活性炭生产中焦油温度的模糊自适应控制

北方民族大学电气信息工程学院　尚　燕　虎恩典　鲍　鹤　赵　阳

活性炭生产中焦油温度的模糊自适应控制

北方民族大学电气信息工程学院尚燕虎恩典鲍鹤赵阳

活性炭的生产过程中，作为黏结剂的煤焦油的黏结性起到至关重要的作用，而焦油的温度直接决定黏结性。温度过低，煤焦油内的沥青容易凝结；温度过高，易达到煤焦油的闪点，造成其内部成分丧失。本次设计采用了加入智能模糊自适应算法的嵌入式微控制器控制生产中焦油的温度，减小焦油温度控制的超调，使活性炭的生产更加方便、高效准确。

模糊；自适应；PID；嵌入式

引言

在活性炭的生产过程中，作为黏结剂的煤焦油的黏结性起至关重要的作用。粘性差煤粉混合不均匀，后续的炭化活化不易保持良好的孔隙结构，影响质量。在焦油温度控制系统中，利用热水蒸汽管路通入焦油仓和焦油罐的夹层中实现对焦油的加热。本设计结合厂家的要求，通过对活性炭，混捏成型工艺的研究，采用模糊自适应参数调整进行焦油的温度控制。

活性炭混合搅拌通过向焦油罐中注入高温水蒸汽加热焦油，由于向焦油加热系统中通入的热水蒸汽为固定温度。因此只需控制热水蒸汽阀门的开度即可加热。待温度达到要求，保持阀门开度不变，进行后续的原料进料、出料、原料搅拌、煤膏出料等过程。

1　基本原理

活性炭混合及成型控制系统中，焦油温度控制属于惯性较大、时滞较严重的系统。该系统运用常规PID，通过调整控制器的比例，积分，微分，使得被控对象的温度跟随其设定值。然而，活性炭生产对焦油的温度控制精度要求非常高，这就使得传统PID控制略显不足。针对该问题，采用模糊自适应智能算法，并将带有控制算法的芯片结合转换电路制成控制器，以适应工业生产的的电流信号。

图中气源为高温蒸气，控制器通过可调开度阀门控制注入的蒸气量以加热焦油并保持温度恒定，多余的蒸气从排气孔排出。本系统中如图2，反馈转换电路将现场焦油温度的反馈4-20mA转换为0-3.3V信号；转换电路将的0-3.3V控制信号转换为4-20mA工信号至调节高温蒸气的阀门。焦油温度的设定由控制器上带有按键的显示屏模块显示并输入至微处理器，并显示焦油反馈温度实际值，如图1中的PV、SV。

2　焦油温度控制基本理论

由现场及控制理论得焦油温度控制原理如图1所示。控制器的核心主要有常规P1D控制和模糊推理的参数校。

图1　控制器原理图

图2　控制系统原理图

给定为控制器的输入焦油设定温度SV，反馈为焦油实测温度PV。

图2所示偏差e由给定SV减去反馈PV得出，ec为偏差变化率。模糊推理，不断检测焦油给定反馈偏差和偏差变化率，经过模糊化处理后分别得到模糊量e和ec，并以此作为输人量，经由模糊推理输出参数修正量△Kp、△Ki和△Kd以实时调整P1D控制参数，调整后参数即为原参数加上修正量。

对常规PID离散化得到PID算法的离散表达式：

其中，T为离散系统的采样周期，e（k-1）表示第（k-1）次采样后的偏差，e（k）表示第k次采样后的偏差。Kp、TI、、TD为比例、积分、微分参数。用一阶后向差分近似代替微分作用，则模糊推理输入ec为：

模糊控制表的设计：

对误差e，误差变化ec和控制量Kp、Ki、Kd论域定义为：

｛-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5｝

e、ec和Kp、Ki、Kd模糊子集均为：

｛负大、负中、负小、零、正小、正中、正大｝

英文缩写为：

｛NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB｝

将焦油的温度反馈值与设定值比较，量化可得焦油温度偏差e、温度偏差变化率ec的模糊隶属度。则制定出△Kp， △Ki， △Kd关于e、ec的调节模糊规则表。由焦油温度控制的基本原理知，模糊自适应PID输出量即为控制蒸气通入焦油罐的阀门开度。

3　结果

由飞升曲线知本系统中实测焦油的参数为：纯滞后时间τ=60s，时间常数T=Tm-τ=360-60=300s，放大倍数K=2。则从这些数据分析计算可知，焦油温度控制系统的数学模型为：

通过建立matlab模型仿真，控制效果如图3所示。

图3　焦油温度控制仿真曲线

由仿真结果对比知，模糊自适应PID参数调整可使系统的超调幅值减小约10%，且更快到达稳态值。

将设计的编写的程序代码编译并写入微处理器，与现场设备连

接，得实测曲线如图4所示。

图4　焦油温度实测曲线

4　结语

工业生产中带有滞后的控制对象很多，参数不理想，很容易产生大幅度超调，传统的控制方法已不能满足现代生产需求，在此种情况下，带有模糊自适应的PID参数调整方法将显著提升控制效果。理论与实践证明，模糊自适应PID控制的焦油温度超调小，稳定性高，系统本身滞后带来的不良影响降低，有利于整个活性炭工艺的生产。

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