。

为了实现上述技术目的，本发明采用下述技术方案：一种基于模糊PID控制的电加热纯蒸汽发生器，包括蒸发器、可编程控制器PLC、功率调节器、电加热管、触摸屏。

其特征在于：所述可编程控制器PLC采集来自于蒸发器的温度，与温度设定值进行比较，经过模糊控制运算，得到温度控制信号；所述触摸屏能够进行初始温度设定，并显现相应温度设定、实际蒸发器温度以及电加热管运行状态相关信息；所述功率调节器能够接收可编程控制器PLC发出的功率调节控制信号，并调节电加热管加热功率。

优选的，它还包括温度传感器，所述温度传感器与可编程控制器PLC相连，所述的温度传感器用于检测蒸发器的温度，并将输出温度信号到所述可编程控制器PLC，所述可编程控制器PLC基于温度设定，调节功率调节器，改变蒸发器温度，随后饱和纯蒸汽进入到分离器中进行汽液分离，最终通过分离器的顶端排出。

优选的，一种基于模糊PID控制的电加热纯蒸汽发生器，它还包括以下步骤：

步骤一：温度传感器采集蒸发器温度，并输入到可编程控制器PLC中；

步骤二：可编程控制器PLC将采集的蒸发器温度与温度设定进行比较，经过模糊控制运算，输出功率调节信号；

步骤三：功率调节器接收可编程控制器PLC发来的功率控制信号，并调节电加热管加热功率。

优选的，在步骤二中，在常规PID控制器的基础上，将温度偏差和偏差变化率进行模糊化处理，利用知识库的控制规则，经过模糊推理和解模糊化处理，通过清晰化接口输出，对PID参数进行在线自整定，再由PID控制器给出温度给定信号，送到功率调节器，最终实现对电加热管的有效控制。

PID计算式如下：

其中，u(x)为PID控制响应输出信号，K_P为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数，e(x)为温度偏差，ec(x)为温度变化率。

优选的，所述温度偏差为温度设定与温度反馈的差。

优选的，在步骤二中，所述模糊控制运算，当e(x)绝对值 、ec(x)绝对值大于设定值时，在PID参数设定范围内调节相应参数，包括调大K_P和设K_i、K_d为0。

优选的，在步骤二中，所述模糊控制运算，当e(x) 绝对值大于设定值、ec(x)绝对值在设定值区间范围内时，在PID参数设定范围内调节相应参数，包括调大K_P、调小K_i和设K_d为0。

优选的，在步骤二中，所述模糊控制运算，当e(x)绝对值在设定值区间范围内、ec(x)绝对值大于设定值时，在PID参数设定范围内调节相应参数，包括调小K_P、调大K_i和调大K_d。

优选的，在步骤二中，所述模糊控制运算，当e(x) 绝对值、ec(x)绝对值在设定值区间范围内时，在PID参数设定范围内调节相应参数，包括调小K_P、调小K_i和调大K_d。

相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：本发明根据蒸发器蒸发量、温度、压力等条件来确定电加热管的加热功率，包括电流和电压，检测当前实际温度值并与设定温度值相比较，根据比较结果通过模糊PID控制器来调节电加热管加热功率，使实际温度值等于或接近设定温度值，从而达到了产气快、稳定的目的。本发明既具有PID控制器高精度的优点，又具有模糊控制器快速、适应性强的特点，保证了调节系统具有良好的动、稳态特性，抗干扰性能好及鲁棒性显著增强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的方法流程图。

图3为本发明的模糊控制原理图。

图4为本发明的模糊控制与PID控制的Simulink框图。

图5为本发明的常规PID控制与模糊PID控制稳态阶跃响应示意图。

图6为本发明的常规PID控制与模糊PID控制受到外界20℃扰动关系曲线阶跃响应示意图。

图中标号：1、蒸发器；2、温度传感器；3、PLC可编程控制器；4、触摸屏；5、功率控制器；6、电加热管。

具体实施方式

下面结合附图1-6具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

在原料水进水量恒定的状况下，保证电加热纯蒸汽发生器产气量稳定的重要条件是保证蒸发器内温度，因此对于电加热管6的加热功率调节变得尤为重要。基于电加热管6加热功率调节的重要性，作了如下发明，如图1所示，一种基于模糊PID控制的电加热纯蒸汽发生器，包括可编程控制器PLC3、触摸屏4、功率调节器5、电加热管6。

