（控制理论与控制工程专业论文）脂肪胺反应釜升温模糊控制系统研究与工程实现.pdf

脂肪胺反应釜升温模糊控制系统研究与工程实现 摘要 本课题来自某化工有限公司“1 2 万吨脂肪胺生产d c s 控制 项目。该项目中脂肪胺 生产过程是典型的间歇反应，控制过程的难点是反应釜的分阶段升温控制，对这一难题的 研究与工程应用对类似化工企业的生产过程控制有一定的借鉴意义。 本文的主要工作和成果如下： 1 在参阅了大量文献的基础上，对脂肪胺生产间歇式反应釜的工艺流程、控制难点 及常用的控制策略进行了较为全面地阐述； 2 在熟悉工艺流程的基础上，进行了脂肪胺生产控制方案的设计和系统组态； 3 针对间歇式反应釜升温控制过程的非线性、强耦合、纯滞后等特点，在收集和积 累了大量的现场操作工经验的基础上，采用基于模糊理论这一人工智能技术，构造了一个 适合反应釜升温控制的模糊控制系统，实现了反应釜升温的智能控制。 4 在具体实施的过程中，根据分阶段升温速率的不同，本文给出了分阶段模糊控制 系统的设计方案。现场运行情况表明，模糊控制具有实时性好、抗干扰能力和适应能力强、 稳态误差小等优点，并对被控对象的不良变化具有较强的鲁棒性。 5 尽管控制方案总体效果尚好，但模糊控制系统在消除静差方面还不够完善，为提 高控制精度，还应在控制方案和控制算法上做进一步改进。 关键词：脂肪胺，反应釜，温度控制，模糊控制，d c s ，系统组态 t h er es e a r c ha n de n g i n e e r i n g r e a l i z a r i o no fi 埝t t ya m i n er e a c t o r t e m p e r a t u r ei u s i n gf u z z yc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t t h i se a s yi sb a s e do np r o j e c to f 1 2 0 0 0t o n ef a t t ya m i n er e a c t o rd c sc o n t r o ls y s t e mo fo n e c h e m i c a lc o m p a n y t h ep r o d u c t i o np r o c e s so ff a t t ya m i n ei sb a t c hr e a c t i o nt y p i c a l l y m a i n c h a l l e n g eo ft h ep r o c e s si st oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r er i s i n go fr e a c t i o nc o n t a i n e rp e r i o d i c a l l y t h es t u d ya n di t se n g i n e e r i n ga p p h c a t i o nw i l lh e l pt os o l v es i m i l a rp r o b l e mh a p p e ni nv a r i e so f c h e m i c a lf a c t o r i e s n l em a i n w o r ka n da c h i e v e m e n t sa l ea sf o l l o w s ： i b a s e do nt h er e v i e w i n go fal a r g eq u a n t i t yo fl i t e r a t u r e ，t h i se s s a ye x p l a i n sp r o d u c t i o n p r o c e s so ff a t t ya m i n e ，c o n t r o lc h a l l e n g ea n dc o m m o nc o n t r o ls t r a t e g i e sd e t a i l e d l y 2 a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，t h i se s s a yd e s i g