制糖离子交换模糊控制系统的设计与仿真

宋甜　王其昌

摘 要：针对传统制糖离子交换工艺系统的不足，利用爱默生PLC设计了离子交换流量模糊控制系统。提出把模糊控制理论和PID控制理论相结合的方法，设计实现模糊-PID复合控制系统。通过Matlab仿真可看到将模糊控制算法与PID控制原理相结合相互补偿的方法与常规PID控制方法相比，模糊控制PID系统具有控制精度高，可靠性好，适应性好的优点。

关键词：离子交换 模糊PID控制 可编程控制器 人机界面 Matlab仿真

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（a）-0033-02

Design and Simulation on Technology of Fuzzy PID Controller in Sugar Process

Song Tian1 Wang Qichang2

（1.Wuhan Railway Vocational College of Technology； 2.Wuhan LEADDO Measuring&Control Co.Ltd，Wuhan Hubei，430062，China）

Abstract：Aiming at various shortcomings existing in the traditional refine sugar technology，the fuzzy PID controller in ion exchange is designed utilizing Emerson series PLC.A fuzzy-PID hybrid control system is designed base on combining the fuzzy control theory and method of PID control theory.Through Matlab simulation it is found that the fuzzy PID controller is higher precision；more reliable and good adaptation than the traditional PID controller.

Key Words：Ion Exchange；Fuzzy PID Control；PLC；HMI；Matlab Simulation

目前在制糖中，采用离子交换工艺直接生产高质量的蔗糖溶液。离子交换的基本原理是利用离子交换器的循环操作，按照精确规定的程序反复地进行下去。当一种具有一定离子型的交换树脂和需要除去一个或多个离子的溶液相接触时，它们将有效地进行离子交换直到达成平衡为止。此后，如果想把已经使用过的树脂重复利用，那么就必须使它恢复到原来的离子型状态，即需用某种溶液来进行处理，使之再生[1]。

由于新型树脂制造方法的发展，树脂的离子交换性能有了很大提高，同时由于计算机应用到自动控制行业，使制糖生产控制达到了全自动化水平，本文研究就是基于智能控制与模糊控制理论，通过对影响工艺过程控制的重要因素流量的智能控制的系统研究，由PLC控制系统与界面友好的人机接口（HMI）设计实现制糖离子交换模糊控制系统。

1 离子交换原理

1.1 离子交换工艺参数

（1）流量控制在；（2）进料温度：40℃～50℃；（3）出料电导率：≤30 us/cm2；（4）透光率：99%；（5）离交后罐pH为 4.5～6.0；（6）失效pH值：阴柱≤4.5。

1.2 离子交换工艺流程

首先启动离交前泵，离交前罐中的糖液经精密过滤器除去杂质，经PID调节其流量控制在 m3/h，然后由离交前板式换热器，PID调节降温至40 ℃～50 ℃入离交柱，其流量控制在 m3/h。当糖液电导率>30 us/cm2，阴柱pH≤4.5及透光率其中一项不符时，需再生。

本工艺对流量PID调节要求比较多，它控制着各种溶液的进出，在离子交换再生过生中需要对各种再生液进行良好的控制，以使树脂保持良好的交换能力，生产出合格的糖液。

由于流量的控制具有高度非线性、时变、无法建立精确的数学模型等特点，参数固定的常规的PID控制方法不能对反应的变化做快速的、精确的反应，在控制过程中易发生振荡现象，很难对系统实现最优控制。

模糊控制器的优点：不依赖于被控对象的精确数学模型，易于对不确定性系统进行控制；易于控制，易于掌握的较理想的非线性控制器，是一种语言控制器。抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性。

模糊控制器的缺点：不具有积分环节，在变量分级不够多的情况下，常常在平衡点附近会有小的震荡现象或存在稳态余差。

PID控制在平衡点附近的小范围调节效果是较理想的，其积分作用可最终消除余差。在实际控制过程中，把以上两种控制技术结合起来，就可以构成兼有这两者优点的模糊PID控制器。

2 系统设计

制糖离子交换系统采用PLC控制系统与界面友好的人机接口（HMI）实现，操作工人可以通过对人机友好界面的控制实现人机对话功能，并可以调看系统的主控画面、报警、曲线等，在需要时可以对参数进行设置调整。

系统主要分为下位机控制系统和上位机控制系统两部分。下位机主要负责对整个系统进行编程，对数据进行处理并传给上位机输出。上位机可以直接控制整个系统的流程，对参数进行设置等，但不对数据进行处理。本系统采用爱默生（Emerson）PLC作为下位机编程平台，上位机触摸屏eView MT506L来进行组态实现，工程文件的编写在Easybuilder 500组态软件上完成。

