一种反应釜负压精馏模糊控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种反应釜负压精馏模糊控制方法，其技术方案要点是包括反应釜、精馏塔、水箱，通过控制器控制的抽负压装置、第一控制阀和第二控制阀；通过模糊?PID控制器根据反应釜中的压力偏差和压力偏差变化率实时动态调节抽负压装置的转速，提高反应釜负压精馏的快速性、精确性和稳定性；且在反应釜中的实际压力值超调后，通过压力补偿调节，使得实际压力值更快稳定在期望压力值误差范围内。
【专利说明】
一种反应釜负压精馏模糊控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及化工生产领域，特别涉及一种反应釜负压精馏模糊控制方法。
【背景技术】
[0002] 在如今化工行业特定的化学反应场合，负压精馏在化工产业中占有非常重要的地 位，其控制的精确度将直接影响产品的品质。负压精馏技术是近年来国内外研究的一个热 点课题，对反应釜的压力控制是决定精馏产物纯度的重要因素之一。传统的负压抽取技术 有很多种，多数是使用负压真空栗进行负压抽取，这种方法虽然价格低廉、使用方法简单， 但对于精度的要求十分低，在现代精细化工的工业背景下很难满足工艺的要求。
[0003] 从而部分企业通过循环水高速下冲带动抽离空气实现负压抽取，来控制化学反应 釜中的反应过程。其原理如下，水栗在电机的带动下将水罐中的水以高速度抽离，通过管道 将水送回水罐，形成循环水系统，高速流动的水流会因压力变小带走反应釜中的空气，使气 压减小，循环水流速越快，气压减小越快，从而可以通过控制循环水的流速达到控制反应釜 中气压的目的。很多工厂采用抽负压的方法还停留在凭借操作员手动缓慢调节机械阀在一 定的时间内完成反应釜负压抽取的水平，采用这种技术操作过程不仅繁琐复杂，对操作员 操作的熟练程度要求十分高，且精确度太低。随着控制理论的发展和自动化水平的提高，工 业控制思想被引入到循环水抽负压控制当中。
[0004] 其中，反应釜釜顶的压力是一个典型的带有大滞后特性的非线性变量，因此要对 其进行数学建模是十分困难的，而控制理论中因 PID控制不需要具体模型就能实现控制目 的而得到广泛应用。自上世纪90年代以来，很多公司针对化工产业的负压精馏工艺开发了 自己的控制系统，其原理是通过采集负压信号，对电机中的变频器进行PID控制。但是，这种 控制方法滞后性十分严重，运算速度也十分慢。为解决这一缺陷，往往会适当减小PID控制 中的积分参数，同时增加 PID控制中的微分系数，但这样就牺牲了系统的稳定性。因此，设计 合理的控制策略，提出合理控制算法便成为负压精馏工艺中一个亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种反应釜负压精馏模糊控制 方法，改进了传统负压抽取的方法，以提高反应釜抽负压过程的精确性、稳定性及快速性。
[0006] 本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的： 一种反应釜负压精馏模糊控制方法，其特征是，包括如下步骤： 步骤1:根据采样周期检测精馏塔中的实际压力值，将实际压力值与期望压力值进行比 较，并计算出二者的压力偏差e及压力偏差变化率ec作为输入； 步骤2:根据输入压力偏差e和压力偏差变化率ec和输出变量Kp、Ki、Kd进行模糊推理， 具体为： 步骤2-1:首先设置压力偏差e的基本论域、压力偏差变化率ec的基本论域、输出变量 Kp、Ki、Kd的基本论域； 其次设置压力偏差e、压力偏差变化率ec的量化等级和输出变量Kp、Ki、Kd的量化等级； 步骤2-2:根据压力偏差e的基本论域和量化等级以及压力偏差变化率ec的基本论域和量化 等级以分别得到压力偏差e的量化因子K(3和压力偏差变化率ec的量化因子Km;根据输出变 量Kp、K i、Kd的基本论域和量化等级以分别得到输出变量Κρ的量化因子Κ3、输出变量K i的量 化因子K4、输出变量Kd的量化因子K5; 步骤2-3:设置压力偏差e对应的模糊子集、压力偏差变化率ec对应的模糊子集、输出变 量Kp、Ki、Kd分别对应的模糊子集，表达式均为： {NB，NS，ZE，PS，PB} 式中，NB代表负大，NS代表负小，ZE代表适中，PS代表正小，1?