The Improvement of the Control of the Causticizer’s Temperature and its realization

Abstract ： In this paper after analyzing the characterizer of the causticizer’s temperature, the fuzzy-immune-PID control algorithm was presented. We carry on MATLAB simulation and give the comparison. We apply this algorithm to the caustic process. The result indicates that this control algorithm has the good stable state precision and the auto-adapted ability. Key words ：Fuzzy-control; Immune-PID control; Causticizer’s temperature 摘要：針對(duì)苛化工段中苛化器溫度控制的特點(diǎn)，采用基于模糊免疫PID控制算法的控制器,，并將其成功應(yīng)用于某造紙廠堿回收系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，與其他現(xiàn)有控制方法相對(duì)比，此算法使系統(tǒng)具有了較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)能力。 關(guān)鍵詞：模糊控制；免疫PID；苛化器溫度； 1.前言 在造紙工業(yè)中堿回收是非常重要的一部分，而堿回收能否做到豐產(chǎn)豐收，苛化作為堿回收車間的成品工段其運(yùn)行的好壞是非常關(guān)鍵的。其中苛化器內(nèi)溫度是非常重要的參數(shù)，它直接影響苛化反應(yīng)的速度及苛化度。溫度高，氫氧化鈣溶解度降低，碳酸鈣的溶解度增加，對(duì)苛化度是不利的；而降低溫度苛化速度會(huì)下降。此外，苛化器溫度控制的好壞也會(huì)對(duì)過量灰的降低、白泥的洗滌、白泥殘堿及稀白液總堿的降低產(chǎn)生影響。本文采用以西門子CPU315-2DP為核心的DCS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)苛化工段現(xiàn)場(chǎng)信息的采集和控制，同時(shí)采用基于WinCC的上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制，提出一種新的模糊免疫PID控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)算法，并將其用于苛化工段的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，得到了很好的控制效果。 2.工藝流程簡(jiǎn)介 由燃燒工段來的綠液經(jīng)過綠液澄清器澄清后，送往綠液貯存槽，然后由綠液泵泵至綠液加熱器進(jìn)行加熱，再進(jìn)入消化器，在消化器中綠液和石灰經(jīng)過大約半個(gè)小時(shí)消化反應(yīng)后，乳液進(jìn)入三臺(tái)串聯(lián)苛化器進(jìn)行約120分鐘的苛化反應(yīng)，苛化后的反應(yīng)物進(jìn)入苛化液緩沖槽，苛化液被泵入白液澄清器，在這里，白液與白泥被分離，白液被送到白液貯存槽，并被泵往蒸煮工段。白泥被泵至1#真空洗渣機(jī)中提取濾液，而其余送往半沉渣攪拌槽，與綠泥混合后被泵入白泥洗滌器，從中提取得到稀白液，送往燃燒工段，而白泥則被送往沉渣攪拌槽，然后送2#真空洗渣機(jī)（預(yù)掛式過濾機(jī)）提取有用的濾液，而白泥則送出外運(yùn)。堿回收苛化工藝部分流程如圖1所示： [b]2.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn) 2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[/b] 控制系統(tǒng)主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、趨勢(shì)顯示、工藝報(bào)警、PID參數(shù)設(shè)置及控制等功能。該工段實(shí)現(xiàn)控制和檢測(cè)的測(cè)控點(diǎn)總共包括13路溫度、1路壓力、10路液位和3路流量。其中需要控制的測(cè)控點(diǎn)有4個(gè)，分別為：進(jìn)綠液加熱器綠液流量、綠液加熱器的出口溫度、3#苛化器溫度和苛化液緩沖槽液位等，因此，下位機(jī)PLC系統(tǒng)采用以西門子CPU315-2DP為核心的DCS控制系統(tǒng)，通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線與ET200M I/O站相連。這不僅可以降低成本，還可以與其他工段的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳送。該硬件系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示： 2.2模糊免疫PID算法 免疫PID控制器的設(shè)計(jì)原理：假設(shè)第k代的抗原數(shù)量為ε（k），由抗原刺激的T[sub]H[/sub]細(xì)胞的輸出為T[sub]H[/sub]（k）, T[sub]s[/sub]細(xì)胞對(duì)B細(xì)胞的影響為T[sub]s[/sub]（k）,則B細(xì)胞接收的總刺激為: S（k）=T[sub]H[/sub]（k）-T[sub]S[/sub]（K） 式中, T[sub]H[/sub]（k）=k[sub]1[/sub]ε（k），T[sub]s[/sub]（k）=k[sub]2[/sub]f（S（k）,△S（k））ε（k） 。 若以抗原的數(shù)量ε（k）作為偏差e（k）,B細(xì)胞接收的總刺激S（k）作為控制輸入u（k）,則△S（k）=△u（k）。 那么有如下的反饋控制規(guī)律： K[sub]1[/sub],K[sub]2[/sub],K[sub]3[/sub]為控制反應(yīng)速度, η[sub]1[/sub],η[sub]2[/sub],η[sub]3[/sub]為控制穩(wěn)定效果, f[sub]1[/sub]（·）,f[sub]2[/sub]（·）,f[sub]3[/sub]（·）為選定的非線性函數(shù)，它們表示細(xì)胞抑制刺激能力的大小。 