2.1 下位机软件设计

控制系统程序的基本功能为：选择数据通道、对系统采样进行A/D转换、对系统控制量进行D/A转换、控制阀门输出、发送及接收通讯数据等。其基本流程是：PLC先选择通道，对采样进行A/D转换和流量值进行计算，将采样得到的流量传输给触摸屏，触摸屏返回设定的流量，经过模糊推理，实时调节三个动态PID参数，最后输出控制量，控制量经过D/A转换后发送给比例控制阀，以实现对阀门的控制。根据制糖离子交换系统的要求，下位机的要设计的主要功能如下：（1）对流量进行实时采集；（2）计算PID控制算法，实现实时控制功能；（3）实现与上位机进行通讯；（4）对系统产生的故障信号进行检测、处理与报警。

2.1.1 硬件选型

根据制糖离子交换所需选择合适的PLC，选择Emerson系列PLC，其具体型号和数量如下：EC20-4040BRA，EC20-8AD， EC20-4AD，EC20-4AM各一个，EC20-1616ERA所需要数量为3个。

2.1.2 PLC软件设计

PLC程序控制主要负责对数据采集、比例阀的控制、故障报警等功能。PLC程序可以单独对PID实现实时控制。

在PLC控制系统中，PLC就相当于常规控制系统中的控制器。它对过程变量的实测值和设定值之间的误差信号进行运算，称为控制算法。在制糖离子交换系统控制中由于数学模型难于建立，运用控制理论分析要耗费很大的财力和人力，且生产中不具备做大量实验的条件，因此，在制糖离子交换系统过程控制中应用PID控制算法和模糊控制算法。模糊控制器的控制算法是由微机的程序实现的。这种程序一般包括两个部分，一个是计算机离线计算查询表的程序，属于模糊矩阵运算；另一个是PLC在模糊控制过程中在线计算相应变量（误差、误差变化），并将它们模糊量化处理，查找查询表后再作输出处理的程序。由于在线计算查询表使得PLC程序过大，程序执行周期太长，严重影响实际控制效果和运行人员的操作灵敏度，所以本次设计采用离线计算查询表的方法。

2.2 上位机监控系统人机界面（HMI）设计

上位机人机界面系统要实现对数据的显示、流程画面监控，与下位机通信等功能。本系统采用触摸屏eView MT506L来进行组态实现，工程文件的编写在Easybuilder 500组态软件上完成。

监控界面设计及功能。

本设计中，触摸屏的主要作用是与下层的PLC通讯，获取过程数据，显示流量、报警画面、历史曲线、数据查询等。

3 模糊PID控制系统仿真研究

3.1 常规PID设计

3.2 模糊-PID控制仿真方案

要使流量控制在 m3/h之间，将流量T=9设为初始值，仿真时间取50 s，参数初始值分别设为=9、=0.4、=1。确定MATLAB仿真设计图如图1。

3.3 仿真结果分析

仿真结果如图2，3所示。图2是传统PID控制的仿真曲线，图3是模糊-PID控制的仿真曲线。

两条曲线比较结果表明：传统PID控制方式与模糊控制PID相比，超调量比较大，且系统达到稳定的时间比较长，传统PID控制方式参数不能改变，而模糊-PID控制具有抗参数变化的鲁棒性。模糊-PID比传统PID对系统的控制有更高的精度，并且有更好的控制效果。

所以，将模糊控制算法与PID控制原理相结合相互补偿的方法，具有控制精度高，可靠性好，稳定所需时间短，适应性好的优点。

4 结语

本文根据离子交换原理，基于PID算法、模糊控制理论，从制糖工艺离子交换的实际需求，将模糊控制PID算法设计运用于制糖工艺自动控制系统中，具有控制精度高，可靠性好，稳定所需时间短，适应性好的优点。

参考文献

[1] 刘树楷，郑建仙.离子交换在制糖工业中应用的最新进展[J].1993.

[2] 王树青.先进控制技术及其应用[M].北京化学工业出版社，2002.

[3] 赵洪侠.离子交换树脂在清净过程中的应用[J].2004.

[4] 洛铁男，李琳，刘玉德.阴离子交换树脂在制糖工业中的应用[J].1998.

[5] 杨咏梅，陈宁.基于MATLAB的模糊自整定PID参数控制器的设计与仿真[J].微计算机信息，2005.

[6] 杨照华，杨智，王慧中.两种新型pH值的控制方法研究[J].甘肃工业大学学报，2001，27（3）：52-54.