代表正大； 步骤2-4:建立压力偏差e、压力偏差变化率ec、输出变量Kp、Ki、Kd的隶属度函数表，来 反映压力偏差e、压力偏差变化率ec、输出变量Kp、Ki、Kd的量化等级到模糊子集中的映射； 步骤2-5:根据压力偏差e和压力偏差变化率ec的模糊子集建立对输出变量Kp、Ki、Kd模 糊子集的模糊控制规则表； 步骤3:将首次采样周期内检测到的压力偏差e及压力偏差变化率ec根据步骤2-2以分 别获得压力偏差e及压力偏差ec的量化等级，再根据步骤2-4得到压力偏差e及压力偏差ec 的丰吴糊子集； 通过步骤2-5中模糊控制规则表以分别获得输出变量Kp、Ki、Kd的模糊控制规则； 通过重心法分别对输出变量Kp、Ki、Kd的模糊子集进行反模糊，分别得到输出变量Kp、 Ki、Kd的量化等级，从而根据步骤2-2中的量化因子Κ3、量化因子Κ4、量化因子1(5，将Kp、Ki、Kd 的量化等级转换为基本论域中的行值，分别记做KPo、KiQ、Kd〇; 步骤4:将下一次采样周期内检测到的压力偏差e及压力偏差变化率ec根据步骤3分别 得到三个输出变化量ΛΚρ、AKi、AKd; 步骤5:将三个输出变量Kp、Ki、Kd根据三个输出变化量AKp、AKi、AKd进行在线调整，公 式如下；
式中，KpQ为首次采样周期中的比例因数、KlQ为首次采样周期中的积分因数、Kd〇为首次 采样周期中的微分因数； ΛΚρ为下一次采样周期中的比例因数、AKi为下一次采样周期中的积分因数、AKd为下一 次采样周期中的微分因数； Kp、Ki、Kd为三个输出变量，分别为比例因数、积分因数、微分因数； 步骤6:将步骤5中得到的Kp、Ki、Kd经计算得到控制信号以传输给变频器，经变频器后 输出变频信号至抽负压装置，进而实现对抽负压装置的转速控制。
[0007] 优选的，在步骤6中还包括，在实际压力值超出期望压力值时，通过改变循环水管 道的流速来对反应釜进行压力补偿调节。
[0008] 综上所述，本发明对比于现有技术的有益效果为:通过模糊控制器和PID控制器的 结合来根据反应釜中的压力偏差和压力偏差变化率实时动态调节抽负压装置的转速，提高 反应釜负压精馏的快速性、精确性和稳定性;且在反应釜中的实际压力值超调后，通过压力 补偿调节，使得实际压力值更快稳定在期望压力值误差范围内。
【附图说明】
[0009] 图1为反应釜负压精馏系统的系统框图； 图2为模糊-PID控制器的系统框图； 图3为实施例中的隶属度函数图； 图4为Kp、Ki、Kd输出响应曲线； 图5为重心法推理过程示意图； 图6为压力补偿调节流程图。
[0010] 附图标记：1、抽负压装置;2、水箱;3、第一控制阀；4、压力传感器;5、防倒流装置； 6、第二控制阀；7、反应釜;8、精馏塔;9、控制器;10、管道;11、管路。
【具体实施方式】
[0011]以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0012] 如图1所示，反应釜负压精馏的连接方式包括抽负压装置1和水箱2以及用于容纳 反应物料以对反应物料进行加热蒸发的反应釜7,其中抽负压装置1与水箱2之间通过管道 10进行连接，反应釜7通过管路11连通于抽负压装置1与水箱2之间的管道10;抽负压装置1 为可在电机带动下运行的水栗，水栗在电机的带动下将水箱2中的水以高速度抽离，通过管 道10将水送回水罐，从而形成循环水管道，高速流动的水流会因压力变小通过管路11带走 反应釜7中的空气，使气压减小，循环水管道中的流速越快，气压减小越快。其中，在反应釜7 上设置有与其相互连通的精馏塔8,精馏塔8用于对反应物料中蒸发出的气相进行逆流接触 冷凝以实现反应物料的精馏，精馏塔8的塔顶通过管道10与精馏塔8中的水循环管道相连， 在管道10与水循环管道的连接处设置有防止反应物料的精馏液二次回流的防倒流装置5。
[0013] 抽负压装置1上流向水箱2的管道10出口处设置有第一控制阀3,在反应釜7连通于 抽负压装置1与水箱2的管路11上设置有第二控制阀6,第一控制阀3和第二控制阀6均为常 闭型电磁阀门。在精馏塔8中还设置有压力传感器5,压力传感器5用来实时检测精馏塔8中 的压力值，压力传感器5、第一控制阀3、第二控制阀6和抽负压装置1均连接有控制器9。
[0014] 控制器9包括模糊-PID控制器和控制终端，控制终端包括移动式控制终端和固定 式控制终端，移动式控制终端包括手机、笔记本电脑等；固定式控制终端包括台式电脑等， 本实施例优选控制终端为固定式控制终端;模糊-PID控制器包括模糊控制器和PID控制器， 其中，模糊-PID控制器连接着抽负压装置1用于控制抽负压装置1的转速，控制终端连接于 第一控制阀3和第二控制阀6用于控制第一控制阀3和第二控制阀6的开度。