其特征在于：所述可编程控制器PLC3采集来自于蒸发器1的温度，与温度设定值进行比较，经过模糊控制运算，得到温度控制信号；所述触摸屏4能够进行初始温度设定，并显现相应温度设定、实际蒸发器温度以及电加热管6运行状态相关信息；所述功率调节器5能够接收可编程控制器PLC3发出的功率调节控制信号，并调节电加热管6加热功率。

优选的，它还包括温度传感器2，所述温度传感器2与可编程控制器PLC3相连，所述的温度传感器2用于检测蒸发器1的温度，并将输出温度信号到所述可编程控制器PLC3，所述可编程控制器PLC3基于温度设定，调节功率调节器5，改变蒸发器1温度。随后饱和纯蒸汽进入到分离器（7）中，受到汽液分离组件的分离，产出满足要求的纯蒸汽，最终通过分离器（7）的顶端排出。

如图2所示，一种基于模糊PID控制的电加热纯蒸汽发生器，它包括以下步骤：

步骤一：温度传感器2采集蒸发器1温度，并输入可编程控制器PLC3；

步骤二：可编程控制器PLC3将采集的蒸发器1温度与温度设定进行比较，经过模糊控制运算，输出功率调节信号；

步骤三：功率调节器5接收可编程控制器PLC3发来的功率控制信号，并调节电加热管6加热功率。

优选的，如图3所示，在步骤二中，在常规PID控制器的基础上，将温度偏差和偏差变化率进行模糊化处理，利用知识库的控制规则，经过模糊推理和解模糊化处理，通过清晰化接口输出，对PID参数进行在线自整定，再由PID控制器给出温度给定信号，送到功率调节器5，最终实现对电加热管6的有效控制。

PID计算式如下：

其中，u(x)为PID控制响应输出信号，K_P为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数，e(x)为温度偏差，ec(x)为温度变化率。

优选的，所述温度偏差为温度设定与温度反馈的差。

优选的，在步骤二中，所述模糊控制运算，当e(x)绝对值 、ec(x)绝对值大于设定值时，在PID参数设定范围内调节相应参数，包括调大K_P和设K_i、K_d为0。

优选的，在步骤二中，所述模糊控制运算，当e(x) 绝对值大于设定值、ec(x)绝对值在设定值区间范围内时，在PID参数设定范围内调节相应参数，包括调大K_P、调小K_i和设K_d为0。

优选的，在步骤二中，所述模糊控制运算，当e(x)绝对值在设定值区间范围内、ec(x)绝对值大于设定值时，在PID参数设定范围内调节相应参数，包括调小K_P、调大K_i和调大K_d。

优选的，在步骤二中，所述模糊控制运算，当e(x) 绝对值、ec(x)绝对值在设定值区间范围内时，在PID参数设定范围内调节相应参数，包括调小K_P、调小K_i和调大K_d。

利用Matlab软件将上述方法进行仿真，图4为该方法的模糊控制与PID控制的Simulink框图，其中“Fuzzy logic controller”是通过在Matlab软件中编辑Fuzzy语句实现的。Matlab软件仿真后，分别得到模糊PID控制和常规PID控制的调节时间与调节温度之间的稳态关系曲线、在120S时受到外界20℃扰动关系曲线，如图5、图6所示。表1、2给出了所示阶跃响应的性能指标数据对比，得出两者的响应性能存在明显的差异。

