模糊控制在尾礦池液位控制上的應(yīng)用

許金龍

（湖北大峪口化工有限責(zé)任公司，湖北 鐘祥 431910）

0 引言

常規(guī)PID 控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好和可靠性高的特點(diǎn)，對(duì)于各種線性定常數(shù)系統(tǒng)的控制都能獲得滿意的控制效果，但在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，被控對(duì)象的環(huán)境多變，導(dǎo)致參數(shù)不定，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的非線性問(wèn)題[1]。本公司選礦一部一期尾礦工段有兩個(gè)尾礦池，設(shè)計(jì)采用單回路負(fù)反饋控制回路控制液位，其在該現(xiàn)場(chǎng)的工況下存在以下問(wèn)題：①因尾礦進(jìn)口流量波動(dòng)較大，且尾礦池液位和執(zhí)行器存在一定的滯后，PID 參數(shù)整定最優(yōu)后，液位曲線也近似于等幅震蕩曲線，無(wú)法達(dá)到自控專(zhuān)業(yè)要求的4:1 ～10:1衰減曲線；②驅(qū)動(dòng)液力耦合器的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作幅度大，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)及控制板因?yàn)檫^(guò)熱經(jīng)常損壞；③因轉(zhuǎn)速變化幅度大，造成尾礦泵故障率偏高；④持續(xù)動(dòng)作還會(huì)造成液力耦合器的油溫偏高，增加更換傳動(dòng)油的費(fèi)用。經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，使用模糊控制能解決以上問(wèn)題。

1 模糊控制理論

在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要因素，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的信息越詳細(xì)，則越能達(dá)到精確控制的目的。然而，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確地描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。換言之，傳統(tǒng)的控制理論對(duì)于明確系統(tǒng)有強(qiáng)而有力的控制能力，但對(duì)于過(guò)于復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無(wú)能為力了。因此，需要用模糊數(shù)學(xué)來(lái)處理這些控制問(wèn)題。“模糊”是人類(lèi)感知萬(wàn)物，獲取知識(shí)，思維推理，決策實(shí)施的重要特征。“模糊”比“清晰”所擁有的信息容量更大，內(nèi)涵更豐富，更符合客觀世界。

模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Control）簡(jiǎn)稱(chēng)模糊控制（Fuzzy Control），是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。1965 年，美國(guó)的L.A.Zadeh 創(chuàng)立了模糊集合論；1973 年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理；1974 年，英國(guó)的E.H.Mamdani首次根據(jù)模糊控制語(yǔ)句組成模糊控制器，并將它應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，獲得了實(shí)驗(yàn)室的成功。

在模糊邏輯控制中，最主要的一環(huán)是模糊邏輯推理，它需要專(zhuān)家的知識(shí)庫(kù)做基礎(chǔ)，通?？捎胣 個(gè)if…then 的型式來(lái)表述。另外，熟練的操作人員在不知道數(shù)學(xué)模型的情況下，也能夠成功地控制這些系統(tǒng)，因此需要記錄操作員的操作模式，并將其整理為if…then 的型式，以構(gòu)成一組控制規(guī)則。

2 操作工的操作方法

尾礦池液位使用單回路PID 控制時(shí)，有時(shí)操作工會(huì)將調(diào)節(jié)器切換到手動(dòng)位置。經(jīng)過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)：操作工控制液位的方式都要在大腦里做3 個(gè)判斷，一是液位當(dāng)前高低程度；二是液位是在增加還是在減?。蝗窃黾踊驕p小的速度。根據(jù)這3 個(gè)判斷，憑經(jīng)驗(yàn)將閥位值給到一個(gè)值，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，再重復(fù)上述步驟對(duì)閥位值進(jìn)行微調(diào)。由此可以總結(jié)出4 個(gè)if…then 規(guī)則：①if 液位在某一范圍，then閥位（MV）對(duì)應(yīng)一個(gè)開(kāi)度范圍；②if 液位是在增加（或減小），then 閥位應(yīng)該在滿足上個(gè)if…then 規(guī)則基礎(chǔ)上，應(yīng)該增加還是減小；③if 液位變化快，then 閥位在滿足上2 個(gè)if…then 規(guī)則基礎(chǔ)上，應(yīng)該增加（或減小）多少；④if 液位變化慢，then 閥位在滿足上2 個(gè)if…then 規(guī)則基礎(chǔ)上，應(yīng)該增加（或減?。┒嗌?。下面介紹根據(jù)這4 條規(guī)則完成的DCS 組態(tài)，該組態(tài)是在浙江中控的JX-300X 系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)的，并通過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)使用測(cè)試。

3 模糊控制的DCS組態(tài)

圖1 浙江中控DCS單回路控制模塊結(jié)構(gòu)原理圖[2]Fig.1 Schematic diagram of the structure of Zhejiang SUPCON DCS single-loop control module

在介紹尾礦池液位模糊控制的DCS 組態(tài)之前，有必要先說(shuō)明該液位控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)。本文介紹的尾礦池是一個(gè)12m3的小池子，其液位高低與選礦車(chē)間產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量無(wú)關(guān)，所以控制目標(biāo)是保證不溢流、不抽空。通常情況下，對(duì)于這種控制目標(biāo)，可以用啟停泵的方式控制液位，但是尾礦泵的電機(jī)是6000V、250KW 的高壓電機(jī)，啟停泵控制方式對(duì)電網(wǎng)沖擊很大，所以不可取。為了解決引言中提到的問(wèn)題，應(yīng)盡量減小PV（液位）和MV 值的波動(dòng)；另外，在工段開(kāi)車(chē)時(shí)，操作工需要手動(dòng)控制MV 值，所以控制目標(biāo)中還要求保留手操器功能。下面就來(lái)介紹通過(guò)DCS圖形化組態(tài)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的方法。

