集气管压力控制系统实验仿真平台的设计

曾　蓉，冯仁莹，徐　图

(西南交通大学　信息科学与技术学院，成都　610031)



集气管压力控制系统实验仿真平台的设计

曾蓉，冯仁莹，徐图

(西南交通大学信息科学与技术学院，成都610031)

集气管压力的控制在焦炉生产中将直接影响焦炭及煤气的有效生产。该文采用LabVIEW软件对集气管压力控制系统实验仿真平台进行了设计，该平台在实现压力采集、数据处理、报警、开关状态检测和远程调用等功能基础上，通过模糊控制器能够迅速地完成集气管压力缓慢变化、快速变化和突变3种情况的调节控制，且得到了较好的控制效果。

实验仿真平台；集气管压力；模糊控制；LabVIEW软件；

当集气管压力维持在一定的范围内时，通过集气管回收焦炭生产过程中产生的荒煤气，可以保证焦炭的产品质量，减少环境污染，提高经济效益。现有的焦炉集气管压力控制系统多采用PID等经典控制技术，这些技术要求被控对象有精确的数学模型。由于集气管工作环境的复杂性导致其压力系统是一个具有耦合性、非线性、时变性、扰动变化频繁激烈的多变量系统，很难建立精确的数学模型，因此采用经典控制技术很难达到令人满意的控制效果[1-2]。模糊控制以人对被控对象的控制经验为依据设计控制器，不需要知道被控对象的数学模型，便于利用软件实现，同时也具有很好的鲁棒性和适应性。

本文以炼焦生产过程中荒煤气回收工艺工段为对象，采用模糊控制器，利用虚拟仪器软件LabVIEW对其实验仿真平台进行了设计。该系统不需要实际建造设备和受运行周期的影响，能迅速地获得技术经济指标。设计虚拟工艺流程所面临的问题，往往就是设计真实工艺流程需要解决的问题，但设计虚拟工艺流程的风险性大大降低，对于设计人员和培训工段操作人员都具有重要意义[3]。

1　总体设计方案

集气管压力作为焦炉生产中重要的工艺参数，不仅涉及焦炭及煤气质量、炉体寿命、节约能源和空气污染等问题，还关系到冷凝鼓风机设备的安全运行。实验表明，在推焦装煤期间，集气管的压力控制在(80 ±10)Pa以内，吸气管的压力控制在(1500±100)Pa以内，系统的主要技术指标优于原指标，具有良好的动态和静态特性[4]。本实验仿真平台以集气管的压力控制和吸气管的压力控制指标为标准，进行集气管压力控制系统的设计与仿真。

研究的对象主要由两个集气管和一个吸气管组成，其结构简图如图1所示。

集气管压力控制系统的控制过程为：通过对蝶形阀k1、k2和k3角度的调节来改变集气管和吸气管内荒煤气的流量，使被控对象集气管1、集气管2和吸气管内的压力随之变化，从而达到集气管压力控制的目的。由于集气管1、集气管2和吸气管是连通的，其中一个管道的压力值产生变化，必将影响到其他两个管道的压力值，从而产生复杂的耦合性，使得数学模型复杂化。本实验平台主要针对控制专业的本科生，对于复杂的耦合性所产生的数学模型将予以忽略，直接对3个管道进行独立控制。每一个管道控制原理都一样，集气管压力由压力传感器采集，转为电压或电流形式(具体视传感器类型而定)，经过预先滤波处理、采样和A/D转换环节后送入DSP芯片，在芯片内对信号进行诸如数字滤波、重采样等二次处理，然后编码[5]，由串口送入PC机，利用PC机里的控制算法对信号进行分析，做出对控制量的决策，送回DSP芯片内，再经D/A转换、功率放大环节和执行器，改变蝶形阀开度来调节集气管压力。同时PC机通过服务器，也可实现远程监控，达到分布式控制的目的。

图1　控制对象简图

图2　集气管压力控制系统实验仿真平台人机界面

作为一个完整的集气管压力控制系统，不仅要完成对压力的控制，还要考虑到易读性、易操作性及完整性，直观的图形用户接口及过程监控显示等。仿真平台功能主要包括：压力采集与显示、压力变化趋势图、数据处理、自动报警、报警信息记录、数据存储、开关状态检测、手动自动调节、远程调用等功能。人机界面如图2所示，通过该界面可以方便直观地看到集气管压力的变化及其变化的历史趋势，报警信息记录，便于操作员对系统性能进行评价。同时通过观察蝶形阀的偏转位置也可以实现对开关状态的监视。

远程调用方面，通过配置并启动本地的LabVIEWWeb服务器。在远程计算机的浏览器中输入已配置好的URL地址即可实现远程监控[6-7]。

2　模糊控制器设计

控制器的设计是集气管压力控制的核心。需要对集气管和吸气管分别进行设计，本设计暂不考虑耦合问题。为保证集气管压力模糊控制器具有自适应能力，设计时采用了离线设计和在线调整相结合的方法。系统采用单变量二维模糊控制对控制器进行设计。两个输入变量选用受控变量值和输入给定值的偏差E和偏差变化EC，它们能够较严格地反映受控过程中输出变量的动态特性[8-10]。