[0015] 本系统通过压力传感器4实时检测反应釜7中的实际压力值，将检测到的实际压力 值传送到模糊-PID控制器中，模糊-PID控制器通过对实际压力值与期望压力值进行分析， 输出控制信号至抽负压装置1，从而控制变频器来改变其输出频率，通过变频器控制抽负压 装置1中电机的运转速率来改变循环水的流速，从而达到控制反应釜7中压力的目的，使得 反应釜7中的压力更快达到需要的期望压力值;控制器9内设置有稳定在期望压力值附近的 第一误差数值和第二误差数值，在控制器9监测到反应釜7中的压力将要达到期望压力值 时，控制终端将控制第一控制阀3的开度，来改变管道10的出水量以及流速，以对反应釜7中 的压力进行微调，使得反应釜7中的压力稳定在期望压力值的第一误差数值范围内，从而以 更快达到期望压力值，使得系统稳定性更好;在反应釜7中的实际压力稳定在第一误差数值 内时，控制终端将控制第二控制阀6关闭以完成反应釜7中期望压力值的调节过程，使得反 应釜7中的实际压力值稳定在期望压力值的第二误差数值范围内，从而保证反应釜7中的反 应物料在期望压力值下进行精馏，以得到高纯度的反应产物。
[0016] 本系统中的模糊-PID控制器包括模糊控制器和PID控制器两个部分，模糊控制器 中的模糊推理是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控 制技术。相对于传统控制，模糊控制能避开对象的数学模型，它直接采用语言型控制规则， 在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理 解，设计简单，便于应用;并且从工业过程的定性认识触发，比较容易建立语言控制规则，因 而模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适 用;基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差 异，但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容 易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器;模糊控制算法是基于启发性的知识及语 言决策规则设计的，从而有利于模拟工人控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使 之具有一定的智能水平;并且模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影 响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。
[0017] 以反应釜7上精馏塔8的压力参数为研究对象，将技术较为成熟的PID控制器和模 糊控制理论相结合，设计一套反应釜7中压力参数自动测控系统，实现反应釜7中的压力参 数实时检测、监视及稳定的控制，提高反应釜7中负压抽取的精确性。其中反应物料在精确 负压状态控制下，具有以下效果:一、负压精馏可降低混合物的沸点，从而降低分离的温度， 因此可减少用于加热的蒸汽消耗和使用较低压力的加热蒸汽从而节省动力的消耗，达到节 能的效果;二、提高了反应物料的分离能力，在负压状态下，被分离混合物之间的相对挥发 度越大，越容易分离。三、对于有毒物质的分离，采用负压精馏可防止剧毒物料的泄漏，从而 减小对环境的污染，在保护人体健康方面具有一定的意义。
[0018] 通过模糊与PID相结合的控制技术设计出模糊-PID控制器，对被控量变化及变化 趋势有一定的"预见性"，有效解决常规手段下压力参数调节非线性、大滞后的问题。由于常 规PID控制器具有算法简单、可靠性高等优点，对于确定性的被控对象通过对三个参数的调 整就可以获得比较满意的控制效果。但是对于时变的、有滞后的、非线性的系统来说，PID控 制就难以达到很好的效果。模糊控制具有不依赖被控对象的数学模型的突出优点，但是稳 态的精度较差。所以将模糊控制算法与PID控制算法结合起来，构成模糊-PID控制器。模糊-PID控制器同时具有模糊控制和PID控制的优点，无需考虑系统精确模型，克服了传统PID控 制器因系统滞后性以及控制参数的非线性造成的参数调整难的问题，解决了实际生活过程 中因负载改变、干扰增加造成的被控对象的结构特性改变的问题，从而实现了控制器参数 的动态调整。
