制糖離子交換模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

宋甜　王其昌

摘 要：針對傳統(tǒng)制糖離子交換工藝系統(tǒng)的不足，利用愛默生PLC設(shè)計了離子交換流量模糊控制系統(tǒng)。提出把模糊控制理論和PID控制理論相結(jié)合的方法，設(shè)計實現(xiàn)模糊-PID復(fù)合控制系統(tǒng)。通過Matlab仿真可看到將模糊控制算法與PID控制原理相結(jié)合相互補償?shù)姆椒ㄅc常規(guī)PID控制方法相比，模糊控制PID系統(tǒng)具有控制精度高，可靠性好，適應(yīng)性好的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：離子交換 模糊PID控制 可編程控制器 人機界面 Matlab仿真

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0033-02

Design and Simulation on Technology of Fuzzy PID Controller in Sugar Process

Song Tian1 Wang Qichang2

（1.Wuhan Railway Vocational College of Technology； 2.Wuhan LEADDO Measuring&Control Co.Ltd，Wuhan Hubei，430062，China）

Abstract：Aiming at various shortcomings existing in the traditional refine sugar technology，the fuzzy PID controller in ion exchange is designed utilizing Emerson series PLC.A fuzzy-PID hybrid control system is designed base on combining the fuzzy control theory and method of PID control theory.Through Matlab simulation it is found that the fuzzy PID controller is higher precision；more reliable and good adaptation than the traditional PID controller.

Key Words：Ion Exchange；Fuzzy PID Control；PLC；HMI；Matlab Simulation

目前在制糖中，采用離子交換工藝直接生產(chǎn)高質(zhì)量的蔗糖溶液。離子交換的基本原理是利用離子交換器的循環(huán)操作，按照精確規(guī)定的程序反復(fù)地進行下去。當一種具有一定離子型的交換樹脂和需要除去一個或多個離子的溶液相接觸時，它們將有效地進行離子交換直到達成平衡為止。此后，如果想把已經(jīng)使用過的樹脂重復(fù)利用，那么就必須使它恢復(fù)到原來的離子型狀態(tài)，即需用某種溶液來進行處理，使之再生[1]。

由于新型樹脂制造方法的發(fā)展，樹脂的離子交換性能有了很大提高，同時由于計算機應(yīng)用到自動控制行業(yè)，使制糖生產(chǎn)控制達到了全自動化水平，本文研究就是基于智能控制與模糊控制理論，通過對影響工藝過程控制的重要因素流量的智能控制的系統(tǒng)研究，由PLC控制系統(tǒng)與界面友好的人機接口（HMI）設(shè)計實現(xiàn)制糖離子交換模糊控制系統(tǒng)。

1 離子交換原理

1.1 離子交換工藝參數(shù)

（1）流量控制在；（2）進料溫度：40℃～50℃；（3）出料電導(dǎo)率：≤30 us/cm2；（4）透光率：99%；（5）離交后罐pH為 4.5～6.0；（6）失效pH值：陰柱≤4.5。

1.2 離子交換工藝流程

首先啟動離交前泵，離交前罐中的糖液經(jīng)精密過濾器除去雜質(zhì)，經(jīng)PID調(diào)節(jié)其流量控制在 m3/h，然后由離交前板式換熱器，PID調(diào)節(jié)降溫至40 ℃～50 ℃入離交柱，其流量控制在 m3/h。當糖液電導(dǎo)率>30 us/cm2，陰柱pH≤4.5及透光率其中一項不符時，需再生。

本工藝對流量PID調(diào)節(jié)要求比較多，它控制著各種溶液的進出，在離子交換再生過生中需要對各種再生液進行良好的控制，以使樹脂保持良好的交換能力，生產(chǎn)出合格的糖液。

由于流量的控制具有高度非線性、時變、無法建立精確的數(shù)學(xué)模型等特點，參數(shù)固定的常規(guī)的PID控制方法不能對反應(yīng)的變化做快速的、精確的反應(yīng)，在控制過程中易發(fā)生振蕩現(xiàn)象，很難對系統(tǒng)實現(xiàn)最優(yōu)控制。

模糊控制器的優(yōu)點：不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，易于對不確定性系統(tǒng)進行控制；易于控制，易于掌握的較理想的非線性控制器，是一種語言控制器?？垢蓴_能力強，響應(yīng)速度快，并對系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強的魯棒性。

