模糊控制在氯化钾氨生产中的应用

仪器仪表用户　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—１０４１．２０１０．０５．０１９　

模糊控制在氯化钾氨生产中的应用　寇宏波，白瑞祥　（天津科技大学电子信息与自动化学院，天津３００２２２）　摘要：氯化钾氨生产过程中的钾浓度控制系统属于一个带有很强的惯　性与时滞的非线性系统，传统ＰＩＤ控制难以达到满意的控制效果。针　对该种情况。本文采用参数模糊自整定ＰＩＥＤ控制方法对氯化钾氨生产　中钾浓度进行调节，并设计基于模糊ＰＩＤ控制器的控制系统，在线自　动调整ＰＩＤ控制器参数。通过仿真实验分析及在工程实际应用中表　明，采用参数模糊自整定ＰＩＤ控制器后，具有更好的控制效果。　

关键词：氯化钾氨；钾浓度；参数模糊自整定・ＰＩＤ控制　中图分类号：ＴＰ２７３．４　文献标志码：Ｂ　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｔａｓｓｉｕｍ　ａｍｍｏｎｉｕｍ　ｃｈｌｏｒｉｄｅ　ＫｏＵ　Ｈｏｎｇ－ｂｏ。ＢＡＩ　Ｒｌｌｉ・嫡ａｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ。￣ａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｃｌｅｎ￣ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０（Ｐ＿２２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａ￣ｏｎ　ｏｆ　ｐｏｔａｓｓｉｕｍ　ｃｏｎｔｒｏｉ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｕｄｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｐｏｔａｓｓｉｕｍ　ａｍｍｏｎｉｕｍ　ｃｈｌｏｒｉｄｅ　ｂｅｌｏｎｇｓ　ｔｏ　ａ　ｓｔｒｏｎｇ　ｉｎｅｒｔｉａ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ　ｌａｇ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｓｙｓｔｅｍ。ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ。ｉｔ　ｉＳ　ｄｉｆｉｃｕｌｔ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ　ｃｏｎｔｒｏＩ　ｅｆｆｅｃｔ　ｖｉａ　ｔｈｅ　ｃｌａｓｓｉｃａＩ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏ１．　

Ａｉｍｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ。ａ　ｆｕｚｚｙ　ｓｅｌｆ—ｔｕｎｉｎｇ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｊＳ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ。　ｗｈｉｃｈ　ａｄｊｕｓｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｔａｓｓｉｕｍ　ａｍｏｎｇ　ｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｐｏｔａｓｓｉｕｍ　ａｍｍｏｎｉｕｍ　ｃｈｌｏｄｄｅ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｅａｎｗｈｉｌｅ．ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｆｕｚｚｙ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｄｉｕｓｉｎｇ　ＰＩＤ　ｐａｒａｍｅ－　ｔｅｒｓ　ｏｎ　ｌｉｎｅ　ｉＳ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐ．　ｐｌｉｅａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｕｚｚｙ　ｓｅｌｆ—ｔｕｎｉｎｇ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｈａｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｃｏｎｔｒｏＩ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｔａｓｓｉｕｍ　ａｍｍｏｎｉｕｍ　ｃｈｌｏｒｉｄｅ；ｐｏｔａｓｓｉｕｍ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａ—　ｔｉｏｎ；ｓｅｌｆ—ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　

０　引言　海水提取氯化钾氨中钾浓度控制系统是一个具有大惯　性，纯滞后，分布参数非线性的系统。常规的ＰＩＤ控制尽管结　构简单，使用方便，稳态精度高和算法简单等优点。然而，常规　Ｐ［Ｄ线性控制器只在工作点附近具有良好的控制线性，偏离工　作点较远时，由于控制对象的非线性特性，难以保持设计的动　态品质。常规ＰＩＤ控制器参数的确定必须依据被控对象准确　的数学模型并且参数Ｋ。、Ｋ　、Ｋ　不能实现自动调节。模糊ＰＩＤ　控制器具有不依赖于被控对象的数学模型和适用于非线性系　统的优点，相对于传统的ＰＩＤ控制具有响应速度加快、超调量　减小、抗干扰能力强等良好的动态特性和鲁棒性。　

