集氣管壓力控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真平臺的設(shè)計(jì)

曾　蓉，馮仁瑩，徐　圖

(西南交通大學(xué)　信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都　610031)

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集氣管壓力控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真平臺的設(shè)計(jì)

曾蓉，馮仁瑩，徐圖

(西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610031)

集氣管壓力的控制在焦?fàn)t生產(chǎn)中將直接影響焦炭及煤氣的有效生產(chǎn)。該文采用LabVIEW軟件對集氣管壓力控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真平臺進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該平臺在實(shí)現(xiàn)壓力采集、數(shù)據(jù)處理、報警、開關(guān)狀態(tài)檢測和遠(yuǎn)程調(diào)用等功能基礎(chǔ)上，通過模糊控制器能夠迅速地完成集氣管壓力緩慢變化、快速變化和突變3種情況的調(diào)節(jié)控制，且得到了較好的控制效果。

實(shí)驗(yàn)仿真平臺；集氣管壓力；模糊控制；LabVIEW軟件；

當(dāng)集氣管壓力維持在一定的范圍內(nèi)時，通過集氣管回收焦炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的荒煤氣，可以保證焦炭的產(chǎn)品質(zhì)量，減少環(huán)境污染，提高經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)有的焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)多采用PID等經(jīng)典控制技術(shù)，這些技術(shù)要求被控對象有精確的數(shù)學(xué)模型。由于集氣管工作環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致其壓力系統(tǒng)是一個具有耦合性、非線性、時變性、擾動變化頻繁激烈的多變量系統(tǒng)，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此采用經(jīng)典控制技術(shù)很難達(dá)到令人滿意的控制效果[1-2]。模糊控制以人對被控對象的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)設(shè)計(jì)控制器，不需要知道被控對象的數(shù)學(xué)模型，便于利用軟件實(shí)現(xiàn)，同時也具有很好的魯棒性和適應(yīng)性。

本文以煉焦生產(chǎn)過程中荒煤氣回收工藝工段為對象，采用模糊控制器，利用虛擬儀器軟件LabVIEW對其實(shí)驗(yàn)仿真平臺進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)不需要實(shí)際建造設(shè)備和受運(yùn)行周期的影響，能迅速地獲得技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。設(shè)計(jì)虛擬工藝流程所面臨的問題，往往就是設(shè)計(jì)真實(shí)工藝流程需要解決的問題，但設(shè)計(jì)虛擬工藝流程的風(fēng)險性大大降低，對于設(shè)計(jì)人員和培訓(xùn)工段操作人員都具有重要意義[3]。

1　總體設(shè)計(jì)方案

集氣管壓力作為焦?fàn)t生產(chǎn)中重要的工藝參數(shù)，不僅涉及焦炭及煤氣質(zhì)量、爐體壽命、節(jié)約能源和空氣污染等問題，還關(guān)系到冷凝鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備的安全運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)表明，在推焦裝煤期間，集氣管的壓力控制在(80 ±10)Pa以內(nèi)，吸氣管的壓力控制在(1500±100)Pa以內(nèi)，系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于原指標(biāo)，具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性[4]。本實(shí)驗(yàn)仿真平臺以集氣管的壓力控制和吸氣管的壓力控制指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行集氣管壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。

研究的對象主要由兩個集氣管和一個吸氣管組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

集氣管壓力控制系統(tǒng)的控制過程為：通過對蝶形閥k1、k2和k3角度的調(diào)節(jié)來改變集氣管和吸氣管內(nèi)荒煤氣的流量，使被控對象集氣管1、集氣管2和吸氣管內(nèi)的壓力隨之變化，從而達(dá)到集氣管壓力控制的目的。由于集氣管1、集氣管2和吸氣管是連通的，其中一個管道的壓力值產(chǎn)生變化，必將影響到其他兩個管道的壓力值，從而產(chǎn)生復(fù)雜的耦合性，使得數(shù)學(xué)模型復(fù)雜化。本實(shí)驗(yàn)平臺主要針對控制專業(yè)的本科生，對于復(fù)雜的耦合性所產(chǎn)生的數(shù)學(xué)模型將予以忽略，直接對3個管道進(jìn)行獨(dú)立控制。每一個管道控制原理都一樣，集氣管壓力由壓力傳感器采集，轉(zhuǎn)為電壓或電流形式(具體視傳感器類型而定)，經(jīng)過預(yù)先濾波處理、采樣和A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)后送入DSP芯片，在芯片內(nèi)對信號進(jìn)行諸如數(shù)字濾波、重采樣等二次處理，然后編碼[5]，由串口送入PC機(jī)，利用PC機(jī)里的控制算法對信號進(jìn)行分析，做出對控制量的決策，送回DSP芯片內(nèi)，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、功率放大環(huán)節(jié)和執(zhí)行器，改變蝶形閥開度來調(diào)節(jié)集氣管壓力。同時PC機(jī)通過服務(wù)器，也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，達(dá)到分布式控制的目的。

