【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 青海大學(xué)化工機(jī)械系 9 3． 模糊控制算法設(shè)計(jì) 模糊控制原理 模糊控制，是選擇由模糊數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述的控制規(guī)律來控制系統(tǒng)運(yùn)行的控制方式。將檢測(cè)得到的被控變量的情況經(jīng)過模糊化接口變?yōu)橛萌祟愖匀徽Z(yǔ)言描述的模糊量，之后根據(jù)人類的語(yǔ)言控制規(guī)律，通過模 糊推理計(jì)算出輸出控制量的模糊取值，控制量的模糊取值再由清晰化接口變?yōu)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)能夠識(shí)別的精確值。 模糊控制理論性較強(qiáng)比較難以理 解 ，但應(yīng)用廣泛，在工業(yè)及家用電器等方面都有應(yīng)用。模糊控制是以模糊推理為基礎(chǔ)、運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)語(yǔ)言控制系統(tǒng)的一種計(jì)算機(jī)控制 [11]。 MATLAB 作為目前高等學(xué)校通用的一種仿真軟件，不僅功能強(qiáng)大，而且操作簡(jiǎn)單，非常適合學(xué)生的使用。伴隨著模糊邏輯迅速發(fā)展， MATLAB 軟件中也順應(yīng)時(shí)代的改變加入了模糊控制器。在沒有足夠的儀器及條件下進(jìn)行模糊控制實(shí)驗(yàn)，利用 MATLAB 軟件進(jìn)行仿真就是大多數(shù)人最佳的選 擇。 噴霧干燥控制系統(tǒng)仿真 干燥系統(tǒng)傳遞函數(shù)建立 為了保證奶粉的質(zhì)量和產(chǎn)量以及進(jìn)風(fēng)量達(dá)不到要求的狀況下能正常生產(chǎn)，選擇調(diào)節(jié)旁路進(jìn)風(fēng)量的方法，對(duì)出口溫度進(jìn)行控制，間接地使生產(chǎn)出質(zhì)量合格的奶粉。調(diào)節(jié)過程基本如下：當(dāng)出口溫度比設(shè)定值高時(shí)，自動(dòng)開大旁路空氣進(jìn)風(fēng)閥開度；當(dāng)出口溫度比設(shè)定值低時(shí)，自動(dòng)關(guān)小旁路空氣進(jìn)風(fēng)閥的開度，以保證出口溫度控制在允許誤差內(nèi)。 根據(jù)整個(gè)控制系統(tǒng)控制變量以及被控變量之差的大小，在控制系統(tǒng)中建立一個(gè)傳遞函數(shù)來自動(dòng)調(diào)節(jié)模糊控制器和 PID 控制器在整個(gè)系統(tǒng)中的加權(quán)系數(shù)，使柔性調(diào)節(jié)作 用得到更好的體現(xiàn) 。 噴霧干燥過程是一個(gè)大時(shí)滯、容積延遲的工業(yè)控制過程，很難做到創(chuàng)建符合系統(tǒng)要求的精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，所以在滿足系統(tǒng)要求的最低精度的條件下，選取低階的傳遞函數(shù)來進(jìn)行擬合被控對(duì)象。根據(jù)工廠的實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)，系統(tǒng)可以視為一階慣性系統(tǒng)。因此噴霧干燥系統(tǒng)傳遞函數(shù)近似為： ? ? 1?? ?TsKesG s? （ 31） 階躍響應(yīng)測(cè)試選擇在工廠干燥塔進(jìn)行，給旁路進(jìn)風(fēng) 量一個(gè)設(shè)定流量值，根據(jù)流量傳感器反饋值檢測(cè)達(dá)到旁路進(jìn)風(fēng)量設(shè)定值的時(shí)間，也就是進(jìn)風(fēng)量反饋系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù) T，經(jīng)測(cè)試為 10s， τ 為0；同理，對(duì)出口溫度反饋系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，可得其時(shí)間常數(shù)為 10s， τ為 168[12]。 青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)：牛奶噴霧干燥控制系統(tǒng) 10 青海大學(xué)化工機(jī)械系 圖 響應(yīng)曲線 傳統(tǒng) PID 控制模型建立 PID 控制器的建立過程非常簡(jiǎn)單，用 SIMULINK 控件即可完成，系統(tǒng)的運(yùn)行需要各參數(shù)的合理應(yīng)用，為使系統(tǒng)能夠更穩(wěn)定的運(yùn)行選用離散化算式 ? ?11 ?????? ? nnDini tialnIn eeKMKeKM （ 32） 式中， cK 為 PID 回路增益； ne 為第 n 次采樣時(shí)刻的偏差值； 1?ne 為第 n1 次采樣時(shí)刻的偏差值；IK 為積分項(xiàng)比例常數(shù) ； DK 為微分項(xiàng)比例常數(shù)； initialM 為 PID 回路輸出的初值[13]。 