基于模糊PID的硅溶膠反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

嚴 麒，黎洪生，曹陽陽

（武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著中國經(jīng)濟的崛起，國內(nèi)無機高分子材料、化學(xué)機械拋光（Chemically Mechanical Polishing ，CMP）、精密制造、無機涂料等工業(yè)迎來了它們的高速發(fā)展期。國內(nèi)企業(yè)對硅溶膠的需求劇增，國外的硅溶膠生產(chǎn)企業(yè)為了掠奪這塊大蛋糕，也紛紛布局中國市場。我國本土的硅溶膠生產(chǎn)企業(yè)怎樣搶奪這個大市場呢[1]?這就需要我們不停地改良生產(chǎn)設(shè)備和工藝，這樣才能有效提高生產(chǎn)效率和加強產(chǎn)品的質(zhì)量。硅溶膠反應(yīng)釜是現(xiàn)在生產(chǎn)硅溶膠的主要機械設(shè)備，設(shè)備中的反應(yīng)液是利用蒸汽來加熱的，也就是根據(jù)自動調(diào)節(jié)蒸汽電動閥的開度大小來調(diào)節(jié)溫度。利用熱電阻來測量反應(yīng)釜中液體的溫度，溫度信號被轉(zhuǎn)換成了電阻信號之后通過專用導(dǎo)線連入熱電阻模塊EM231。然后電阻信號變?yōu)殡妷盒盘栔笥衷趦?nèi)部轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，最后通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）內(nèi)部程序的量化變?yōu)闇y量的溫度。將這個值再同PLC內(nèi)部設(shè)定值進行對比，模糊PID程序控制其結(jié)果，它會運算后算出所需要的控制量，再同模擬量模塊EM232發(fā)生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之后把輸出信號傳遞給電動閥，這個電動閥是用來控制蒸汽的，它會根據(jù)信號調(diào)節(jié)開度來控制反應(yīng)液的溫度。

1 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模糊控制的特點有對數(shù)學(xué)模型的精確性要求不高、控制效果理想、魯棒性強。有學(xué)者提出了神經(jīng)—模糊融合控制模型，該模型是將融合算法、融合結(jié)構(gòu)以及控制進行三位一體的設(shè)計。同時，有學(xué)者提出利用同倫BP網(wǎng)絡(luò)記憶模糊規(guī)則，通過“聯(lián)想方式”方式采用這些經(jīng)驗。然而，模糊控制領(lǐng)域仍存在有待深入研究的問題：（1）歸納總結(jié)可遵循的一般設(shè)計原則；（2）模糊控制系統(tǒng)的最優(yōu)化問題、穩(wěn)定性、功能的評價；（3）如何對非線性復(fù)雜系統(tǒng)進行模糊建模，建立模糊規(guī)則和模糊推理算法的研究。模糊控制的特點是適用于模型不完全、非線性、時變的系統(tǒng)上，便于讓操作人員可以通過自然語言進行人機對話[2]。

在實際中，應(yīng)用最為普遍的是PID控制。其調(diào)節(jié)器控制規(guī)律表現(xiàn)為微分控制、比例控制、積分控制。線性定常系統(tǒng)是PID控制的主要研究對象。因為它結(jié)構(gòu)較簡單、穩(wěn)定性較好、調(diào)整方便，所以被普遍應(yīng)用于工業(yè)過程控制。當(dāng)出現(xiàn)以下情況時，常規(guī)的PID控制器無法實現(xiàn)精確控制。（1）未能全面掌握被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)；（2）無法得到精確的數(shù)學(xué)模型，而模糊PID控制能解決。正因為模糊PID控制結(jié)合PID控制和模糊控制的優(yōu)點，在工業(yè)控制領(lǐng)域中被應(yīng)用的特別普遍。模糊PID控制是根據(jù)PID控制器的3個參數(shù)與偏差和偏差的變化之間的模糊關(guān)系，在運行時不斷檢測偏差和偏差的變化，通過事先確定的關(guān)系，利用模糊推理的方法，在線修改PID控制器的3個參數(shù)，讓PID參數(shù)可自整定[3]。