圖1　控制對象簡圖

圖2　集氣管壓力控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真平臺人機(jī)界面

作為一個完整的集氣管壓力控制系統(tǒng)，不僅要完成對壓力的控制，還要考慮到易讀性、易操作性及完整性，直觀的圖形用戶接口及過程監(jiān)控顯示等。仿真平臺功能主要包括：壓力采集與顯示、壓力變化趨勢圖、數(shù)據(jù)處理、自動報警、報警信息記錄、數(shù)據(jù)存儲、開關(guān)狀態(tài)檢測、手動自動調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程調(diào)用等功能。人機(jī)界面如圖2所示，通過該界面可以方便直觀地看到集氣管壓力的變化及其變化的歷史趨勢，報警信息記錄，便于操作員對系統(tǒng)性能進(jìn)行評價。同時通過觀察蝶形閥的偏轉(zhuǎn)位置也可以實(shí)現(xiàn)對開關(guān)狀態(tài)的監(jiān)視。

遠(yuǎn)程調(diào)用方面，通過配置并啟動本地的LabVIEWWeb服務(wù)器。在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的瀏覽器中輸入已配置好的URL地址即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[6-7]。

2　模糊控制器設(shè)計(jì)

控制器的設(shè)計(jì)是集氣管壓力控制的核心。需要對集氣管和吸氣管分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)暫不考慮耦合問題。為保證集氣管壓力模糊控制器具有自適應(yīng)能力，設(shè)計(jì)時采用了離線設(shè)計(jì)和在線調(diào)整相結(jié)合的方法。系統(tǒng)采用單變量二維模糊控制對控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。兩個輸入變量選用受控變量值和輸入給定值的偏差E和偏差變化EC，它們能夠較嚴(yán)格地反映受控過程中輸出變量的動態(tài)特性[8-10]。

在工業(yè)控制中，由于操作人員只能觀察到被控量的輸出量和輸出的變化量，而模糊控制器的初步控制規(guī)則多采用人工控制經(jīng)驗(yàn)。變量模糊集如下：

壓力誤差E={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分別表示{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}；壓力誤差變化率EC={NB，NS，ZO，PS，PB}，分別表示{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}；控制器輸出U={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分別表示{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}。

集氣管壓力誤差為±10Pa，其論域E可設(shè)為[-10，10]；吸氣管壓力誤差范圍為±100Pa，其論域E可設(shè)為[-100，100]；集氣管壓力變化率EC論域?yàn)閇-4，4]；吸氣管壓力變化率論域EC為[-10，10]。輸出變量U，直接控制蝶形閥的位置，因此按照其模糊子集的個數(shù)，將其論域定為[-3，3]。離線設(shè)計(jì)時論域可定為{-3，-2，-1，0，1，2，3}。

根據(jù)集氣管與吸氣管壓力誤差的性能要求和經(jīng)驗(yàn)設(shè)定隸屬度函數(shù)。如集氣管壓力誤差絕對值大于8Pa，吸氣管壓力誤差絕對值大于60Pa時，就可以認(rèn)為誤差足夠大，隸屬于“NB”的度為1，隸屬于其他模糊集的度為0；集氣管壓力變化在每個單位時間內(nèi)大于4Pa，吸氣管壓力變化在單位時間內(nèi)大于10Pa時，認(rèn)為壓力變化率足夠大，即隸屬于“NB”的度為1等。其模糊控制規(guī)則有以下3點(diǎn)。

1)如果“偏差”是“負(fù)大”且“偏差變化率”是“負(fù)大”，則“輸出量”是“負(fù)大”(ifEisNBandECisNBthenUisNB)，表示如果集氣管壓力比給定值小很多而且變化率為下降較快時，將蝶形閥開度減小，以增加壓力。

2)如果“偏差”是“負(fù)大”且“偏差變化率”是“正大”，則“輸出量”是“零”(ifEisNBandECisPBthenUisZO)，表示如果集氣管壓力比給定值小很多但變化率為上升較快時，壓力正在以較快速度升高，不必改變蝶形閥開度。

3)如果“偏差”是“負(fù)小”且“偏差變化率”是“正大”，則“輸出量”是“正小”(ifEisNSandECisPBthenUisPS)，表示如果集氣管壓力比給定值小一些但變化率為上升較快時，為了避免壓力升高過快，產(chǎn)生不必要的超調(diào)，將蝶形閥開度增大一些，以降低壓力升高的趨勢。模糊系統(tǒng)總的可信度為各條規(guī)則可信度推理結(jié)果的并集：