[0019] 基于控制对象，结合实际情况，我们研究提出了采用模糊-PID控制来实现反应釜7 的负压精馏。模糊-PID控制器采用二维模糊控制器，二维模糊控制器超调量小、调整时间 短、对系统参数变化和外界干扰有较强的鲁棒性，能够严格的反映出受控系统中输出变量 的动态特性，是采用比较广泛的模糊控制器，其结构如图2所示，压力传感器4根据实际压力 值，系统根据期望压力值和实际压力值计算出压力偏差e、及压力偏差经过微分得到压力偏 差变化率ec作为输入的量值，经过模糊推理出新的Kp、Ki、Kd输出至PID控制器，PID控制器 再根据压力偏差e、压力偏差变化率ec及新的Kp、Ki、Kd计算出最终控制信号输出值u，输出 值u经过V/F变换来控制变频器的电流，来改变水栗电机的转速从而改变反应釜7中的压力， 并且压力传感器4实时监控精馏塔8中的实际压力值，以不断改变变频器的电流，达到动态 控制反应釜7中压力的目的。其中，如图2中所示的压力变送器，一般意义上的压力变送器主 要由压力传感器4、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的气 体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如4~20mADC等），以供给指示报警仪、记录 仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节，上述中的压力传感器4设置在精馏塔8中 以对精馏塔8中的压力值进行检测反馈。
[0020] 变频器的V/F控制是变频器的一种控制方式，就是在基准频率以下，变频器输出的 电压和输出频率呈正比关系，从而输出恒转矩的一种控制方式，为变频器最基本的控制方 式。
[0021] 通过压力传感器4测得反应釜7中的实际压力值为T，期望压力值为T。，则压力偏差 为6(1:)=1'-1'。，1：-八1：时刻相对于1:时刻的压力偏差变化率为6〇(1:) = 6(1:)-6(1：-&1：)。
[0022] 其中，由PID参数特征可知，Kp为比例调节系数，用来加快系统的响应速度，以提高 系统的调节精度，其中Κρ增大，振荡周期减小，超调变大，调节速度增大;Ki为积分调节系 数，用来消除残差，其中Ki增大，超调变大，稳定性下降;Kd为微分调节系数，用来改善系统 的动态性能，其中Kd增大，抑制偏差变化，稳定性提高。
[0023]模糊推理中输入输出量的模糊化 负压精馏控制系统中，起主要作用的是反应釜7中的压力值，而对压力值的控制是通过 电机转速决定的，而电机转速是通过模糊-PID控制器的输出值Kp、Ki、Kd决定的，从而通过e 和ec调整模糊-PID控制器输入量的参数，通过模糊推理运算后，得到输出量来调整电机转 速。但要实现对系统的精确控制，则必须把它们转换为模糊变量。
[0024]输入量:e-压力偏差、ec-压力偏差变化率； 输出量:Kp-比例调节系数、Ki-积分调节系数、Kd-微分调节系数。
[0025]模糊子集的确定 在本系统中设定压力偏差e、压力偏差变化率ec经模糊化处理后的模糊语言变量分别 用E、EC表示，比例调节系数Kp、积分调节系数Ki、微分调节系数Kd的模糊语言变量分别用 KP、KI、KD表示。以压力偏差e为例，在工业生产中，设正常的压力偏差为O.IMpa，当实时检测 出的压力偏差e低于该值时，偏差为"负"；当实时检测出的压力偏差e高于该值时，偏差为 "正"；并且同时引入"大"、"中"、"小"等比较语言表示偏离设定值的程度。根据长期工业生 产现场积累的吉言，现将E、EC、KP、KI、KD的模糊语言变量为5级，分别为{NB，NS，ZE，PS，I?}， 及负大、负小、适中、正小、正大。即输入输出变量的模糊子集为{NB，NS，ZE，PS，PB}，语言变 量的分档数m为5。
[0026]量化因子及量化论域的确定 假设压力偏差的基本论域为[-eX，ex]，压力偏差变化率的基本论域为[-xecaec]，将 压力偏差所取的模糊子集转换为整数论域为{-n，-n+l，. . .-1，0，1，. . .n-l，n}，压力偏差变 化率所取的模糊子集转换为整数论域为{-m，-m+l，. . .-1，〇，1，. . .m-1，m}，控制量的基本 论域为[_yu，yu]，从而控制量所取的模糊子集转换为整数论域为{-u，-u+l，. . .-1，0， 1，…u_l，u} 〇
