模糊自适应PID控制在分子蒸馏装置中的应用研究

吴悦

摘 要：分子蒸馏效率受很多因素的影响，如刮膜电机转速、进料温度、导热油温度、进料量、真空度等。本文重点讨论了刮膜电机转速对分子蒸馏效率的影响，交流异步电机具有多变量、强耦合、参数时变非线性等特点，传统的异步电机调速均采用PID调节，本文采取了模糊自适应PID控制代替传统的PID控制，通过仿真结果进行分析。

关键词：PID控制 模糊自适应PID控制 MATLAB仿真

中图分类号：TP373 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）11（a）-0078-02

蒸馏装置自20世纪20年代出现以后，其理论与研究技术正在迅速发展中，已经在石油化工、食品工业、医药工业等领域占据了重要的位置，特别是对一些高沸点、粘度大和热敏性比较强的物质的分离，由于全世界都在不断地研究开发，这项技术正在慢慢地涉及更广的领域，然而，目前国内这项技术与国外相比依然比较落后，成本高、消耗能量大、产率低，还有很多技术没有得到完善，并且由于分子蒸馏过程的不可逆性的特点，使能耗的损失也较大，据统计，蒸馏所消耗的能量约占整个化工领域的45%，所以研究分子蒸馏过程节能是必然趋势，对我们解决能源问题起到了关键性作用。

1 双闭环PID控制器设计

通过各个操作参数对分子蒸馏影响的分析得出，分子蒸馏的效率受多因素的影响，是一个比较复杂的过程，只有平衡好各个参数之间的关系，才能有效地进行提纯。本文重点研究一下如何控制刮膜转速。

传统的电机调速常用的方法是双闭环控制，由转速和电流两个闭环组成，主控制环是转速控制，其主要作用是稳定电动机的转速，副控制环是电流控制，结构原理图如图1所示。

整个控制系统以转速控制器的输出电压作为电流控制器的给定电压，采用转速和电流双闭环控制，并且两个闭环的控制器都采用PID（比例积分微分）控制方法。PID简单、可靠性高，被广泛用于过程控制，但设计过分依赖于控制对象的数学模型，且抗负载的能力也不是特别强，存在着参数不能随被控对象的变化做出相应调整的缺点，当参数变化时，PID控制器的参数不能随着被控对象的变化做出相应的调整。

2 刮膜电机转速模糊自适应PID控制器的设计

2.1 输入模糊化

模糊控制器只能处理模糊量，通常输入量都不是模糊量，因此需要做模糊处理，然后再进行模糊推理，模糊化的最终目的就是将一个确定的量转化成模糊推理能识别的模糊量。在模糊化过程中，隶属函数的选取对模糊控制器的控制效果有一定的影响。通常来说，隶属函数曲线上升的速度越快就表明控制器对输入输出函数的辨识度越高，相反，隶属函数曲线比较平稳就表明控制器对输入输出函数的辨识度比较平稳，因此，我们要根据系统的要求来旋转合适的隶属函数。在本文中，要想让转速达到无超调，稳定性好，就应该选择灵活性高的三角形隶属度函数，能够保证足够的精度。现在我们来定义7个模糊子集，分别在参数、、以及偏差论域E和偏差变化论域EC上，与之相对应的7个语言值分别是正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）、负重（NM）、负大（NB）、负小（NS）和零（Z）。用三角函數来作为隶属度函数，输入值和输出值、、、和的论域都是{-3，-2，-1，0，1，2，3}。

2.2 模糊推理过程

将非模糊量进行模糊处理之后，就要进行模糊推理过程，模糊推理就是用建立好的模糊规则来确定输入和输出量的模糊关系，然后用建立的模糊关系去控制输出量。图2是一般的阶跃响应的输出曲线。

将这条输出曲线分为区域1、2、3和A、B、C、D、E、F六个比较重要的点进行分析。通过它们变化的规律来确定相应参数、和，模糊规则表也是根据这一变化规律制定。

2.3 解模糊化

2.4 刮膜转速控制系统的仿真与分析

MATLAB是控制系统计算机辅助设计工具之一，提供了有效的工具箱支持，前面我们已经利用了MATLAB中的模糊工具箱建立了输入输出函数以及模糊推理规则，另外，MATLAB中还嵌入了实现动态系统建模和仿真工具SIMULINK。SIMULINK具有建模简单、仿真易操作、简单可行和修改系统参数便捷等优点。其仿真结果如图3和图4所示，三相异步电动机：型号Y132S-4，电压U=380V，功率P=50kW，电流I=116A，额定转速n=1440r/min，频率50Hz，额定转矩7.5N/m，定子电感0.55H，转子电感0.58H，互感055H，定子电阻5.8Ω，转子电阻5.5Ω。

通过仿真曲线能够看出，模糊自适应PID相比于常规PID控制更加理想，能在较短的时间内趋于稳定，超调较小，对外界干扰具有较强的鲁棒性和自适应性，在工程应用上有较好的前景。

3 结语

本文在常规PID控制器的基础上，设计出一种基于阀值开关原理的控制器，将常规PID和模糊控制器结合起来控制转速环，最后利用MATLAB/SIMULINK对其进行仿真，实验结果表明模糊自适应PID相比于常规PID，具有超调减小、过度平稳、调节时间短、具体很好的动态响应特性和稳定特性。

参考文献

[1] 李国兵.刮膜分子蒸馏过程研究[D].天津大学，2002.

[2] 张俊青.三相异步电动机的模糊PID控制研究[J].科技资讯，2009（16）：61.

[3] 诸静.模糊控制原理及应用[M].机械工业出版社，2001.