U=max{min(1/3，UPM)，min(2/3，UPM)，

min(1/8，UPB)，min(1/8，UPB)}=

max{min(2/3，UPM)，min(1/8，UPB)}

本文采用具有較為平滑的輸出推理面積重心法進(jìn)行反模糊化，即將模糊推理得到的結(jié)果(即模糊量)轉(zhuǎn)換成一個確定的量，作為控制器的輸出。面積重心法是取隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成面積重心的橫坐標(biāo)作為模糊推理的控制器輸出值UO(即對蝶形閥調(diào)節(jié)的角度)：

(1)

利用Matlab繪制出三維的集氣管壓力模糊響應(yīng)圖，如圖3所示。

圖3　集氣管壓力模糊響應(yīng)圖

3　實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果及性能分析

本文對集氣管壓力緩慢變化、壓力快速變化、壓力突然變化3種常見的情況分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，其仿真結(jié)果有如下3點(diǎn)。

1)壓力緩慢變化的情況。

在正常情況下，煉焦過程中隨著炭化室燃料從填入到完全燃燒，集氣管內(nèi)的壓力會出現(xiàn)較大的波動，但變化速度并不很快，本文采用一個低頻帶均勻白噪聲的正弦波來模擬集氣管壓力緩慢變化的過程。正弦波頻率為0.02Hz，幅值為20；均勻白噪聲幅值為2，如圖4所示。從控制效果圖來看，對于緩慢變化的壓力值，模糊控制系統(tǒng)可以很好地將其控制在要求的誤差范圍E∈(-10，10)內(nèi)。

圖4　正弦仿真信號的控制效果

2)壓力快速變化的情況。

當(dāng)打開炭化室往里填入燃料時，通常由于泄漏使得集氣管內(nèi)的壓力急劇下降；當(dāng)裝完燃料關(guān)閉炭化室密封門后，又會由于燃料的補(bǔ)充使得集氣管內(nèi)的壓力急劇上升。本文采用帶白噪聲的三角波來描述集氣管壓力快速變化的過程。三角波幅值為15，頻率為0.1Hz(周期1s)，即意味著集氣管壓力在前5s內(nèi)快速上升15Pa后，又在后5s內(nèi)快速降低15Pa。白噪聲幅值為2，其控制效果如圖5所示，對于快速變化的信號，誤差的變化率高，模糊控制輸出能在最短的時間內(nèi)做出較大的響應(yīng)，使得誤差往減小的方向調(diào)節(jié)，將誤差限定在規(guī)定范圍內(nèi)。

圖5　三角波仿真信號的控制效果

3)壓力突變時的控制仿真。

圖6　方波仿真信號的控制效果

4　結(jié)束語

本文采用LabVIEW，完成了基于模糊控制集氣管壓力控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真平臺的設(shè)計(jì)。該仿真平臺通過直觀的人機(jī)界面不僅能夠完成壓力采集與顯示、壓力變化趨勢圖、數(shù)據(jù)處理、自動報警、報警信息記錄、數(shù)據(jù)存儲、開關(guān)狀態(tài)檢測和遠(yuǎn)程調(diào)用等功能，而且通過采用模糊控制規(guī)則，能夠迅速地實(shí)現(xiàn)對集氣管壓力緩慢變化、快速變化和突變3種情況的調(diào)節(jié)控制。

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Design of Experiment Simulation Platformfor the Gas Collector Pressure Control System

ZENG Rong，F(xiàn)ENG Renying，XU Tu

(CollegeofInformationScienceandTechnology，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，China)

Intheprocessofcoke，howtocontrolthegascollectorpressurewilldirectlyimpactontheeffectiveproductionofcokeandcoalgas.ByusingLabVIEW，thispaperdesignstheexperimentsimulationplatformforthegascollectorpressurecontrolsystem.Thisplatformhassuchfunctionsaspressuregathering，dataprocessing，alarm，switchconditionsdetection，remoteinvocationandsoon.Inaddition，thepressureofgascollectorwillbewellcontrolledbythefuzzycontroller，whenthepressureslowlychanges，quicklychangesorsuddenlychangesrespectively.

experimentsimulationplatform；gascollectorpressure；fuzzycontrol；LabVIEWsoftware

2015-04-21；修改日期: 2015-05-25

曾蓉(1969-)，女，博士，講師，主要從事自動化控制的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究工作。

TP273.4；TP319

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.023