模糊控制器的缺點：不具有積分環(huán)節(jié)，在變量分級不夠多的情況下，常常在平衡點附近會有小的震蕩現(xiàn)象或存在穩(wěn)態(tài)余差。

PID控制在平衡點附近的小范圍調(diào)節(jié)效果是較理想的，其積分作用可最終消除余差。在實際控制過程中，把以上兩種控制技術(shù)結(jié)合起來，就可以構(gòu)成兼有這兩者優(yōu)點的模糊PID控制器。

2 系統(tǒng)設(shè)計

制糖離子交換系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)與界面友好的人機接口（HMI）實現(xiàn)，操作工人可以通過對人機友好界面的控制實現(xiàn)人機對話功能，并可以調(diào)看系統(tǒng)的主控畫面、報警、曲線等，在需要時可以對參數(shù)進行設(shè)置調(diào)整。

系統(tǒng)主要分為下位機控制系統(tǒng)和上位機控制系統(tǒng)兩部分。下位機主要負責對整個系統(tǒng)進行編程，對數(shù)據(jù)進行處理并傳給上位機輸出。上位機可以直接控制整個系統(tǒng)的流程，對參數(shù)進行設(shè)置等，但不對數(shù)據(jù)進行處理。本系統(tǒng)采用愛默生（Emerson）PLC作為下位機編程平臺，上位機觸摸屏eView MT506L來進行組態(tài)實現(xiàn)，工程文件的編寫在Easybuilder 500組態(tài)軟件上完成。

2.1 下位機軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)程序的基本功能為：選擇數(shù)據(jù)通道、對系統(tǒng)采樣進行A/D轉(zhuǎn)換、對系統(tǒng)控制量進行D/A轉(zhuǎn)換、控制閥門輸出、發(fā)送及接收通訊數(shù)據(jù)等。其基本流程是：PLC先選擇通道，對采樣進行A/D轉(zhuǎn)換和流量值進行計算，將采樣得到的流量傳輸給觸摸屏，觸摸屏返回設(shè)定的流量，經(jīng)過模糊推理，實時調(diào)節(jié)三個動態(tài)PID參數(shù)，最后輸出控制量，控制量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后發(fā)送給比例控制閥，以實現(xiàn)對閥門的控制。根據(jù)制糖離子交換系統(tǒng)的要求，下位機的要設(shè)計的主要功能如下：（1）對流量進行實時采集；（2）計算PID控制算法，實現(xiàn)實時控制功能；（3）實現(xiàn)與上位機進行通訊；（4）對系統(tǒng)產(chǎn)生的故障信號進行檢測、處理與報警。

2.1.1 硬件選型

根據(jù)制糖離子交換所需選擇合適的PLC，選擇Emerson系列PLC，其具體型號和數(shù)量如下：EC20-4040BRA，EC20-8AD， EC20-4AD，EC20-4AM各一個，EC20-1616ERA所需要數(shù)量為3個。

2.1.2 PLC軟件設(shè)計

PLC程序控制主要負責對數(shù)據(jù)采集、比例閥的控制、故障報警等功能。PLC程序可以單獨對PID實現(xiàn)實時控制。

在PLC控制系統(tǒng)中，PLC就相當于常規(guī)控制系統(tǒng)中的控制器。它對過程變量的實測值和設(shè)定值之間的誤差信號進行運算，稱為控制算法。在制糖離子交換系統(tǒng)控制中由于數(shù)學(xué)模型難于建立，運用控制理論分析要耗費很大的財力和人力，且生產(chǎn)中不具備做大量實驗的條件，因此，在制糖離子交換系統(tǒng)過程控制中應(yīng)用PID控制算法和模糊控制算法。模糊控制器的控制算法是由微機的程序?qū)崿F(xiàn)的。這種程序一般包括兩個部分，一個是計算機離線計算查詢表的程序，屬于模糊矩陣運算；另一個是PLC在模糊控制過程中在線計算相應(yīng)變量（誤差、誤差變化），并將它們模糊量化處理，查找查詢表后再作輸出處理的程序。由于在線計算查詢表使得PLC程序過大，程序執(zhí)行周期太長，嚴重影響實際控制效果和運行人員的操作靈敏度，所以本次設(shè)計采用離線計算查詢表的方法。