在工业控制中，由于操作人员只能观察到被控量的输出量和输出的变化量，而模糊控制器的初步控制规则多采用人工控制经验。变量模糊集如下：

压力误差E={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分别表示{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；压力误差变化率EC={NB，NS，ZO，PS，PB}，分别表示{负大，负小，零，正小，正大}；控制器输出U={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分别表示{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。

集气管压力误差为±10Pa，其论域E可设为[-10，10]；吸气管压力误差范围为±100Pa，其论域E可设为[-100，100]；集气管压力变化率EC论域为[-4，4]；吸气管压力变化率论域EC为[-10，10]。输出变量U，直接控制蝶形阀的位置，因此按照其模糊子集的个数，将其论域定为[-3，3]。离线设计时论域可定为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。

根据集气管与吸气管压力误差的性能要求和经验设定隶属度函数。如集气管压力误差绝对值大于8Pa，吸气管压力误差绝对值大于60Pa时，就可以认为误差足够大，隶属于“NB”的度为1，隶属于其他模糊集的度为0；集气管压力变化在每个单位时间内大于4Pa，吸气管压力变化在单位时间内大于10Pa时，认为压力变化率足够大，即隶属于“NB”的度为1等。其模糊控制规则有以下3点。

1)如果“偏差”是“负大”且“偏差变化率”是“负大”，则“输出量”是“负大”(ifEisNBandECisNBthenUisNB)，表示如果集气管压力比给定值小很多而且变化率为下降较快时，将蝶形阀开度减小，以增加压力。

2)如果“偏差”是“负大”且“偏差变化率”是“正大”，则“输出量”是“零”(ifEisNBandECisPBthenUisZO)，表示如果集气管压力比给定值小很多但变化率为上升较快时，压力正在以较快速度升高，不必改变蝶形阀开度。

3)如果“偏差”是“负小”且“偏差变化率”是“正大”，则“输出量”是“正小”(ifEisNSandECisPBthenUisPS)，表示如果集气管压力比给定值小一些但变化率为上升较快时，为了避免压力升高过快，产生不必要的超调，将蝶形阀开度增大一些，以降低压力升高的趋势。模糊系统总的可信度为各条规则可信度推理结果的并集：

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)}

本文采用具有较为平滑的输出推理面积重心法进行反模糊化，即将模糊推理得到的结果(即模糊量)转换成一个确定的量，作为控制器的输出。面积重心法是取隶属度函数曲线与横坐标围成面积重心的横坐标作为模糊推理的控制器输出值UO(即对蝶形阀调节的角度)：

(1)

利用Matlab绘制出三维的集气管压力模糊响应图，如图3所示。

图3　集气管压力模糊响应图

3　实验仿真结果及性能分析

本文对集气管压力缓慢变化、压力快速变化、压力突然变化3种常见的情况分别进行实验仿真，其仿真结果有如下3点。

1)压力缓慢变化的情况。

在正常情况下，炼焦过程中随着炭化室燃料从填入到完全燃烧，集气管内的压力会出现较大的波动，但变化速度并不很快，本文采用一个低频带均匀白噪声的正弦波来模拟集气管压力缓慢变化的过程。正弦波频率为0.02Hz，幅值为20；均匀白噪声幅值为2，如图4所示。从控制效果图来看，对于缓慢变化的压力值，模糊控制系统可以很好地将其控制在要求的误差范围E∈(-10，10)内。

图4　正弦仿真信号的控制效果

2)压力快速变化的情况。

当打开炭化室往里填入燃料时，通常由于泄漏使得集气管内的压力急剧下降；当装完燃料关闭炭化室密封门后，又会由于燃料的补充使得集气管内的压力急剧上升。本文采用带白噪声的三角波来描述集气管压力快速变化的过程。三角波幅值为15，频率为0.1Hz(周期1s)，即意味着集气管压力在前5s内快速上升15Pa后，又在后5s内快速降低15Pa。白噪声幅值为2，其控制效果如图5所示，对于快速变化的信号，误差的变化率高，模糊控制输出能在最短的时间内做出较大的响应，使得误差往减小的方向调节，将误差限定在规定范围内。

图5　三角波仿真信号的控制效果

3)压力突变时的控制仿真。

图6　方波仿真信号的控制效果

4　结束语

本文采用LabVIEW，完成了基于模糊控制集气管压力控制系统实验仿真平台的设计。该仿真平台通过直观的人机界面不仅能够完成压力采集与显示、压力变化趋势图、数据处理、自动报警、报警信息记录、数据存储、开关状态检测和远程调用等功能，而且通过采用模糊控制规则，能够迅速地实现对集气管压力缓慢变化、快速变化和突变3种情况的调节控制。

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Design of Experiment Simulation Platformfor the Gas Collector Pressure Control System

ZENG Rong，FENG 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，讲师，主要从事自动化控制的实验教学与研究工作。

TP273.4；TP319

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.023