[0027]根据负压精馏的实际工程情况，工程设计人员通过压力传感器4采集数据的范围 得到对应的压力偏差e的基本论域[-0.2,0.2]Mpa，压力偏差变化率ec的基本论域[-0.3， 0.3]，输出邱的基本论域[-6,6]，灯的基本论域[-0.2,0.6]，1((1的基本论域[-0.1，0.3]，从 而为满足最优控制的要求，通过比例量化方法设定量化论域，即在整数论域元素个数2n+l 与模糊子集元素个数存在2n+l=km关系时，模糊子集对系统的模糊论域以及物理论域表述 最为合理，其中，k值要求在1-2之间，m为5,从而求得n = 3时满足最优控制的要求，从而得到 本系统的量化论域为{-3，_2，-1，0，1，2，3 }，上述量化等级为7个等级。
[0028]在模糊控制中，基本论域中的量为精确量，为了进行模糊化处理，必须将输入变量 从基本论域转换到相应的模糊子集论域中，从而就要引入量化因子K的概念。例如有物理 量，其论域为Χ= [-χ，χ]，把此基本论域转化为整数论域为{-χ，-χ+1，..二1，〇, 1，.. .χ-1， χ}。为了保证量化过程的精确性、快速性，本文采用线性量化过程，量化模型为正比例函数 模型:Κ=η/χ，其中η为量化论域宽度，X为基本论域的宽度，Κ为量化因子。
[0029] 经过计算出量化因子，就可以将任意时刻的精确值X转化为量化论域中对应的值 a，即 a = K*x 如果a是一个整数，那么它就是量化论域中的一个元素。如果不是一个整数，则需要进 行四舍五入处理，将其变成量化论域中的一个元素。
[0030] 从而根据上述计算公式，可以分别得到： Ke =量化论域的宽度/基本论域的宽度=6/0.4 = 15，Ke为压力偏差e的量化因子值； Kec =量化论域的宽度/基本论域的宽度=6/0.6 = 10，1^(3为压力偏差变化率6(3的量化 因子值。
[0031] 而输出的量化因子则应该与输入相反，因为输出是通过计算量化论域的实际值是 一项逆运算，从而， K3 =基本论域的宽度/量化论域的宽度=12/6 = 2，K3为比例调节Kp的量化因子值； Κ4 =基本论域的宽度/量化论域的宽度=0.8/6 = 0.133，Κ4为积分调节系数Ki的量化 因子值； K5 =基本论域的宽度/量化论域的宽度=0.4/6 = 0.067，以为微分调节系数Kd的量化 因子值。
[0032]隶属度函数的确定 通过上述分析，确定了本系统的量化论域和模糊子集，还有两个输入量、三个输出量的 量化因子值。但是，要实现系统的模糊化运算分析，以上的几个变换是不够的，还要确定两 个输入量和三个输出量的隶属度函数，即将两个输入量的实际值通过量化因子值转换到量 化论域当中，从而通过隶属度函数映射到模糊子集当中。若对论域U中的任一元素 X，都有一 个数A(x)为0，1与之对应，则称A为U上的模糊集，A(x)称为X对A的隶属度。当X在U中变动时， A(x)就是一个函数，称为A的隶属函数。隶属度A(x)越接近1，表示X属于A的程度越高，A(x) 越接近于0表示X属于A的程度越低。用取值于区间0，1的隶属函数A(x)表征X属于A的程度高 低。常用的隶属度函数有高斯型、三角形或者梯形。三角形的隶属度函数数学表达式简单、 灵敏性高，因此采用三角形隶属度函数：
计算各个控制量的隶属度。其中a，b，c e [-3，3 ]，取值为PB、PS、ZE、NS、NB论域实际取值 的最小值、中间值和最大值。其中，e、ec、Kp、Ki、Kd的隶属度函数如图3所示。
[0033]通过计算得到，E、EC的隶属度赋值表，如表所示。
[0034] E、EC的隶属度赋值表
通过计算得到，KP、KI、KD的隶属度赋值表，如表所示。
[0035] KP、KI、KD的隶属度赋值表
建立模糊控制规则表 建立模糊控制规则的过程，就是利用语言归纳手动控制策略的过程。在模糊控制中，控 制策略的选择是非常关键的。模糊算法结构体现着模糊控制规则的模糊关系，它相当于一 般控制器的传递函数，但是这种算法结构不是在被控对象数学模型基础上综合出来的，而 是根据控制系统的输入-输出关系的数学观测，并采用模糊集合理论处理而得到的。针对反 应釜7负压精馏模糊控制方法中，两个输入，三个输出的复杂情况，必须采用能够合理的表 达这几个变量之间关系的推理模型。