為使其系統(tǒng)達(dá)到控制要求，根據(jù)不同滯后情況下仿真圖的變化，對(duì)傳統(tǒng) PID 的控制過程作一定的了解，最后得到的的仿真結(jié)果如下圖所示，在滯后時(shí)間為 12s， cK =、 IK =、 DK = 時(shí)，系統(tǒng)的輸出還是較為理想的，沒有出現(xiàn)明顯的振蕩及超調(diào)現(xiàn)象；在其他條件不變情況下，滯后時(shí)間改為 28s，可以看出系統(tǒng)輸出明顯經(jīng)過了反復(fù)振蕩，之后才趨于穩(wěn)定。 青海大學(xué)化工機(jī)械系 11 圖 滯后為 12s 時(shí)的仿真圖 圖 滯后為 28s 的仿真圖 模糊控制模型建立 模糊控制系統(tǒng)除了控制器為模糊控制器，其他結(jié)構(gòu)與常規(guī)的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)類似。一般模糊控制器從功能上劃 分， 模糊控制器包括四部分： (1)模糊器。主要功能是用一定的比例將輸入值轉(zhuǎn)化到論域的數(shù)值，用人類語(yǔ)言描述測(cè)量過程。 (2)知識(shí)庫(kù)。包括數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)兩部分。數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)給出相關(guān)定義；規(guī)則庫(kù)則藉由控制規(guī)則描述控制對(duì)象及方法。 (3)去模糊器。主要功能是把推理獲取的控制量轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂戚敵觥? 青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)：牛奶噴霧干燥控制系統(tǒng) 12 青海大學(xué)化工機(jī)械系 (4)模糊推理 機(jī)。主要實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的推理決策。 知 識(shí) 庫(kù)去 模 糊 器模 糊 器 模 糊 推 理 機(jī) 圖 模糊控制器 模糊控制器的設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分： （ 1） 將輸入語(yǔ)言變量轉(zhuǎn)化為模糊控制器可以識(shí)別的模糊子集； （ 2） 模糊控制算法的設(shè)計(jì)，為模糊控制器編輯控制規(guī)則，明確輸出與輸入的模糊關(guān)系，然后經(jīng)過模糊推理，得到輸出量模糊集合； （ 3） 對(duì)得到的輸出模糊量進(jìn)行去模糊化，得到一個(gè)精確量。 模 糊 控 制 器 D / A_Y ( k )X ( s )ee cA / D對(duì) 象 圖 PLC實(shí)現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 將被控變量的偏差 e 與偏差變化率 de 作為模糊控制器的輸入量，經(jīng)過模糊控制器的模糊計(jì)算，得到一個(gè)模糊值，數(shù)值通過 D/A 轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)進(jìn)行輸出，比較出口溫度的檢測(cè)值與設(shè)定值，然后通過系統(tǒng)的調(diào)整，使這個(gè)檢測(cè)值穩(wěn)定在設(shè)定值的允許范圍內(nèi)，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 根據(jù)噴霧干燥的整個(gè)控制工藝流程來建立模糊控制器如下： （ 1） 模糊控制器的輸入、輸出參數(shù)的確定 令 T 為噴霧干燥塔內(nèi)測(cè)量溫度； Td為溫度給定值； e 為噴霧干燥塔內(nèi)給定值和測(cè)量溫度的差值；de 為差值的變化率；相當(dāng)于換熱器的供電 電壓，也就是控制量 e、 de 為模糊控制器的輸入?yún)?shù)； u 為模糊控制器的輸出參數(shù) [14]。 （ 2）參數(shù)變化范圍、量化等級(jí)確定 青海大學(xué)化工機(jī)械系 13 系統(tǒng)出口溫度偏差要在 177。2 ℃ 范圍內(nèi)，考慮到系統(tǒng)精度要求較高，將偏差劃分為 11 級(jí)，系統(tǒng)誤差e 離散論域?yàn)?[5,5]；誤差變化率離散論域 de 為 [5,5]；控制輸出 u 的論域 [5,5]；以上三個(gè)變量的量化等級(jí)都取 11 級(jí)，即 X={5， 4， 3， 2， 1， 0， ,1， 2， 3， 4， 5} Y={5， 4， 3， 2， 1， 0， ,1， 2， 3， 4， 5} Z={5， 4， 3， 2， 1， 0， ,1， 2， 3， 4， 5} （ 3） 定義模糊子集 定義各變量論域里 5 個(gè)模糊集合，分別用 NB、 NS、 ZE、 PS、 PB 表示。物理含義分別表示為：“NS”表示 “負(fù)小 ”； “NB”表示 “負(fù)大 ”“PB”表示 “正大 ”； “PS”表示 “正小 ”； “ZE”表示 “零 ”；選擇非線性劃分方法對(duì)模糊集合實(shí)行量化，使穩(wěn)態(tài)點(diǎn)的控制精大大提高 [1516]。 （ 4） 模糊控制規(guī)則的建立 模糊控制規(guī)則是依據(jù)工業(yè)專業(yè)人士的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。