模糊PID算法在纸机干燥部的应用

董超++郑芳琴

文章编号：2095-6835（2017）10-0148-02

摘 要：针对纸机干燥部温度控制回路的时滞常数大，控制困难的特点，提出采用可编程控制器（PLC）结合模糊PID算法。这种方法需首先建立模糊规则表，通过查表的方法来确定模糊PID控制器的参数，而后由模糊PID控制器控制阀门的开度，从而达到对温度的控制要求，实现干燥部的优化过程控制。结果表明，模糊PID算法具有较好的控制效果。

关键词：模糊PID算法；纸机干燥部；控制器；DCS控制系统

中图分类号：TS734 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.148

传统的软PID参数不易整定，而且参数一旦整定好之后就固定不变，不能根据对象的变化自我调整，这样就降低了PID的控制精度和鲁棒性，不适应于大时滞过程对象的控制。而纸机的烘干部就是一个大时滞对象，如果应用常规的PID控制器，就难以达到工业上所要求的温度控制曲线，所以将模糊控制的原理应用于传统的PID，根据查表的方法在线整定PID参数，使其根据对象的变化而变化，从而提高传统PID的控制精度和鲁棒性，并将其应用于纸机的干燥部。

1 工艺流程简介

由发电厂输送过来的新鲜蒸汽分别进入纸机Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ 3组烘缸，其进气量的大小由相应的阀门开度来控制。Ⅰ段烘缸只进新鲜蒸汽，Ⅱ段烘缸除了通入新鲜蒸汽外还有来自Ⅰ段烘缸的二次蒸汽，因而此段烘缸温度比Ⅰ段低。为了节约能源，Ⅲ段烘缸不但加入Ⅱ段烘缸的二次蒸汽，而且加入了自身的二次蒸汽。但是Ⅲ段的二次蒸汽压力较低，所以需使用热泵，通过新鲜蒸汽的流动来带动二次蒸汽，这样既可以利用二次蒸汽，节约能源，又可以消除烘缸积水。

2 控制器设计

对于纸机干燥部，最终的控制目标是各烘缸段的表面温度。由于温度的非接触测量难度大、精度低，温度控制回路的时滞常数大，控制困难，所以通常根据饱和蒸汽压力与温度的对应关系，采用检测压力、控制压力的方法来稳定各烘缸段的温度，从而获得工艺要求的烘缸温度曲线。

在本控制系统中，核心控制算法依然是工业中广泛采用的数字PID系列算法。但是为了实现本系统的总体设计思想，在节能和响应速度2方面都尽可能地趋于最优，借助于非线性PID的控制思想，对控制器的理论输出值进行相应的修正后得到实际输出值，输出给对应的气动调节阀的阀门定位器。所以本次采用模糊PID算法。

模糊规则的选取以现场工程师的经验为准，具体控制如下。

2.1 热泵的压力控制和热泵开度的模糊控制

对于每个热泵，包括如图1所示的吹贯蒸汽压差控制（DPIC）和烘缸组补汽压力控制（PIC）2个闭环回路以及1个热泵开度低端选择开环控制（LPS）。对于DPIC和PIC 2个单回路，其

中心控制算法是常规PID算法，但排汽阀和补汽阀的实际动作规律却如图2中实线所示，热泵针形调节头的实际动作规律如图2中虚线所示。其横轴的理论值是DPIC和PIC 2个单回路中阀门理论开度值中较小的一个，即进行低端选择。由图2不难看出：当DPIC和PIC控制器的理论输出值小于50%时，排汽阀和补汽阀都关闭。这就意味着Ia段烘缸所需要的蒸汽都由1#闪蒸罐闪蒸出来的二次蒸汽经热泵增压后得到的混合蒸汽来供给。而热泵的实际开度比理论计算值大，当其理论值为50%时，实际值就达到100%，即处于全开状态，以尽可能多地利用二次蒸汽，减少新鲜蒸汽的使用量，达到节能降耗的目的。