[0036]模糊控制规则可以通过总结、归纳专家的经验知识，并进一步加工、整理、提炼，取 其精华，去其糟柏后产生的模糊控制规则;如果对象的动态特性可以用语言来描述，那么也 就可以通过这个动态过程的描述来推断相应的控制规则，这就是常用的根据对象的模糊模 型来得出模糊控制规则的方法;本方法采用专家的经验和大量实验观察来设计模糊控制器 规则，并通过大量的实验来进行确定每个变量输出控制水栗电机效果的强弱，以确定对反 应釜7中压力调节的精确性、稳定性。如图4所示的Kp、Ki、Kd输出响应曲线，设计规则必须保 证系统的输出相应达到最佳的稳定性、精确性及快速性，图中T-T。为压力偏差，斜率为压力 偏差变化率，即当反应釜7中的压力偏差e负大(NB)，处于曲线的第一阶段，此时不管压力偏 差变化率 ec为何值，比例调节系数Kp应取正大(PB)，从而使的反应釜7中的压力值以最大程 度增大;而积分调节系数Ki最小，来提高控制水栗电机运行的稳定性;并且微分调节系数Kd 最小，来抑制压力值偏差变化。从而同样的方法，可以得到其他取值。根据模糊控制规则可 知，if EC is NB，E is NB， then KP = PB，KI is NB，KD is NB; if EC is NB，E is NS， then KP = PB，KI is NS，KD is NS; 从而依次可以得到所有模糊控制规则的关系。
[0037] KP的模糊规则表如下： KP的模糊规则表
KI的模糊规则表如下： KI的模糊规则表
KD的模糊规则表如下： KD的模糊规则表
经过上述输出量的模糊规则控制，我们可以根据压力偏差e以及压力偏差变化率在反 应釜7中的实际值，两个输入量通过量化转换因子得到量化论域中的值E和EC，E和EC再通过 隶属度函数将量化论域中的值映射到模糊子集当中，从而得到相应的E和EC的模糊子集。通 过查看相应的KP、KI、KD的模糊规则表得到相应三个输出量KP、KI、KD两个输出量的模糊子 集。
[0038]反模糊化 反模糊化也可以称之为解模糊，与模糊化相反，解模糊就是将经模糊推理的模糊控制 规则中的模糊集合转换到量化论域中，从而再根据量化因子，得到能够对被控量进行直接 控制的实际物理量。进行反模糊化常用的算法有： 1、重心法解模糊，重心法是通过求模糊集合隶属度函数曲线与横坐标所围成的面积的 中心作为控制器输出的精确值； 2、 加权平均法，加权平均法是用输出量各元素进行加权平均后的输出值作为输出的精 确执行量； 3、 面积等分发，面积等分法也称为中位数法，就是把输出的模糊集合所对应的隶属度 函数曲线与横坐标所围成的面积分成相等的两部分，将这两部分分界点所对应的元素作为 输出的精确值的方法。
[0039] 本课题采用重心法解模糊来对输出变量进行精确化计算，参见图5所示重心法所 示的模糊推理过程。
[0040] 假设压力偏差e和压力偏差变化率ec经量化后对应的量化等级分别为1级和-3级， 通过查看e和ec隶属度赋值表得到e :μΖΕ( 1) =0.5、yPS( 1) = 1 ;EC:yNB(-3) = 1。
[00411根据模糊规则表查看得到Kp、Ki、Kd对应的规则： e = ZE且ec = NB则KP = PB、KI=NS、KD = PS; 根据KP、KI、KD的隶属度赋值表： KP、KI、KD的隶属度赋值表
计算得到：
同理，根据压力偏差e和压力偏差变化率ec在不同时刻发生的变化，可以得到KP、KI、KD 的量化等级输出表： KP的量化等级输出表
ΚΙ的量化等级输出表
KD的量化等级输出表
通过上述反模糊运算得到KP、KI、KD的量化等级值，从而根据Kp、Ki、Kd的量化因子，将 KP、KI、KD的量化等级值转换为输出的基本论域行值，记做~?、~1、~(1，并根据以下方法获 得PID的新参数值：
其中，ΛΚρ = Κρ*Κ3，ΛΚ i = K i *K4，AKd = Kd*K5。
[0042]最终的模糊-PID控制器输出为：
其中，T为采样周期，且必须满足采样定理； u (k)-第k次采样时刻的计算机输出值，k = 0，l，2......； e (k)_第k次采样时刻输入的偏差值，k = 0，l，2......;