2.2 上位機監(jiān)控系統(tǒng)人機界面（HMI）設(shè)計

上位機人機界面系統(tǒng)要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、流程畫面監(jiān)控，與下位機通信等功能。本系統(tǒng)采用觸摸屏eView MT506L來進行組態(tài)實現(xiàn)，工程文件的編寫在Easybuilder 500組態(tài)軟件上完成。

監(jiān)控界面設(shè)計及功能。

本設(shè)計中，觸摸屏的主要作用是與下層的PLC通訊，獲取過程數(shù)據(jù)，顯示流量、報警畫面、歷史曲線、數(shù)據(jù)查詢等。

3 模糊PID控制系統(tǒng)仿真研究

3.1 常規(guī)PID設(shè)計

3.2 模糊-PID控制仿真方案

要使流量控制在 m3/h之間，將流量T=9設(shè)為初始值，仿真時間取50 s，參數(shù)初始值分別設(shè)為=9、=0.4、=1。確定MATLAB仿真設(shè)計圖如圖1。

3.3 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖2，3所示。圖2是傳統(tǒng)PID控制的仿真曲線，圖3是模糊-PID控制的仿真曲線。

兩條曲線比較結(jié)果表明：傳統(tǒng)PID控制方式與模糊控制PID相比，超調(diào)量比較大，且系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間比較長，傳統(tǒng)PID控制方式參數(shù)不能改變，而模糊-PID控制具有抗參數(shù)變化的魯棒性。模糊-PID比傳統(tǒng)PID對系統(tǒng)的控制有更高的精度，并且有更好的控制效果。

所以，將模糊控制算法與PID控制原理相結(jié)合相互補償?shù)姆椒ǎ哂锌刂凭雀?，可靠性好，穩(wěn)定所需時間短，適應(yīng)性好的優(yōu)點。

4 結(jié)語

本文根據(jù)離子交換原理，基于PID算法、模糊控制理論，從制糖工藝離子交換的實際需求，將模糊控制PID算法設(shè)計運用于制糖工藝自動控制系統(tǒng)中，具有控制精度高，可靠性好，穩(wěn)定所需時間短，適應(yīng)性好的優(yōu)點。

參考文獻

[1] 劉樹楷，鄭建仙.離子交換在制糖工業(yè)中應(yīng)用的最新進展[J].1993.

[2] 王樹青.先進控制技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[3] 趙洪俠.離子交換樹脂在清凈過程中的應(yīng)用[J].2004.

[4] 洛鐵男，李琳，劉玉德.陰離子交換樹脂在制糖工業(yè)中的應(yīng)用[J].1998.

[5] 楊詠梅，陳寧.基于MATLAB的模糊自整定PID參數(shù)控制器的設(shè)計與仿真[J].微計算機信息，2005.

[6] 楊照華，楊智，王慧中.兩種新型pH值的控制方法研究[J].甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，27（3）：52-54.

[7] 侶煥玲.模糊控制在冷軋酸洗線溫度控制中的應(yīng)用[J].2008.

控制系統(tǒng)程序的基本功能為：選擇數(shù)據(jù)通道、對系統(tǒng)采樣進行A/D轉(zhuǎn)換、對系統(tǒng)控制量進行D/A轉(zhuǎn)換、控制閥門輸出、發(fā)送及接收通訊數(shù)據(jù)等。其基本流程是：PLC先選擇通道，對采樣進行A/D轉(zhuǎn)換和流量值進行計算，將采樣得到的流量傳輸給觸摸屏，觸摸屏返回設(shè)定的流量，經(jīng)過模糊推理，實時調(diào)節(jié)三個動態(tài)PID參數(shù)，最后輸出控制量，控制量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后發(fā)送給比例控制閥，以實現(xiàn)對閥門的控制。根據(jù)制糖離子交換系統(tǒng)的要求，下位機的要設(shè)計的主要功能如下：（1）對流量進行實時采集；（2）計算PID控制算法，實現(xiàn)實時控制功能；（3）實現(xiàn)與上位機進行通訊；（4）對系統(tǒng)產(chǎn)生的故障信號進行檢測、處理與報警。

2.1.1 硬件選型

根據(jù)制糖離子交換所需選擇合適的PLC，選擇Emerson系列PLC，其具體型號和數(shù)量如下：EC20-4040BRA，EC20-8AD， EC20-4AD，EC20-4AM各一個，EC20-1616ERA所需要數(shù)量為3個。