n e dt h ec o n t r o lp l a na n dt h es y s t e m c o n f i g u r a t i o n 3 a i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i c so f n o - l i n e a r , c o u p l i n g 、t i m e - d e l a yi nt h ec o n t r o ls y s t e m ，t h i s p r o j e c td e v e l o p e dab a t c hr e a c t o rt e m p e r a t u r er i s i n gf u z z yc o n t i o ls y s t e mn o to n l yb yg a t h e r i n g t h ei n t e n s i v ef i l e di n f o r m a t i o na n df i r s th a n de x p e r i e n c e ，b u ta l s ob ya d o p t i n gn e u t r a lc o n t r o l t h e o r y i nt h es y s t e m , t h er e a c t o rc o n t r o lt e m p e r a t u r er i s i n gi sa c c o m p l i s h e da u t o m a t i c a l l y 4 i nd e t a i l ，t h i se s s a yp r e s e n t ss e v e r a ls t e p sf u z z yc o n t r o ls y s t e md e s i g na c c o r d i n gt o d i f f e r e n ts p e e do ft e m p e r a t u r er i s i n gi ne a c hs t e p a l s o ，t h i sd e s i g nn o to n l ys h o w s a d v a n t a g e so f r e a lt i m e ，i m m u n i t yt oi n t e r f e r e n c e ，a d o p t i v ea n ds m a l ls t a t i co n o r , b u ta l s op r e s e n t sh i g hr o b u s t i nt h es i t u a t i o no f c o n t r o lo b j e c t sv i b r a t e t h a ti sp r o v e d b yw e l l - r u n n i n gi nt h er e a ls y s t e m 5 a l t h o u g ht h ec o n t r o ls y s t e ms h o w sh i g hq u a l i t yi nt e r m so fo v e r a l lc o n t r o le f f e c t , i t s e r r o rr e d u c t i o ni ss t i l ln o ts a t i s f i e d t oi m p r o v ec o n t r o la c c u r a c y , m o r er e s e a r c hi st ob ed o n ei n t h ea s p e c to fc o n t r o lp l a na n da l g o r i t h m k e yw o r d s ：f a t t ya m i n e ，r e a c t o r , t e m p e r a t u r ec o n t r o lf u z z yc o n t r o l ，d c s ，s y s t e m c o n f i g u r a t i o n 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名 趴义日期：坤t 月3 f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： i 、保密 2 、不保 年解密后适用本授权书。 ( 请在以上相应方框内打“扩) 弋日期：蟠r 月弓1 日 刷程铷小醐：年月日 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源与研究背景 某化工有限公司年产“1 2 万吨脂肪胺”是该公司新上马的化工生产项目。该公司主要 生产和供应脂肪胺、表面活性剂、精细化学品三大系列产品。其主要产品有：脂肪烷基叔 胺系列产品如十二烷基叔胺、双辛烷基叔胺、三( 十六) 烷基叔胺；脂肪烷基伯胺系列产 品如椰油基伯胺、牛脂基伯胺，丙撑二胺系列产品如油脂基丙撑二胺、牛脂基丙撑二胺， 以季铵盐系列产品，如柔软剂、杀菌剂；乙氧基化系列产品如脂肪胺聚氧乙烯醚，磺化系 列产品如k 1 2 ：染料分散剂系列、医药中间体系列、纺织助剂系列产品等为代表的优质 产品被广泛应用于洗涤用品、个人护理用品、化妆品、纺织、印染、采矿、浮选、沥青、 杀菌剂、建筑、塑料加工、医药及石油化工等各个领域。 脂肪胺生产的主要原料是脂肪酸，脂肪酸是由碳、氢、氧三种元素组成的一类化合物， 是中性脂肪、磷脂和糖脂的主要成分。根据脂肪酸分子结构中碳链的长度分为短链脂肪酸 ( 碳链中碳原子少于6 个) ，中链脂肪酸( 碳链中碳原子扣1 2 个) 和长链脂肪酸( 碳链 中碳原子超过1 2 个) 三类。脂肪酸( f a t t ya c i d ) 具有长烃链的羧酸，通常以酯的形式为 各种脂质的组分，以游离形式存在的脂肪酸在自然界很罕见。大多数脂肪酸含偶数碳原子， 因为它们通常从2 碳单位生物合成。高等动、植物最丰富的脂肪酸含1 6 或1 8 个碳原子， 如棕榈酸( 软脂酸) 、油酸、亚油酸和硬脂酸。动植物脂质的脂肪酸中超过半数为含双键 的不饱和脂肪酸，并且常是多双键不饱和脂肪酸。细菌脂肪酸很少有双键但常被羟化，或 含有支链，或含有环丙烷的环状结构。某些植物油和蜡含有不常见的脂肪酸。不饱和脂肪 酸必有1 个双键在c ( 9 ) 和c ( 1 0 ) 之间( 从羧基碳原子数起) 。脂肪酸的双键几乎总是 顺式几何构型，这使不饱和脂肪酸的烃链有约3 0 0 的弯曲，干扰它们堆积时有效地填满空 间，结果降低了范德华相互反应力，使脂肪酸的熔点随其不饱和度增加而降低。脂质的流 动性随其脂肪酸成分的不饱和度相应增加，这个现象对膜的性质有重要影响。饱和脂肪酸 是非常柔韧的分子，理论上围绕每个c c 键都能相对自由地旋转，其构相范围很广【1 】o 在工业上脂肪酸可用于丁苯橡胶生产中的乳化剂和其它表面活性剂、润滑剂、光泽剂； 在日用品领域还可用于生产高级香皂、透明皂、硬脂酸及各种表面活性剂的中间体；某些 脂肪酸还可作为食品添加剂用于提高婴儿的智力。 1 浙江工业大学硕士学位论文 该公司年产“1 2 万吨脂肪胺”是国内少数几家采用新工艺生产的厂家之一，脂肪胺的 生产按工艺流程可分为4 个工段：脂肪腈反应、脂肪腈蒸馏、脂肪胺反应、脂肪胺蒸馏， 反应集中在脂肪腈、脂肪胺生成两个工段，腈蒸馏、胺蒸馏为提纯阶段。 脂肪胺四个工段的生产系统采用浙大中控的j x - 3 0 0 x 系统d c s 进行自动控制，控制、 显示信号点多达4 4 8 个。由于原料和产品属易燃易爆，为保证生产过程的安全，现场的温 度、压力、流量、液位等6 3 个模拟量输入信号、2 3 个模拟调节输出信号均经过防爆隔离安 全栅。除常规的单回路p i d 控s u # - ，在反应釜升温控制中，为提高控制效果，引入了先进 的控制方法一模糊控制系统。 1 2 间歇生产控制技术研究现状 脂肪胺生产的反应过程在间歇式反应器( 反应釜) 中进行，其反应过程是典型的间歇 反应。间歇式反应器是将反应物料分批或一次加入反应器中，经过一定的反应时间后，取 出反应器中的所有物料，然后重新加入反应物料再进行反应。间歇式反应器通常用于生产 批量小、反应时间长或反应的全过程对反应温度有严格程序要求的场合。间歇反应器的控 制大多数应用时间控制的方式，脂肪胺生产过程的升温设定值即是按照一个预先规定的时 间程序进行变化1 2 矾。 从查新的结果看，有关脂肪胺反应釜先进控制的方案资料甚少，各类期刊鲜有报道。 究其原因主要是目前国内各主要生产厂家仍以常规控制方案( p d 调节) 为主，有的厂家 甚至仍采用手工操作方式。