[7] 侣焕玲.模糊控制在冷轧酸洗线温度控制中的应用[J].2008.

控制系统程序的基本功能为：选择数据通道、对系统采样进行A/D转换、对系统控制量进行D/A转换、控制阀门输出、发送及接收通讯数据等。其基本流程是：PLC先选择通道，对采样进行A/D转换和流量值进行计算，将采样得到的流量传输给触摸屏，触摸屏返回设定的流量，经过模糊推理，实时调节三个动态PID参数，最后输出控制量，控制量经过D/A转换后发送给比例控制阀，以实现对阀门的控制。根据制糖离子交换系统的要求，下位机的要设计的主要功能如下：（1）对流量进行实时采集；（2）计算PID控制算法，实现实时控制功能；（3）实现与上位机进行通讯；（4）对系统产生的故障信号进行检测、处理与报警。

2.1.1 硬件选型

根据制糖离子交换所需选择合适的PLC，选择Emerson系列PLC，其具体型号和数量如下：EC20-4040BRA，EC20-8AD， EC20-4AD，EC20-4AM各一个，EC20-1616ERA所需要数量为3个。

2.1.2 PLC软件设计

PLC程序控制主要负责对数据采集、比例阀的控制、故障报警等功能。PLC程序可以单独对PID实现实时控制。

在PLC控制系统中，PLC就相当于常规控制系统中的控制器。它对过程变量的实测值和设定值之间的误差信号进行运算，称为控制算法。在制糖离子交换系统控制中由于数学模型难于建立，运用控制理论分析要耗费很大的财力和人力，且生产中不具备做大量实验的条件，因此，在制糖离子交换系统过程控制中应用PID控制算法和模糊控制算法。模糊控制器的控制算法是由微机的程序实现的。这种程序一般包括两个部分，一个是计算机离线计算查询表的程序，属于模糊矩阵运算；另一个是PLC在模糊控制过程中在线计算相应变量（误差、误差变化），并将它们模糊量化处理，查找查询表后再作输出处理的程序。由于在线计算查询表使得PLC程序过大，程序执行周期太长，严重影响实际控制效果和运行人员的操作灵敏度，所以本次设计采用离线计算查询表的方法。

2.2 上位机监控系统人机界面（HMI）设计

上位机人机界面系统要实现对数据的显示、流程画面监控，与下位机通信等功能。本系统采用触摸屏eView MT506L来进行组态实现，工程文件的编写在Easybuilder 500组态软件上完成。

监控界面设计及功能。

本设计中，触摸屏的主要作用是与下层的PLC通讯，获取过程数据，显示流量、报警画面、历史曲线、数据查询等。

3 模糊PID控制系统仿真研究

3.1 常规PID设计

3.2 模糊-PID控制仿真方案

要使流量控制在 m3/h之间，将流量T=9设为初始值，仿真时间取50 s，参数初始值分别设为=9、=0.4、=1。确定MATLAB仿真设计图如图1。

3.3 仿真结果分析

仿真结果如图2，3所示。图2是传统PID控制的仿真曲线，图3是模糊-PID控制的仿真曲线。

两条曲线比较结果表明：传统PID控制方式与模糊控制PID相比，超调量比较大，且系统达到稳定的时间比较长，传统PID控制方式参数不能改变，而模糊-PID控制具有抗参数变化的鲁棒性。模糊-PID比传统PID对系统的控制有更高的精度，并且有更好的控制效果。

所以，将模糊控制算法与PID控制原理相结合相互补偿的方法，具有控制精度高，可靠性好，稳定所需时间短，适应性好的优点。

4 结语

本文根据离子交换原理，基于PID算法、模糊控制理论，从制糖工艺离子交换的实际需求，将模糊控制PID算法设计运用于制糖工艺自动控制系统中，具有控制精度高，可靠性好，稳定所需时间短，适应性好的优点。

参考文献

[1] 刘树楷，郑建仙.离子交换在制糖工业中应用的最新进展[J].1993.

[2] 王树青.先进控制技术及其应用[M].北京化学工业出版社，2002.

[3] 赵洪侠.离子交换树脂在清净过程中的应用[J].2004.

[4] 洛铁男，李琳，刘玉德.阴离子交换树脂在制糖工业中的应用[J].1998.

[5] 杨咏梅，陈宁.基于MATLAB的模糊自整定PID参数控制器的设计与仿真[J].微计算机信息，2005.

[6] 杨照华，杨智，王慧中.两种新型pH值的控制方法研究[J].甘肃工业大学学报，2001，27（3）：52-54.

[7] 侣焕玲.模糊控制在冷轧酸洗线温度控制中的应用[J].2008.