2.1.2 PLC軟件設(shè)計

PLC程序控制主要負責對數(shù)據(jù)采集、比例閥的控制、故障報警等功能。PLC程序可以單獨對PID實現(xiàn)實時控制。

在PLC控制系統(tǒng)中，PLC就相當于常規(guī)控制系統(tǒng)中的控制器。它對過程變量的實測值和設(shè)定值之間的誤差信號進行運算，稱為控制算法。在制糖離子交換系統(tǒng)控制中由于數(shù)學(xué)模型難于建立，運用控制理論分析要耗費很大的財力和人力，且生產(chǎn)中不具備做大量實驗的條件，因此，在制糖離子交換系統(tǒng)過程控制中應(yīng)用PID控制算法和模糊控制算法。模糊控制器的控制算法是由微機的程序?qū)崿F(xiàn)的。這種程序一般包括兩個部分，一個是計算機離線計算查詢表的程序，屬于模糊矩陣運算；另一個是PLC在模糊控制過程中在線計算相應(yīng)變量（誤差、誤差變化），并將它們模糊量化處理，查找查詢表后再作輸出處理的程序。由于在線計算查詢表使得PLC程序過大，程序執(zhí)行周期太長，嚴重影響實際控制效果和運行人員的操作靈敏度，所以本次設(shè)計采用離線計算查詢表的方法。

2.2 上位機監(jiān)控系統(tǒng)人機界面（HMI）設(shè)計

上位機人機界面系統(tǒng)要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、流程畫面監(jiān)控，與下位機通信等功能。本系統(tǒng)采用觸摸屏eView MT506L來進行組態(tài)實現(xiàn)，工程文件的編寫在Easybuilder 500組態(tài)軟件上完成。

監(jiān)控界面設(shè)計及功能。

本設(shè)計中，觸摸屏的主要作用是與下層的PLC通訊，獲取過程數(shù)據(jù)，顯示流量、報警畫面、歷史曲線、數(shù)據(jù)查詢等。

3 模糊PID控制系統(tǒng)仿真研究

3.1 常規(guī)PID設(shè)計

3.2 模糊-PID控制仿真方案

要使流量控制在 m3/h之間，將流量T=9設(shè)為初始值，仿真時間取50 s，參數(shù)初始值分別設(shè)為=9、=0.4、=1。確定MATLAB仿真設(shè)計圖如圖1。

3.3 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖2，3所示。圖2是傳統(tǒng)PID控制的仿真曲線，圖3是模糊-PID控制的仿真曲線。

兩條曲線比較結(jié)果表明：傳統(tǒng)PID控制方式與模糊控制PID相比，超調(diào)量比較大，且系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間比較長，傳統(tǒng)PID控制方式參數(shù)不能改變，而模糊-PID控制具有抗參數(shù)變化的魯棒性。模糊-PID比傳統(tǒng)PID對系統(tǒng)的控制有更高的精度，并且有更好的控制效果。

所以，將模糊控制算法與PID控制原理相結(jié)合相互補償?shù)姆椒ǎ哂锌刂凭雀?，可靠性好，穩(wěn)定所需時間短，適應(yīng)性好的優(yōu)點。

4 結(jié)語

本文根據(jù)離子交換原理，基于PID算法、模糊控制理論，從制糖工藝離子交換的實際需求，將模糊控制PID算法設(shè)計運用于制糖工藝自動控制系統(tǒng)中，具有控制精度高，可靠性好，穩(wěn)定所需時間短，適應(yīng)性好的優(yōu)點。

參考文獻

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[6] 楊照華，楊智，王慧中.兩種新型pH值的控制方法研究[J].甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，27（3）：52-54.

[7] 侶煥玲.模糊控制在冷軋酸洗線溫度控制中的應(yīng)用[J].2008.

控制系統(tǒng)程序的基本功能為：選擇數(shù)據(jù)通道、對系統(tǒng)采樣進行A/D轉(zhuǎn)換、對系統(tǒng)控制量進行D/A轉(zhuǎn)換、控制閥門輸出、發(fā)送及接收通訊數(shù)據(jù)等。其基本流程是：PLC先選擇通道，對采樣進行A/D轉(zhuǎn)換和流量值進行計算，將采樣得到的流量傳輸給觸摸屏，觸摸屏返回設(shè)定的流量，經(jīng)過模糊推理，實時調(diào)節(jié)三個動態(tài)PID參數(shù)，最后輸出控制量，控制量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后發(fā)送給比例控制閥，以實現(xiàn)對閥門的控制。根據(jù)制糖離子交換系統(tǒng)的要求，下位機的要設(shè)計的主要功能如下：（1）對流量進行實時采集；（2）計算PID控制算法，實現(xiàn)實時控制功能；（3）實現(xiàn)與上位機進行通訊；（4）對系統(tǒng)產(chǎn)生的故障信號進行檢測、處理與報警。