有关间歇反应器的控制方式见诸报刊较多，下面分别予以说明。 早期的反应釜控制多为位式调节的单回路控制系统，对于重要的环节设计有串级调节 系统。不论是单回路还是串级调节系统，其采用的p i d 控制算法简单、易于实现，控制 效果较手动控制有很大提高。众所周知，p i d 控制对于具有精确数学模型的线性过程可以 取得良好的控制效果，而间歇反应过程分为多个阶段，每个反应阶段都有不同的反应特性， 加之反应釜本身的非线性、时滞性、多耦合等特点，其数学模型很难建立，故p i d 调节 难以满足反应釜的过程控制要求【4 1 4 】。 随着现代控制理论的发展，尤其是智能控制理论发展，智能化的反应釜过程控制方案 如专家系统和专家控制，模糊控制、神经元网络控制、遗传算法等，在反应釜控制中的应 用越来越多。目前先进的反应釜智能控制系统多采用将先进的智能控制论理论与传统的控 制策略相结合的方法，如基于模型的预测控制、自适应控制、直接使用模糊控制的反应釜 温度控制方法、基于神经元网络的直接自适应控制、s m i t h - 模糊控制方法、用遗传算法寻 最优p i e ) 参数来控制非线性系统的模型参考自适应控制方法等，在反应釜的温度控制中 浙江工业大学硕士学位论文 都有应用【4 5 “4 】。下面简述几种应用于间歇过程的控制方法。 ( 1 ) 基于模型的预测控制( m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 御c ) 模型预测控制是一种基于模型的闭环优化控制策略。其算法核心是使用可预测过程未 来行为的动态模型，引入模型误差的反馈校正机制，采用滚动式的有限时域优化策略，反 复在线优化局部目标，以得到一个顾及了模型失配和干扰引起的不确定性的符合实际的最 优控制。 预测控制并不采用一个不变的全局优化目标，而是采用滚动式的有限时域优化策略。 其优化过程不是一次离线进行，而是在线反复进行。尽管这种优化方式只能得到全局的次 优解，但由于采用了反馈校正、迭代计算和滚动实施，始终把优化建立在实际的基础上， 能使控制结果达到实际意义上的最优。模型预测控制具有控制效果好，鲁棒性强等优点。 并能方便的处理过程被控变量和操纵变量中的各种约束【3 7 名1 4 】。 ( 2 ) 自适应控制 自适应控制的发展有近5 0 年的历史，它是先进的辨识技术与现代控制理论相结合的 产物。当对被控过程的本身特性及其外部环境了解不多，或者他们在运行过程中参数有较 大变化时，自适应控制能根据对象实际运行情况自动调节控制规律，以达到实时控制的目 的。现在较为成熟的自适应控制主要有p i d 参数自整定自适应控制、模型参考自适应控 制、无模型自适应控制等，并已经实际应用于间歇化学反应器的温度控制当中【3 1 。 早期的反应釜自动控制装置主要采取单元组合仪表组成控制系统，由于反应过程存在 严重的非线性和时滞特性，简单的位置式控制不仅较难达到预期精度，部分场合还因超调 过大而导致生产产品失败。在一些中大型化工厂，目前广泛应用于间歇反应釜生产过程的 控制装置多为集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m - d c s ) 。它把分散的、单回路的 测量和控制系统用计算机进行统一管理，用各种i o 板卡代替控制室的各种仪表，利用计 算机的强大功能，对工业生产过程集中进行实时检测、控制、参数调节、报警显示和存储 历史数据等操作。随着现场总线的出现，一种集计算机、通讯和控制技术为一体的现场总 线( f i e l db u s ) 技术逐步成熟和发展起来，并已应用到工业过程控制领域，形成现场总线 控制系统( f c s ) ，由于其在数据传输方面的优势，将逐步取代d c s 1 4 1 。 ( 3 ) 神经网络控制 2 0 世纪8 0 年代以来，人工神经网络的发展有了突破性的进展。作为建模工具，人工 神经网络不需要预先对模型的形式结构和参数加以限制，只需要根据实际过程的运行数据 就可以自动寻找输入与输出的映射关系，因此神经网络尤其适合对未知的系统进行建模。 浙江工业大学硕士学位论文 在实际控制应用中，常采用一种基于反馈神经网络的预测控制，将两个神经元网络串联起 来进行外部反馈，产生一个状态空间的映射。在噪音、干扰、不可预测过程变动存在的情 况下，可靠性和精确性不断提高。