利用模糊PID控制系統(tǒng)對硅溶膠反應(yīng)釜進行溫度控制，主要是由Fuzzy控制器、PID控制器、溫度傳感器和蒸汽電動閥構(gòu)成。

PID控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示：

其中，輸入e（t）為控制器的輸入，也就是測量值與給定值之差，也就是偏差。TI是積分時間，Kp是比例系數(shù)，TD是微分時間，u（t）是PID控制器的輸出。

比例增益Kp，積分時間常數(shù)TI，和微分時間常數(shù)TD都是PID控制器的控制參數(shù)。這些參數(shù)對系統(tǒng)性能影響很大，具體分為以下幾點。

（1）比例項部分其實就是對預(yù)設(shè)值和反饋值差值的放大倍數(shù)，從而加大P值，可以減少從非穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)的時間。但是同時也可能造成電機轉(zhuǎn)速在預(yù)設(shè)值附近振蕩的情形，所以又引入積分I解決此問題。

（2）積分項部分其實就是對預(yù)設(shè)值和反饋值之間的差值在時間上進行累加。當(dāng)差值不是很大時，不引起振蕩。

（3）微分項部分其實就是求電機轉(zhuǎn)速的變化率，也就是前后兩次差值的差而已。也就是說，微分項是根據(jù)差值變化的速率，提前給出一個相應(yīng)的調(diào)節(jié)動作?？梢娢⒎猪椀恼{(diào)節(jié)是超前的。并且D值越大，超前作用越明顯。

2 模糊PID控制器的設(shè)計

在工業(yè)控制中，一般選擇有兩個輸入變量的模糊PID控制器，這兩個輸入變量是E（輸出反饋量和輸入設(shè)定值的偏差）和△E（偏差變化率）。兩個變量能更好地表現(xiàn)輸入變量的動態(tài)變化，也可滿足很多工程的要求。它采用“如果E是X且△E是Y，則U是Z”的模糊規(guī)則。U是模糊控制的輸出量；Y（t）是控制器實測值；e是控制器輸入偏差；Ku是控制器輸出量化因子；Ke是控制器輸入偏差量化因子，u是控制器實際輸出量；△e是控制器輸入偏差變化率；E是控制器輸出反饋量和輸入設(shè)定值的偏差；△E是控制器輸出反饋量和輸入設(shè)定值的偏差率；Y0是控制器給定值；K△e是控制器偏差變化率的量化因子[4]，如圖1所示。

由取樣得到的E以及△E，能夠計算得到相應(yīng)的控制變量U，可將全部E以及△E中元素的全部組合得到的控制變量值寫成矩陣形式得到一個查詢表。查詢表中的值先由計算機計算得出，然后存入內(nèi)存，即可提高運算性能。在進行模糊控制時，通常根據(jù)模糊量化后的E以及△E來查表獲取控制量的變化值，再乘以比例因子來得到輸出控制被控量。為了表達方便，假定將輸入、輸出論域量化為{2，-1，0，1，2}，且使控制量的模糊子集的論域為{MB，MS，0，PB，PS}，選三角形隸屬函數(shù)為其隸屬函數(shù)，通過隸屬函數(shù)和拉森推理法可得到一個模糊控制查詢表[5]。

3 溫度控制的程序設(shè)計

在硅溶膠反應(yīng)釜控制系統(tǒng)中，模糊控制算法流程如圖2所示，采用模糊PID的溫度控制系統(tǒng)。

圖1 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

本文首先介紹了硅溶膠生產(chǎn)的背景，強調(diào)了生產(chǎn)時反應(yīng)釜溫度控制的重要性，然后重點說明了用模糊控制系統(tǒng)來設(shè)計的溫度控制及模糊控制器的程序?qū)崿F(xiàn)。現(xiàn)場運用結(jié)果表明模糊PID控制器提高了系統(tǒng)抗外部干擾和適應(yīng)內(nèi)部參數(shù)變化的魯棒性，保證了硅溶膠生產(chǎn)溫度控制系統(tǒng)的精度。

圖2 模糊控制算法流程

[參考文獻]

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[3]陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

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[5]李牡丹，李麗宏，雷張偉.基于模糊PID控制的配料秤系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].中國測試技術(shù)，2008（2）：116-119.