１氯化钾氨生产流程及系统分析　沸石法海水提取氯化钾氨技术是以海水和硝酸氨为主要　原料，通过钾富集、钾分离等工艺过程，生产氯化钾氨产品，主　要生产工艺流程及物料如下图１所示。　钾富集车间　钾分离车间　

图１氯化钾氨生产工艺流程简图　欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息　

在钾富集工序中首先利用沸石柱组与海水进行离子交换　反应，经硝酸氨溶液洗脱，制得中间产品——富钾液，作为钾分　离车间生产氯化钾氨的原料。钾分离车间对富钾液进行蒸发　浓缩及冷却结晶后得到成品氯化钾氨，从沉降器沉降出的盐　浆经离心机甩干后制得副产品。在钾富集过程中控制钾浓度，　使其保持在１２。Ｂｅ＇ｏ钾浓度属于非线性、大滞后变量，采用常　规控制方法难以达到满意的控制效果，因此采用参数模糊自　整定ＰＩＤ控制系统实现对钾浓度的调节。　

２模糊ＰＩＤ控制器的设计　２．１参数自整定模糊控制器结构　钾浓度控制是整个工艺的重要环节，通过将ＰＩＤ和模糊控　制器相结合的方式。采用参数自整定模糊ＰＩＤ控制，可以在线　调整ＰＩＤ调节器的参数，增强控制系统的抗干扰能力。　钾浓度调节阀门采用伺服电机驱动，数字ＰＩＤ控制算法根　据增量式ＰＩＤ差分方程计算控制器输出：　Ａｕ（ｋＴ）＝Ｋ［ｅ（　）一ｅ（ｋｒ）］＋Ｋｉｅ（ｋＴ）＋　［ｅ（　）一　２ｅ（ｋＴ）＋ｅ（ｋＴ一２Ｔ）］　如图２所示，控制系统将设定值与检测值比较后的偏差ｅ　及偏差变化率ｅｃ输入模糊控制器，根据ＰＩＤ三个参数与偏差ｅ　和偏差变化率ｅＣ之间的模糊关系，对参数Ｋ　Ｋｉ、Ｋ　在线校正　后，由模糊－ＰＩＤ控制器的输出量ａｕ（ｋ）通过对执行机构的驱　动，调节阀门开度，达到控制钾浓度的目的。模糊推理系统主　要由输入语言变量模糊化及输出量的去模糊化（包括语言值　及其隶属度函数）、规则库、模糊推理机等构成。　

图２　参数自整定模糊Ｐ／Ｄ控制原理图　２．２　参数自整定模糊控制器算法　１）本文采用的模糊一ＰＩＤ控制系统为双输入三输出的系　统，控制涉及的两个输人语言变量为偏差Ｉ　ｅ　Ｉ和偏差变化率ｆ　ｅｃ　Ｉ。三个输出语言变量为ＰＩＤ参数Ｋ　，　和Ｋｄ。钾浓度偏差ｅ　的基本论域为［～３０。Ｂｅ　＋３０。Ｂｅ　，浓度偏差变化率基本论域　为［一３，十３］。输入量的论域均选定｛０，＋１，＋２，＋３，＋４，４－　５，十６｝，Ｉ　ｅｌ和Ｉ　ｅｃＩ的语言值均选取：零（Ｚ），小（Ｓ），中（Ｍ），　大（Ｂ）；参数Ｋ。，Ｋ　和Ｋ　模糊集均为（Ｚ，Ｓ，Ｍ，Ｂ），论域为｛０，＋　１，＋２，十３｝，由钾浓度控制系统的特点和经验确定参数Ｋ　Ｋｉ、Ｋ　的基本论域分别为［０，１００］，［０，６０］，［０，４］。为了计算　机处理和实现的方便，输入偏差ｆ　ｅ　ｆ、输入偏差变化率ｆ　ｅｃ　Ｉ和　输出语言变量的隶属函数均采用线性函数——三角函数，所　对应的模糊语言变量的函数如图３所示。　