表1稳态控制性能指标对比：

表2扰动控制性能指标对比：

由此表明，本发明既具有PID控制器高精度的优点，又具有模糊控制器快速、适应性强的特点，保证了调节系统具有良好的动、稳态特性，抗干扰性能好及鲁棒性显著增强。

以上所述仅是本发明的实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于模糊PID控制的电加热纯蒸汽发生器，包括蒸发器（1）、可编程控制器PLC（3）、触摸屏（4）、功率调节器（5）、电加热管（6）；其特征在于：所述可编程控制器PLC（3）采集来自于蒸发器（1）的温度，与温度设定值进行比较，经过模糊控制运算，得到温度控制信号；所述触摸屏（4）能够进行初始温度给定，并显现相应温度设定、实际蒸发器温度以及电加热管（6）运行状态相关信息；所述功率调节器（5）能够接收可编程控制器PLC（3）发出的功率调节控制信号，并调节电加热管（6）加热功率。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID控制的电加热纯蒸汽发生器，其特征在于：它还包括温度传感器（2），所述温度传感器（2）与可编程控制器PLC（3）相连，所述的温度传感器（2）用于检测蒸发器（1）的温度，并将输出温度信号到所述可编程控制器PLC（3），所属可编程控制器PLC（3）基于温度设定，调节功率调节器（5），改变蒸发器（1）中饱和纯蒸汽温度，随后饱和纯蒸汽进入到分离器（7）中进行汽液分离，最终通过分离器（7）的顶端排出。

3.根据权利要求1，2所述的一种基于模糊PID控制的电加热纯蒸汽发生器，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一：温度传感器（2）采集蒸发器（1）温度，以输入可编程控制器PLC（3）；

步骤二：可编程控制器PLC（3）将采集的蒸发器（1）温度与温度设定进行比较，经过模糊控制运算，输出功率调节信号；

步骤三：功率调节器（5）接收可编程控制器PLC（3）发来的功率控制信号，并调节电加热管（6）加热功率。

4.根据权利要求3所述的一种基于模糊PID控制的电加热纯蒸汽发生器，其特征在于：在步骤二中，在常规PID控制器的基础上，将温度偏差和偏差变化率进行模糊化处理，利用知识库的控制规则，经过模糊推理和解模糊化处理，通过清晰化接口输出，对PID参数进行在线自整定，再由PID控制器给出温度给定信号，送到功率调节器（5），最终实现对电加热管（6）的有效控制。

PID计算公式式如下：

其中，u(x)为PID控制响应输出信号，K_P为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数，e(x)为温度偏差，ec(x)为温度变化率。

5.根据权利要求4所述的一种基于模糊PID控制的电加热纯蒸汽发生器，其特征在于：所述温度偏差为温度设定值与温度反馈值的差。

6.根据权利要求3所述的一种基于模糊PID控制的电加热纯蒸汽发生器，其特征在于：在步骤二中，所述模糊控制运算，当e(x)绝对值、ec(x)绝对值大于设定值时，在PID参数设定范围内调节相应参数，包括调大K_P和设K_i、K_d为0。

7.根据权利要求3所述的一种基于模糊PID控制的电加热纯蒸汽发生器，其特征在于：在步骤二中，所述模糊控制运算，当e(x) 绝对值大于设定值、ec(x)绝对值在设定值区间范围内时，在PID参数设定范围内调节相应参数，包括调大K_P、调小K_i和设K_d为0。

8.根据权利要求3所述的一种基于模糊PID控制的电加热纯蒸汽发生器，其特征在于：在步骤二中，所述模糊控制运算，当e(x)绝对值在设定值区间范围内、ec(x)绝对值大于设定值时，在PID参数设定范围内调节相应参数，包括调小K_P、调大K_i和调大K_d。

9.根据权利要求3所述的一种基于模糊PID控制的电加热纯蒸汽发生器，其特征在于：在步骤二中，所述模糊控制运算，当e(x) 绝对值、ec(x)绝对值在设定值区间范围内时，在PID参数设定范围内调节相应参数，包括调小K_P、调小K_i和调大K_d。