在噴霧干燥過程中，依靠專業(yè)人士的操作經(jīng)驗(yàn)，參照控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)曲線，使輸出可以達(dá)到動(dòng)態(tài)性能的最佳狀態(tài)，確定系統(tǒng)模糊控制 規(guī)則。依照噴霧干燥過程中實(shí)際工藝需求，確定如下控制規(guī)則： 規(guī)則 a：若出口溫度偏差高，則要求空氣閥門快速關(guān)閉。 規(guī)則 b：若出口溫度偏差正好，則要求空氣閥門開度不發(fā)生變化。 規(guī)則 c：若出口溫度偏差正好，溫度偏差變化率慢，則要求空氣閥門開度漸漸開大。 規(guī)則 d：若出口溫度偏差低，則要求蒸汽閥門快速開啟。 規(guī)則 e：若出口溫度偏差不高不低，溫度變化率快，則要求空氣閥門開度漸漸關(guān)小。 模糊 PID 模型不用了解被控變量的數(shù)學(xué)模型；容易實(shí)現(xiàn)對(duì)擁有不確定性的變量和擁有強(qiáng)非線性的變量進(jìn)行控制。系統(tǒng)的控制模型，主要是模 糊控制模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧干燥過程中干燥塔出口溫度的精準(zhǔn)控制。在系統(tǒng)的控制方法上，對(duì)傳統(tǒng) PID 控制方法與模糊控制方法進(jìn)行了仿真曲線的分析比較 [1718]。 為使其系統(tǒng)達(dá)到控制要求，根據(jù)兩者仿真圖的變化，對(duì)兩者的控制過程作一定的對(duì)比，最后得到的的仿真結(jié)果如下圖所示，在滯后時(shí)間為 12s， KC=、 KI=、 KD= 時(shí)模糊控制比傳統(tǒng) PID控制擁有更短的調(diào)節(jié)時(shí)間，系統(tǒng)先一步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)滯后時(shí)間改變?yōu)?28s 后，傳統(tǒng) PID 的控制效果發(fā)生明顯變化，系統(tǒng)經(jīng)過多次反復(fù)震蕩調(diào)整后才逐漸穩(wěn)定，反觀模糊控制卻基本 沒有發(fā)生變化，依舊平穩(wěn)的達(dá)到系統(tǒng)的穩(wěn)定要求，由此表明模糊控制的適應(yīng)性更強(qiáng)。 青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)：牛奶噴霧干燥控制系統(tǒng) 14 青海大學(xué)化工機(jī)械系 圖 滯后為 12s 兩者對(duì)比圖 圖 滯后為 28s 兩者對(duì)比圖 青海大學(xué)化工機(jī)械系 15 4． 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件基本組成 硬件是控制系統(tǒng)的軀殼，通過與軟件進(jìn)行配合來發(fā)揮它的強(qiáng)大作用，是完成控制任務(wù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，一個(gè)系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行與硬件的選取有直接的關(guān)系。牛奶噴霧干燥控制系統(tǒng)主要的硬件主要有測(cè)溫元件、控制儀表、調(diào)節(jié)閥、變送器和 PLC 等。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。 工 業(yè) 級(jí) 觸 摸 控制 屏P L C按 鈕 開 關(guān) ， 數(shù)字 量 輸 入 輸 出控 制 信 號(hào)旁 路 空 氣 調(diào) 節(jié) 信 號(hào)出 口 溫 度 傳 感 器 圖 噴霧干燥硬件結(jié)構(gòu)框圖 PLC 硬件選型 PLC 組成主要有電源、輸入輸出接口電路、外部設(shè)備接口、存儲(chǔ)器、中央處理器、 I/O 擴(kuò)展接口等。 PLC 的輸入量有各種不同的檢測(cè)信號(hào)、模擬信號(hào)、開關(guān)信號(hào)等，它們經(jīng) PLC 外部輸入端子，作為 PLC 的輸出量控制外圍設(shè)備。其結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)：牛奶噴霧干燥控制系統(tǒng) 16 青海大學(xué)化工機(jī)械系 圖 PLC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù) PLC 的選型原則， 首先要對(duì)控制任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，把所有的 I/O 點(diǎn)找出來，包括開關(guān)量 I/O 口和模擬 量 I/O 口?？刂葡到y(tǒng)輸入、輸出開關(guān)信號(hào)的數(shù)量、中間變量的數(shù)量決定了系統(tǒng)的 PLC選型 [19]。 PLC 硬件模塊型號(hào) 如下表所示： 表 1 PLC 硬件模塊型號(hào)表 模塊 型號(hào) 輸入 輸出 電源 6ES7 3071BA000AAO CPU 6ES7 3141AF110ABO 數(shù)字量輸入 6ES7 3211BH000AAO 01 數(shù)字量輸出 6ES7 3221HH010AAO 01 模擬量輸入 6ES7 3317KF020ABO 014 模擬量輸 出 6ES7 3325HD0100AAO 014