从工业实际的需要，模糊-PID控制器的输出值u在[4，20 ]mA之间浮动，当压力偏差e为 0 · IMpa时，压力偏差变化率ec为0 · 2时，根据压力偏差e和压力偏差变化率ec的量化因子，通 过公式计算得到E = 15*0.1 = 1.5,经过四舍五入得到E = 2,压力偏差e的量化等级为2;EC = 10*0.2 = 2，压力偏差变化率ec的量化等级为2，通过KP、KI、KD的量化等级输出表查询得知， Kp的量化等级为_3，Ki的量化等级为-3，Kd的量化等级为-3，从而根据Kp、Ki、Kd的量化因子 得到实际值： Kp = -3*2 = -6，Ki = -3*0.13 = -0.39，Kd = -3*0.067 = -0.201。
[0043] 从而Kp的值为-6，Ki的值为-0.39，Kd的值为-0.201，根据模糊-PID控制器输出公 式计算得到输出值，从而根据变频器的V/F值换算得到一个水栗电机电流的精确值。
[0044]从而当压力传感器4检测到实际压力值发生变化时，压力偏差e和压力偏差变化率 ec也相应发生变化，从而经过上述模糊推理得到6邱值，AKi的值和&1((1的值，根据原先邱=-6，Ki = -0.39，Kd = -0.201作为初值，每个初值对应加上AKpjKi、AKd而得到新的Kp、Ki、Kd 的值作为模糊推理的输出，从而模糊-PID控制器将输出相应变化的电流至水栗电机上的变 频器，调节相应调节水栗电机的转速，使得反应釜7中的压力值得以改变，使得反应釜7中的 压力值变化更加精确，反应更加快速，整个反应釜7系统的稳定性更高。
[0045]压力补偿调节 控制器9实时检测来自精馏塔8中实际压力值的反馈，而在一个动态系统中，超调量是 动态性能指标中的一个，是线性控制系统在阶跃信号输入下的响应过程曲线也就是阶跃响 应曲线分析动态性能的一个指标值。从而在模糊-PID控制器控制水栗电机转速的过程中， 在反应釜7中的实际压力值达到期望压力值时，将还会继续下降一定程度，出现超调现象， 从而当模糊-PID控制器控制超调后，压力传感器4继续将检测到的实际压力值传送给控制 器9,从而控制器9中的控制终端将判断接收到实际压力值是否在期望压力值的第一误差数 值或第二误差数值范围内，以控制第一控制阀3和第二控制阀6的开度来进行后期压力补偿 调节。
[0046]如果实际压力值出现在期望压力值的第一误差数值范围内，即Po在[0 · 8Po，1 · 2Po] 的区间内，控制终端将认为反应釜7中的压力将趋于稳定，从而为了使反应釜7中的压力尽 快达到期望压力值，以提高压力的调节速度，从而控制终端将启动第一控制阀3进行压力补 偿控制，以改变第一控制阀3的开度大小来改变管道10的流速以改变反应釜7中的压力调节 速度。
[0047] 参见图6所知，模糊-PID控制器超调后控制终端将判断实际压力是否出现在 [0.8Ρο，1.2Ρο]的区间内时，若是，控制终端将进入下一步判断;反之，若不是，控制终端将控 制第一控制阀3的开度开到最大，以最快速度调节反应釜7中的压力值以达到设定值； 下一步判断中，控制终端将判断实际压力值是否处于期望压力值的第一误差数值范围 内，即P〇是否在[0.8Pq，Pq]的区间内，若是，控制终端将控制第一控制阀3以原先U2=[(-2.5P/P0)+3倍]的开度进行反应釜7中压力的补偿调节;反之，若不是，控制终端将进一步判 断； 进一步判断中，控制终端将判断实际压力值是否处于[P0，1.2P0]的区间内，若是，控制 终端将控制第一控制阀3以原先U2=[(-1.5P/P0)+2]倍的开度进行反应釜7中压力补偿调 节;反之，若不是，控制终端将输出控制信号控制第一控制阀3的开度开到最大，以最快速度 调节反应釜7中的压力值以达到期望压力值。
[0048] 从而根据上述判断，控制终端将控制第一控制阀3的开度进行反应釜7中的压力补 偿调节，直到压力传感器4检测到反应釜7中的实际压力值处于期望压力值的第二误差范围 内，即Ρο在[0.95P0，1.05P0]的区间内，控制终端将关闭第一控制3查看整个系统的稳定性， 从而当实际压力值稳定在[0. 95P0，1.05P0 ]这个区间内的时间达到设定时间值以上，控制终 端将控制第二控制阀6的开度为零，即处于关闭状态，使反应釜7保持密封，以对反应物料进 行负压精馏;反之，若压力传感器4检测到反应釜7中的实际压力值不在[0·95Ρ0，1·05Ρ()]的 区间内，控制终端将重新回到第一步判断步骤进行重复判断，直到实际压力值稳定在 [0.95P0，1.05P0 ]的区间内设定时间值以上才关闭第二控制阀6;其中，设定时间值的范围在 10~15秒之间，本实施例优选设定时间值为10秒。