2.1.1 硬件選型

根據(jù)制糖離子交換所需選擇合適的PLC，選擇Emerson系列PLC，其具體型號和數(shù)量如下：EC20-4040BRA，EC20-8AD， EC20-4AD，EC20-4AM各一個，EC20-1616ERA所需要數(shù)量為3個。

2.1.2 PLC軟件設(shè)計

PLC程序控制主要負責對數(shù)據(jù)采集、比例閥的控制、故障報警等功能。PLC程序可以單獨對PID實現(xiàn)實時控制。

在PLC控制系統(tǒng)中，PLC就相當于常規(guī)控制系統(tǒng)中的控制器。它對過程變量的實測值和設(shè)定值之間的誤差信號進行運算，稱為控制算法。在制糖離子交換系統(tǒng)控制中由于數(shù)學(xué)模型難于建立，運用控制理論分析要耗費很大的財力和人力，且生產(chǎn)中不具備做大量實驗的條件，因此，在制糖離子交換系統(tǒng)過程控制中應(yīng)用PID控制算法和模糊控制算法。模糊控制器的控制算法是由微機的程序?qū)崿F(xiàn)的。這種程序一般包括兩個部分，一個是計算機離線計算查詢表的程序，屬于模糊矩陣運算；另一個是PLC在模糊控制過程中在線計算相應(yīng)變量（誤差、誤差變化），并將它們模糊量化處理，查找查詢表后再作輸出處理的程序。由于在線計算查詢表使得PLC程序過大，程序執(zhí)行周期太長，嚴重影響實際控制效果和運行人員的操作靈敏度，所以本次設(shè)計采用離線計算查詢表的方法。

2.2 上位機監(jiān)控系統(tǒng)人機界面（HMI）設(shè)計

上位機人機界面系統(tǒng)要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、流程畫面監(jiān)控，與下位機通信等功能。本系統(tǒng)采用觸摸屏eView MT506L來進行組態(tài)實現(xiàn)，工程文件的編寫在Easybuilder 500組態(tài)軟件上完成。

監(jiān)控界面設(shè)計及功能。

本設(shè)計中，觸摸屏的主要作用是與下層的PLC通訊，獲取過程數(shù)據(jù)，顯示流量、報警畫面、歷史曲線、數(shù)據(jù)查詢等。

3 模糊PID控制系統(tǒng)仿真研究

3.1 常規(guī)PID設(shè)計

3.2 模糊-PID控制仿真方案

要使流量控制在 m3/h之間，將流量T=9設(shè)為初始值，仿真時間取50 s，參數(shù)初始值分別設(shè)為=9、=0.4、=1。確定MATLAB仿真設(shè)計圖如圖1。

3.3 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖2，3所示。圖2是傳統(tǒng)PID控制的仿真曲線，圖3是模糊-PID控制的仿真曲線。

兩條曲線比較結(jié)果表明：傳統(tǒng)PID控制方式與模糊控制PID相比，超調(diào)量比較大，且系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間比較長，傳統(tǒng)PID控制方式參數(shù)不能改變，而模糊-PID控制具有抗參數(shù)變化的魯棒性。模糊-PID比傳統(tǒng)PID對系統(tǒng)的控制有更高的精度，并且有更好的控制效果。

所以，將模糊控制算法與PID控制原理相結(jié)合相互補償?shù)姆椒?，具有控制精度高，可靠性好，穩(wěn)定所需時間短，適應(yīng)性好的優(yōu)點。

4 結(jié)語

本文根據(jù)離子交換原理，基于PID算法、模糊控制理論，從制糖工藝離子交換的實際需求，將模糊控制PID算法設(shè)計運用于制糖工藝自動控制系統(tǒng)中，具有控制精度高，可靠性好，穩(wěn)定所需時間短，適應(yīng)性好的優(yōu)點。

參考文獻

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[7] 侶煥玲.模糊控制在冷軋酸洗線溫度控制中的應(yīng)用[J].2008.