本文在設(shè)計(jì)中使用三個(gè)模糊控制器，利用模糊規(guī)則可逼近非線性函數(shù)f[sub]1[/sub]（·）,f[sub]2[/sub]（·）,f[sub]3[/sub]（·）：讓每個(gè)輸入變量被兩個(gè)模糊集模糊化，分別是“正”（P）和“負(fù)” （N）；輸出變量被三個(gè)模糊集模糊化，分別為“正”（P）、“零”（Z）和“負(fù)” （N）。以上所述的隸屬度函數(shù)都定義在整個(gè)（-∞,+∞）區(qū)間，按照“細(xì)胞接受的刺激越大，則抑制能力越小”及“細(xì)胞接受的刺激越小，則抑制能力越大”的原則，對(duì)模糊控制器采用以下模糊規(guī)則： （1）If u is P and △u is P then f（u,△u） is N（1） （2）If u is P and △u is N then f（u,△u） is Z（1） （3）If u is N and △u is P then f（u,△u） is Z（1） （4）If u is N and △u is N then f（u,△u） is P（1） …… 在各規(guī)則中，使用Zadeh的模糊邏輯AND操作，并采用“centroid”反模糊化方法就可以得到每個(gè)模糊控制器的輸出。 由上面的原理可以看出基于免疫反饋原理的控制器實(shí)際上就是一個(gè)非線性PID控制器，其各個(gè)系數(shù)k’[sub]p[/sub],k’[sub]i[/sub],k’[sub]d[/sub]都隨著控制器輸出的變化而變化，其中K[sub]1[/sub],K[sub]2[/sub],K[sub]3[/sub]為增益，則免疫PID控制器的輸出為： u（k）=u（k-1）+K[sub]1[/sub][1-η[sub]1[/sub]f[sub]1[/sub]（u（k）,△u（k））]（e（k）-e（k-1）） +K[sub]2[/sub][1-η[sub]2[/sub]f[sub]2[/sub]（u（k）,△u（k））]e（k）+K[sub]3[/sub][1-η[sub]3[/sub]f[sub]3[/sub]（u（k）,△u（k））]（e（k）-2e（k-1）+e（k-2）） =u（k-1）+k′[sub]p[/sub]（e（k）-e（k-1））+k′[sub]i[/sub]e（k）+k′[sub]d[/sub]（e（k）-2e（k-1）+e（k-2） 2.3算法實(shí)現(xiàn) 在算法實(shí)現(xiàn)方面，對(duì)于綠液加熱器綠液流量、綠液加熱器的出口溫度和苛化液緩沖槽液位的控制，由于其工藝要求不是很高，我們采用標(biāo)準(zhǔn)的PID控制模塊（FB41）,利用該功能塊實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，在WINCC界面上只要正確設(shè)定接口參數(shù)，就能達(dá)到滿意的控制效果。對(duì)于苛化器溫度的控制我們則利用上述討論的模糊免疫PID控制算法獨(dú)立編寫一個(gè)功能塊，利用免疫PID控制器的輸出u（k）來控制氣動(dòng)閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)苛化器溫度的控制。 2.4系統(tǒng)仿真 設(shè)上述控制系統(tǒng)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為： ，式中k為模型增益系數(shù)，T為時(shí)間常數(shù)，τ為時(shí)間滯后常數(shù)。 下面針對(duì)某紙廠苛化器溫度進(jìn)行仿真研究，該對(duì)象各個(gè)參數(shù)為:k=3.45,T=18s,τ=30s。用MATLAB工具箱中M函數(shù)編程進(jìn)行仿真，采樣時(shí)間為20s，K[sub]1[/sub]K[sub]2[/sub]K[sub]3[/sub]分別為0.6,0.3,0.1。η[sub]1[/sub]η[sub]2[/sub]η[sub]3[/sub]分別為0.80,0.60,0.10。系統(tǒng)在單位階躍信號(hào)下外加大干擾的仿真曲線如圖3所示 [align=center] 圖3 模糊免疫PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID及常規(guī)PID控制比較曲線[/align] 由上圖可以：本文提出的模糊免疫PID算法不但魯棒性強(qiáng)，而且控制效果很好，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法【6】雖然響應(yīng)速度快，但是超調(diào)量大，震蕩嚴(yán)重，而且其在魯棒性方面也略遜色于本文提出的模糊免疫PID算法。仿真過程中控制器各系數(shù)k’[sub]p[/sub],k’[sub]i[/sub],k’[sub]d[/sub]自整定變化曲線如下 [align=center] 圖4 模糊免疫PID控制 自整定曲線 圖5 模糊疫PID控制 自整定曲線 圖6 模糊免疫PID控制 自整定曲線[/align] 2.5系統(tǒng)應(yīng)用 下圖所示的是從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采回的苛化器溫度的WinCC在線的信號(hào)歷史趨勢(shì)圖，從圖中我們可以看出，苛化器的溫度穩(wěn)定在100℃±1℃左右，達(dá)到了很好的控制效果。 [align=center] 圖7苛化器溫度WinCC在線歷史趨勢(shì)圖[/align] 3.結(jié)論 本文提出的模糊免疫PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，易于實(shí)時(shí)控制的特點(diǎn)，且充分利用了人工免疫算法的自適應(yīng)能力，不需要對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行精確的辨識(shí)，很大程度上克服了傳統(tǒng)的模糊控制器設(shè)計(jì)方法過于依賴專家經(jīng)驗(yàn)、有很大主觀性的缺點(diǎn)。針對(duì)堿回收苛化溫度控制對(duì)象進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明該控制器不僅可以有效地控制大純滯后對(duì)象，而且具有很好的抗干擾能力和自適應(yīng)能力，具有較強(qiáng)的魯棒性,在生產(chǎn)實(shí)際中取得了很好的效果。 參考文獻(xiàn) [1] 劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2003,129_134. 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