因?yàn)橐Ａ粼械氖植倨鞴δ?，所以在圖形化組態(tài)中，主控制模塊還用單回路閉環(huán)PID 控制模塊，只不過(guò)增加了通過(guò)跟蹤開(kāi)關(guān)SwTV 來(lái)實(shí)現(xiàn)MV 跟蹤TV 的功能，在下面的程序里只要對(duì)TV 的賦值進(jìn)行編程就可以實(shí)現(xiàn)模糊控制。圖1 是浙江中控的JX-300X 系統(tǒng)單回路閉環(huán)PID 控制模塊的結(jié)構(gòu)原理圖。

在跟蹤開(kāi)關(guān)SwTV 為OFF 時(shí)，實(shí)現(xiàn)功能就是普通的PID 調(diào)節(jié)或手操控制（由手自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)SwAM 切換）；在跟蹤開(kāi)關(guān)SwTV 為ON 時(shí)，PID 輸出無(wú)效，輸出閥位值MV實(shí)時(shí)跟蹤TV。

最終完成的模糊控制的圖形化組態(tài)有2 個(gè)梯形圖（LD）段落，圖2 為模糊控制初始化梯形圖，主要完成的功能是在系統(tǒng)切換到模糊控制后，根據(jù)液位所在范圍給MV 賦初始值，相當(dāng)于完成了上節(jié)提到的第1 個(gè)if…then 規(guī)則。在本例中，液位在0 ～20%時(shí)，對(duì)應(yīng)15%MV 值；液位在20%～40%時(shí)，對(duì)應(yīng)25%MV 值；液位在40%～50%時(shí)，對(duì)應(yīng)35%MV 值；液位在50% ～60% 時(shí)，對(duì)應(yīng)40%MV值；液位在60% ～80% 時(shí)，對(duì)應(yīng)45%MV 值；液位在80%～100%時(shí)，對(duì)應(yīng)50%MV 值。

圖2 尾礦池液位模糊控制初始化梯形圖Fig.2 Fuzzy control initialization ladder diagram of tailing pool liquid level

圖3 為模糊控制主程序梯形圖，計(jì)算方法是將上一個(gè)運(yùn)行周期的液位值與當(dāng)前液位值相減，判斷液位是增加的趨勢(shì)還是減小的趨勢(shì)，從而決定MV 修正值（圖2 的梯形圖中變量ADDSUB）的正負(fù), 相當(dāng)于完成第2 個(gè)if…then 規(guī)則；同時(shí)還要判斷這個(gè)差值（浮點(diǎn)數(shù)LTEM1 與LTEM2 之差）的大小，如果差值太小忽略不計(jì)（本例不小于0.1%），如果差值夠大，對(duì)下周期的MV 進(jìn)行修正，相當(dāng)于完成第3個(gè)、第4 個(gè)if…then 規(guī)則。

圖3 尾礦池液位模糊控制主程序梯形圖Fig.3 The main program ladder diagram of the fuzzy control of the tailing pool level

圖4 尾礦池液位模糊控制效果圖Fig.4 Fuzzy control effect diagram of tailing pool liquid level

值得一提的是：為了保證計(jì)算精度，中間計(jì)算過(guò)程都采用浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算，最終結(jié)果轉(zhuǎn)換半浮點(diǎn)數(shù)后賦值給自定義2 字節(jié)變量LCV5501-11，MV 值就是跟蹤這個(gè)變量。

4 模糊控制的效果

上述的尾礦池采用模糊控制，并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀察后證明：完全滿足不溢流、不抽空的控制要求，而且控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于PID 控制。圖4 為控制效果圖，從圖中看出，液位基本被控制在40%～60%之間，而如果采用PID控制，將PID 參數(shù)整定到最優(yōu)后，液位波動(dòng)范圍還是在30%～70%之間。采用模糊控制后，因?yàn)橐何患伴y位值波動(dòng)幅度小了，引言中提到的用PID 控制存在的問(wèn)題得到了基本解決；另外，本文介紹的模糊控制的DCS 組態(tài)還有不少功能強(qiáng)化的空間，比如可以修改模糊控制主程序梯形圖，將差值大小分幾個(gè)檔次，每檔對(duì)應(yīng)不同的MV 修正值（本例中修正值固定為0.2%），以減小找到最佳MV 值的時(shí)間。因?yàn)樾Ч呀?jīng)達(dá)到了，所以本例沒(méi)有增加這段梯級(jí)的組態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在保留原有PID 控制的基礎(chǔ)上增加模糊控制，只需要修改DCS 組態(tài)，成本為零。本例證明：采用模糊控制能達(dá)到PID 控制不能達(dá)到的控制效果，而且提高了設(shè)備使用壽命。但是模糊控制相對(duì)于PID 控制來(lái)說(shuō)，有適用范圍窄、編程復(fù)雜、控制結(jié)果有余差，不容易修改目標(biāo)值（SV）等缺點(diǎn)。不過(guò)隨著控制理論的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，預(yù)計(jì)將來(lái)在DCS 組態(tài)上會(huì)有模糊控制模塊，那么模糊控制可能會(huì)有更廣大的適用范圍。