[0049]其中综合图2和图6所知，Po为期望压力值，P为实际压力值，上述中，U2代表第一控 制阀3的开度，U3代表第二控制阀6的开度，U2 = 0表示第一控制阀3的开度为最大，U3 = l表 示第二控制阀6的开度为最小，即处于关闭状态。
[0050] 具体来看，经过后期的压力补偿调节反应釜7中的实际压力值在[0 · 95Po，1 · 05Po] 之间将视为稳定，经过模糊-PID控制器根据反应釜7中的实际压力值以不断动态调节来使 反应釜7中的压力达到最优状态，精确的负压抽取调节控制，从而简化了监控、控制环节，降 低了生产费用，提高了反应釜7的生产效率，从而有效提高了经济效益。
[0051] 以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发 明的保护范围由所附的权利要求确定。
【主权项】
1. 一种反应蓋负压精馈模糊控制方法，其特征是，包括如下步骤： 步骤1:根据采样周期检测精馈塔(8)中的实际压力值，将实际压力值与期望压力值进 行比较，并计算出二者的压力偏差e及压力偏差变化率ec作为输入； 步骤2:根据输入压力偏差e和压力偏差变化率ec和输出变量Κρ、Ki、Kd进行模糊推理， 具体为： 步骤2-1:首先设置压力偏差e的基本论域、压力偏差变化率ec的基本论域、输出变量 Kp、Ki、Kd的基本论域； 其次设置压力偏差e、压力偏差变化率ec的量化等级和输出变量Kp、Ki、Kd的量化等级； 步骤2-2:根据压力偏差e的基本论域和量化等级W及压力偏差变化率ec的基本论域和 量化等级W分别得到压力偏差e的量化因子Ke和压力偏差变化率ec的量化因子Kec;根据输 出变量Kp、Ki、Kd的基本论域和量化等级W分别得到输出变量Κρ的量化因子K3、输出变量Ki 的量化因子K4、输出变量Kd的量化因子拉； 步骤2-3:设置压力偏差e对应的模糊子集、压力偏差变化率ec对应的模糊子集、输出变 量Kp、Ki、Kd分别对应的模糊子集，表达式均为： {NB，NS，ZE，PS，PB} 式中，NB代表负大，NS代表负小，ZE代表适中，PS代表正小，PB代表正大； 步骤2-4:建立压力偏差e、压力偏差变化率ec、输出变量Kp、Ki、Kd的隶属度函数表，来 反映压力偏差e、压力偏差变化率ec、输出变量Kp、Ki、Kd的量化等级到模糊子集中的映射； 步骤2-5:根据压力偏差e和压力偏差变化率ec的模糊子集建立对输出变量Kp、Ki、Kd模 糊子集的模糊控制规则表； 步骤3:将首次采样周期内检测到的压力偏差e及压力偏差变化率ec根据步骤2-2W分 别获得压力偏差e及压力偏差ec的量化等级，再根据步骤2-4得到压力偏差e及压力偏差ec 的模糊子集； 通过步骤2-5中模糊控制规则表W分别获得输出变量Kp、Ki、Kd的模糊控制规则； 通过重屯、法分别对输出变量Kp、Ki、Kd的模糊子集进行反模糊，分别得到输出变量Κρ、 1(;[、1((1的量化等级，从而根据步骤2-2中的量化因子拉、量化因子1(4、量化因子1(5，将邱、1(;[、1((1 的量化等级转换为基本论域中的行值，分别记做KpO、KiO、KdO; 步骤4:将下一次采样周期内检测到的压力偏差e及压力偏差变化率ec根据步骤3分别 得到Ξ个输出变化量A Κρ、A Ki、A Kd; 步骤5:将Ξ个输出变量Kp、Ki、Kd根据Ξ个输出变化量Δ Kp、Δ Ki、Δ Kd进行在线调整， 公式如下：式中，ΚρΟ为首次采样周期中的比例因数、KiO为首次采样周期中的积分因数、KdO为首次 采样周期中的微分因数； AKp为下一次采样周期中的比例因数、AKi为下一次采样周期中的积分因数、AKd为 下一次采样周期中的微分因数； Κρ、Ki、Kd为Ξ个输出变量，分别为比例因数、积分因数、微分因数； 步骤6:将步骤5中得到的Kp、Ki、Kd经计算得到控制信号W传输给变频器，经变频器后 输出变频信号至抽负压装置(1 )，进而实现对抽负压装置(1)的转速控制。2.根据权利要求1所述的反应蓋负压精馈模糊控制方法，其特征是，在步骤6中还包括， 在实际压力值超出期望压力值时，通过改变循环水管道的流速来对反应蓋(7)进行压力补 偿调节。
【文档编号】G05D16/20GK105974953SQ201610525615
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】张立华, 王化建, 曹新华, 卢立晖, 李坤
【申请人】曲阜师范大学