ＥＩＣ　Ｖｏ１．１７　２０１０　Ｎｏ．５　３７　口应用实例口　图３　输入输出变量的隶属函数　２）根据ＰＩＤ控制的基本原理，比例系数Ｋｐ的作用在于加　快系统的响应时间提高系统精度、积分系数Ｋｉ的作用是用于　消除系统的稳态误差、微分系数Ｋｄ在于改善系统的动态性能，　总结出在不同的ｌ　ｅｌ和１　ｅＣｌ下，被控过程对参数Ｋ　、Ｋ　、Ｋ　的　自整定要求的控制规则：　ａ．当ｌ　ｃ　Ｉ较大时，为使系统具有良好的快速跟踪性能，应　取较大的Ｋ。和较小的Ｋ　，同时为避免出现大的超调，应对积　分加以限制，通常取Ｋ．＝０。　ｂ．当ｌ　ｅ　ｌ中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，Ｋ　应取小些。在此情况下，Ｋ，和Ｋ　的大小要适中，以保证系统的　响应速度。　’Ｃ．当ｌ　ｅ　ｌ较小时，为了使系统具有较好的稳定性能，Ｋ　和　Ｋ．应取大一些，同时为避免系统在设定值附近发生振荡，提高　系统的抗干扰能力，当『ｃａ　ｌ较小时，Ｋ　值可取得大些，通常为　中等大小；当１　ｅＣ『较大时，Ｋ　应取小些。　由以上的控制规则设计的模糊控制规则表如表１所示。　表１　参数Ｋ　，Ｋ　和Ｋｄ模糊控制规则表　

Ｓ　ｊ　Ｍ　Ｚ　Ｚ　Ｉ３　ｌ　Ｍ　Ｓ　ｊ　Ｂ　８『　Ｍ　ｌ　Ｂ　Ｂ　Ｍ　Ｂ　Ｉ　Ｍ　Ｂ　Ｓ　．¨］　、　ｉ　ｚ　ｓ　Ｂ　、　ｆ／　｝ｊ　｝ｌ　Ｚ　Ｚ　ｓ　８　Ｉｊ　Ｚ　Ｚ　Ｍ　Ｂ　Ｂ　Ｓ　Ｚ　Ｂ　ｊ　Ｂ　Ｍ　Ｓ　Ｚ　＼　Ｚ　Ｓ　Ｍ　Ｂ　ｌ　＼　Ｂ　Ｈ　Ｚ　Ｚ　Ｓ　Ｂ　Ｂ　Ｚ　Ｚ　Ｍ　Ｂ　Ｂ　Ｓ　Ｚ　８　Ｂ　Ｍ　Ｓ　Ｚ　

３）根据各模糊子集的隶属函数度赋值图和各参数模糊控　制规则表，应用Ｍａｍｄａｎｉ型模糊逻辑推理分别对ＰＩＤ参数Ｋ　Ｋ；、Ｋ　进行推理计算。以参数Ｋ　为例采用Ｍａｍｄａｎｉ间接推理法　说明推理过程。　在表１中，每条规则确定一个模糊关系，共有１６个，其中　Ｒ　，Ｒ　，和Ｒ１６分别为　Ｒ　＝［（ｚ）　×（Ｚ）１　Ｉ］　×（Ｚ）Ｋｏ　Ｒ２＝［（ｚ）　×（Ｓ）　１］　ｘ（Ｂ）Ｋｏ　Ｒ１６＝［（Ｂ）　×（　１］　×（Ｍ）Ｋｏ　通过１６个模糊关系，　（ｉ＝１，２，…１６）的“并”运算，可获　得表征钾浓度控制系统控制规则的总的模糊关系Ｒ（Ｒ＝Ｒ　Ｖ　Ｒ　Ｖ…Ｖ　Ｒ　）。计算出模糊关系Ｒ后，利用推理合成规则计算　

＝（１　ｅ　ｌ　ｘＩ　ｅｃ　Ｉ　）・　，并以偏差Ｉ　ｅ　ｌ的论域元素为列，偏　差变化率Ｉ　ＣＣ　Ｉ为行，元素相应的交点为输出语言变量　制成　模糊控制查询表。　模糊推理的结果Ｋ。一般都是模糊值，不能直接用来作为　被控对象的控制量，需要将其转换成精确量去控制伺服机构，　此过程称为去模糊化（Ｄｅｆｕｚｚｉｆｉｃａｔｉｏｎ），本文采用适合于输出　模糊集的隶属函数是对称的加权平均法，其计算公式为：　