控制系统程序的基本功能为：选择数据通道、对系统采样进行A/D转换、对系统控制量进行D/A转换、控制阀门输出、发送及接收通讯数据等。其基本流程是：PLC先选择通道，对采样进行A/D转换和流量值进行计算，将采样得到的流量传输给触摸屏，触摸屏返回设定的流量，经过模糊推理，实时调节三个动态PID参数，最后输出控制量，控制量经过D/A转换后发送给比例控制阀，以实现对阀门的控制。根据制糖离子交换系统的要求，下位机的要设计的主要功能如下：（1）对流量进行实时采集；（2）计算PID控制算法，实现实时控制功能；（3）实现与上位机进行通讯；（4）对系统产生的故障信号进行检测、处理与报警。

2.1.1 硬件选型

根据制糖离子交换所需选择合适的PLC，选择Emerson系列PLC，其具体型号和数量如下：EC20-4040BRA，EC20-8AD， EC20-4AD，EC20-4AM各一个，EC20-1616ERA所需要数量为3个。

2.1.2 PLC软件设计

PLC程序控制主要负责对数据采集、比例阀的控制、故障报警等功能。PLC程序可以单独对PID实现实时控制。

在PLC控制系统中，PLC就相当于常规控制系统中的控制器。它对过程变量的实测值和设定值之间的误差信号进行运算，称为控制算法。在制糖离子交换系统控制中由于数学模型难于建立，运用控制理论分析要耗费很大的财力和人力，且生产中不具备做大量实验的条件，因此，在制糖离子交换系统过程控制中应用PID控制算法和模糊控制算法。模糊控制器的控制算法是由微机的程序实现的。这种程序一般包括两个部分，一个是计算机离线计算查询表的程序，属于模糊矩阵运算；另一个是PLC在模糊控制过程中在线计算相应变量（误差、误差变化），并将它们模糊量化处理，查找查询表后再作输出处理的程序。由于在线计算查询表使得PLC程序过大，程序执行周期太长，严重影响实际控制效果和运行人员的操作灵敏度，所以本次设计采用离线计算查询表的方法。

2.2 上位机监控系统人机界面（HMI）设计

上位机人机界面系统要实现对数据的显示、流程画面监控，与下位机通信等功能。本系统采用触摸屏eView MT506L来进行组态实现，工程文件的编写在Easybuilder 500组态软件上完成。

监控界面设计及功能。

本设计中，触摸屏的主要作用是与下层的PLC通讯，获取过程数据，显示流量、报警画面、历史曲线、数据查询等。

3 模糊PID控制系统仿真研究

3.1 常规PID设计

3.2 模糊-PID控制仿真方案

要使流量控制在 m3/h之间，将流量T=9设为初始值，仿真时间取50 s，参数初始值分别设为=9、=0.4、=1。确定MATLAB仿真设计图如图1。

3.3 仿真结果分析

仿真结果如图2，3所示。图2是传统PID控制的仿真曲线，图3是模糊-PID控制的仿真曲线。

两条曲线比较结果表明：传统PID控制方式与模糊控制PID相比，超调量比较大，且系统达到稳定的时间比较长，传统PID控制方式参数不能改变，而模糊-PID控制具有抗参数变化的鲁棒性。模糊-PID比传统PID对系统的控制有更高的精度，并且有更好的控制效果。

所以，将模糊控制算法与PID控制原理相结合相互补偿的方法，具有控制精度高，可靠性好，稳定所需时间短，适应性好的优点。

4 结语

本文根据离子交换原理，基于PID算法、模糊控制理论，从制糖工艺离子交换的实际需求，将模糊控制PID算法设计运用于制糖工艺自动控制系统中，具有控制精度高，可靠性好，稳定所需时间短，适应性好的优点。

参考文献

[1] 刘树楷，郑建仙.离子交换在制糖工业中应用的最新进展[J].1993.

[2] 王树青.先进控制技术及其应用[M].北京化学工业出版社，2002.

[3] 赵洪侠.离子交换树脂在清净过程中的应用[J].2004.

[4] 洛铁男，李琳，刘玉德.阴离子交换树脂在制糖工业中的应用[J].1998.

[5] 杨咏梅，陈宁.基于MATLAB的模糊自整定PID参数控制器的设计与仿真[J].微计算机信息，2005.

[6] 杨照华，杨智，王慧中.两种新型pH值的控制方法研究[J].甘肃工业大学学报，2001，27（3）：52-54.

[7] 侣焕玲.模糊控制在冷轧酸洗线温度控制中的应用[J].2008.