2.2 湿端低温段烘缸组压力回路的控制

由于湿纸幅从毯缸分离出来，含水量很高，要求低温段前面一两个烘缸温度相对较低，并由前至后保持一个稳定、温度逐渐升高的温度曲线。为此，从工艺上讲，这段烘缸组分成3小段，采用3个压力回路进行分段模糊控制，并将最初一段的压力设定为负压，如图3所示。各阀门的实际动作规律如图4所示。这样做的目的同前面类似，在保证满足工艺要求的前提下充分利用系统余热，尽可能地减少新鲜蒸汽的消耗量，并有效避免纸页粘缸、掉毛、掉粉、起皱、翘曲、断纸等现象。

3 模糊PID在PLC中的实现

本次应用针对车速60 m/min的纸机烘干系统而设计，并采用以西门子CPU314-2DP为核心的DCS控制系统。这样可以减少分接头数，提高系统的安全性，而模糊化的PID具有快速性和高的控制精度，从而保证了动作的可靠性，提高了系统运行的效率。模糊PID通过S7-300站实现门进气量的智能控制，以达到对烘缸温度的控制目的。置于MCC控制室中的ET200M可将驱动烘缸的电机接入到DCS控制系统中，ET200M与S7-300站的通讯，以及2台上位机与S7-300站之间的通讯均采用西门子专用的561卡，数据通过PROFIBUS-DP总线通信。

本次软件设计借助于西门子专用编程软件Step7，通过编程的方法实现自适应PID的控制功能。由于Step7中的FB41本身就是普通的软PID，所以编程方面主要是解决如何实现模糊控制及自适应，以改进FB41的控制功能。所以先定义输入误差取e=S（k）-P（k）（即设定值与过程值之间的差值），误差变化率ec=e（k）-e（k-1）（e（k）是PLC本次扫描周期所计算出的误差，e（k-1）是上次扫描周期所计算的误差）。取OB1为主循环程序，控制整个系统中子程序的调用顺序，实现全局最优；OB35为中断子程序，即程序運行10次调用1次蒸汽流量累计程序FC15；FC1为模拟量输入子程序，其采样值保存于DB100中；FC98调用模拟量平均子程序，并将平均后的模拟量放入DB20中对应的字中；模糊化子程序FC2主要实现输入量的模糊化，并将噪声干扰去除掉；FC3为模糊推理程序，其背景数据块选取DB21（存放上文的模糊规则），并通过查表的方式实现模糊推理；解模糊程序放于FC4中，主要实现数据的清晰化，标度变换后得到PID参数；整定后的PID参数直接赋给FB41的背景数据块DB30，覆盖掉DB30中原有的PID控制参数，进而控制执行器的动作，以实现PID的在线自我整定功能。

4 控制效果

在实际应用中，该控制器取得了较好的控制效果，当蒸汽压力从7.9 kPa上升到12.3 kPa时，系统超调量比较小，而且从系统开始响应到稳定状态所需时间大概几秒左右，比常规PID响应要快得多；由于控制器鲁棒性较强，所以系统在稳定状态时的压力曲线表现比较平滑，而此时整定出的PID控制参数基本不变，阀门的开度也不变，从而减少了阀门的摆动次数，延长了阀门的使用寿命，提高了系统抗干扰的能力。

5 结束语

实际运行结果表明，这种改进后的PID是切实可行的，其模糊自整定功能可以有效拟制噪声和随机干扰，特别是将其与PLC相结合，大大改进了西门子PID的控制功能，提高了DCS系统的整体性能，实现了高级控制与实际应用之间的结合，为厂家节约了成本，提高了社会效益。

参考文献

[1]孙增圻.智能控制理论与技术[M].北京：清华大学出版社，2000.

[2]陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，1998.

[3]郑晟，巩建平.现代可编程序控制器原理与应用[M].北京：科学出版社，2003.

[4]王孟效.制浆造纸过程测控系统及工程[M].北京：化学工业出版社，2003.

[5]韩曾晋.自适应控制[M].北京：清华大学出版社，1995.

[6]陈瑜，王孟效.热泵供热系统在纸机干燥部的应用[J].造纸科学与技术，2005，24（2）.

[7]杨婕，王鲁，孙霞.基于模糊算法的水泥烧成控制系统研究[J].微计算机信息，2008，24（4）.

[8]门亚玲.基于模糊算法的工程机械驱动防滑控制系统设计[J].自动化与仪器仪表，2015（11）.

〔编辑：刘晓芳〕