ｋｐ＝　６　∑　（Ｉ　ｅ　Ｉ，　

６　∑　（Ｉ　ｅ　Ｉ，Ｉ　ｅｃ　Ｉ）　

参数Ｋ。和Ｋ　具有相似的模糊推理算法。离线状态下计算　Ｉ　ｅＩ，Ｉ　ｅＣＩ在各种组合下参数Ｋｐ、Ｋ　、Ｋｄ的值，组成模糊控制查　询表保存在控制系统的存储器内，控制系统根据实时数据　Ｉ　ｅｆ，ｌ　ｅａＩ，由控制表获得参数Ｋ。、Ｋ。和Ｋ　，在线调整ＰＩＤ参数。　３８　ＥｌＣ　Ｖ０１．１７　２０１０　Ｎｏ．５　仪器仪表用户　２．３　ＭａｔＬＡＢ＼ＳｉｍｕＬｉｎｋ仿真　由于模糊控制器的设计思想是模拟人脑的思考过程，在　设计过程中，对实践经验的依赖性很大，需结合实际经验，选取　控制量，设计控制规则。所选取的控制量和控制规则的效果如　何，必须编制大量的程序进行仿真分析或者等到控制器设计　完成后通过实验观察验证。在ＭａｔＬＡＢ中运用模糊控制工具箱　和Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真软件，进行模糊控制器的设计和动态仿真，并　与常规ＰＩＤ控制器进行比较。　根据现场实际情况和工程经验确定被控对象的数学模型　（广义对象开环传递函数）为：　＝　ｅⅢｍ　在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ下，仿真系统图和在阶跃扰动下模糊ＰＩＤ控制　器和常规ＰＩＤ控制系统的响应输出曲线分别如图４和图５。　『　倦　ｌ　Ｓ＊ｅＰ　Ａｄｄ３　ＴＦｔ　Ｔｍｎｇ￣ｏｔｔ　ｌ　ｌ　…　Ｉ｛　ｌ　Ｌ　。Ｊ　———————　————　ｌ　图４　参数自整定模糊ＰＩＤ控制ＳｉｍｕＬｉｎｋ仿真模型　／／＼　＼　＼　。　。　。　．　，　图５　常规ＰＩＤ和模糊－ＰＩＤ控制下的单位阶跃响应曲线　仿真结果表明，相对于传统ＰＩＤ控制，模糊ＰＩＤ具有较高　的控制精度，超调量盯％减小，而且其系统响应速度加快，过渡　时间ｔｓ显著缩短。　３控制系统硬件构成和软件设计简介　控制系统硬件主要由上位机（通用ＰＣ机），ｓ７—３００ＰＬＣ　（由ＣＰＵ３１５—２ＤＰ、ＰＳ３０７、ＳＭ３３１、ＳＭ３３２及配套模块）和电动　执行器等现场设备组成。软件主要包括操作系统软件（Ｗｉｎ—　ｄｏｗ　ＸＰ），ＰＬＣ编程软件（Ｓｔｅｐ７Ｖ５．４）和监控组态软件（ＷＩＮＣＣ　Ｖ６．２）等构成。采用西门子ｓ７—３００编程软件ＳＴＥＰ７实现参　数自整定模糊ＰＩＤ控制算法，对钾浓度控制系统编制成标准控　制子程序。　系统首先通过ＰＬＣ的ＳＭ３３１模拟量输入模块接收现场钾　浓度检测仪４—２０ｍＡ标准电气信号，根据采样所得的数据计　算偏差ｅ和偏差变化率ｅｃ，模糊化，查找对应的模糊控制表，实　时在线计算出模糊控制量所对应的Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄ值。最后，采用　增量式ＰＩＤ控制算法计算控制系统当前控制增量ＡＵｉ，将ＡＵｉ　附加在前一时刻的控制量上，即可得到控制量输出Ｕ，通过　ＳＭ３３１模拟量输出模块，控制执行器来调节钾浓度。　４结束语　本文所提出的参数自整定模糊ＰＩＤ控制系统，在海水提取　氯化钾氨的现场实际应用中达到了很好的控制效果。通过对　氯化钾氨生产中钾浓度控制的实践证明，能够达到控制要求，　相比常规的ＰＩＤ控制，采用参数模糊自整定ＰＩＤ控制具有更广　阔的应用前景。口