将基于反馈神经网络模型预测控制其应用于间歇式化学 反应器的模型预测控制，并将其与传统的前馈神经元网络的预测器的控制性能进行了对 比，在各种操作条件和干扰下的结果证明了此方案的优越性。一种混合a n n 模型的预测 控制方法并将其用于间歇式聚合反应过程，结果表明此模型比传统方法的“黑箱模型具有 更大的优越性。基于上述思想，有人又提出了将多个神经网络与简化机理模型相结合的混 合层叠式神经网络模型预测控制，并将其用于间歇式聚合反应。此种混合a n n 模型的预 测控制中，神经网络的训练数据是将聚合物质量的样本数据经3 次样条插值后产生，与基 于混合单一神经网络的预测控制相比，此种预测控制具有更好的鲁棒性【9 加1 4 1 。 ( 4 ) 模糊控制 非线性、时滞、时变、反应机理复杂是影响间歇聚合反应过程的主要因素，常规控制 方法难以奏效。然而，具有丰富经验的操作人员却能运用人所特有的观察、推理和学习能 力，通过直觉即可以安全而有效地对反应过程进行控制。模糊控制的最大特征是它能够将 操作者或领域专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去 控制系【3 】统。它具有高度的仿人智能特性、不依赖精确数学模型的特点，是解决间歇聚合 反应过程问题的一种有效方法。文献【l l 】以间歇聚丙烯反应器为对象，参考熟练操作工的 控制经验，得出了较好的实验结果。文献【1 2 】给出了基于规则的t a k a g i s u g e n 0 的比例微分 模糊控制算法在间歇式苯乙烯聚合反应器控制中的仿真研究情况。文献【1 3 1 主要针对聚合 反应釜的大惯性、大时滞特性进行多种模糊控制方案的研究。根据模糊控制本身的特点， 有效地克服实际系统中的非线性及干扰，而且完全符合系统的工作过程【1 4 】。 目前在间歇式反应釜升温的控制上，见诸报端的控制方案有以下几种：常规的p i d 控制、专家控制系统、模型预测控制、模糊自适应控制。这几种控制方案在对反应釜升温 的控制上各有所长，都有成功的应用。但关于脂肪胺生产过程的控制方案中，上述几种先 进控制方法的应用未见报道。 本人对模糊控制系统进行了较为系统的学习和研究，本文的重点是介绍脂肪胺生产反 应釜升温模糊控制系统与工程实现。 1 3 脂肪胺反应釜升温控制方案论证 脂肪胺的生产与蒸馏分为四个工段。分别是脂肪腈反应、脂肪腈蒸馏、脂肪胺反应、 脂肪胺蒸馏，反应集中在脂肪腈、脂肪胺生成两个工段。脂肪腈、脂肪胺的反应生成过程 4 浙江工业大学硕士学位论文 是典型的间歇反应。在整个工艺过程控制中有三个难点：反应釜的温度控制、蒸馏结束的 判断与显示和生产步序的显示。 本人从事了该项目的工程设计、设备安装、现场调试以及现场投运工作。从目前我们 了解到的情况看，关于脂肪胺生产过程中反应釜温度控制的方案多以手动控制或传统的 p i d 为主。在工况稳定的时候p i d 控制可以起到一定的作用，在工况不稳定的时候，主要 是靠手操为主。有经验的操作工会根据目前的温度与预期温度进行合理的分阶段p i d 调 节，控制效果较好。但存在的问题也比较多。 ( 1 ) 操作工的精神状态会影响操作的效果； ( 2 ) 不同的操作工有不同的操作习惯，在换接班的时候改变p i d 参数影响控制效果； ( 3 ) 不能保证每个操作工都能达到相同的操作水平，也不能保证每个操作工都能达 到最佳的精神状态。 把这个复杂的升温过程通过基于模糊理论的模糊控制系统来实现，有以下优点： ( 1 ) 模糊控制系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦的工作； ( 2 ) 模糊控制系统解决实际问题时不受周围环境影响，也不可能遗漏、忘记； ( 3 ) 模糊控制系统使专家的特长不受时间和空间的限制： c 4 ) 模糊控制系统的研究和应用具有较大的经济效益。 基于以上考虑，借助i x 3 0 0 x 控制系统，在积累了丰富的现场操作工经验的基础上， 拟构造一个基于模糊控制理论的、适合反应釜升温控制的模糊控制系统，来代替操作工的 日常操作，保证反应釜升温按照预先设定的时间顺序进行【3 5 1 。 1 4 本文所作的工作 本文的重点是进行模糊控制系统在脂肪胺反应釜升温控制中的应用研究。全文共分六 章，内容组织如下： 第l 章简要介绍了课题来源和选题意义，对目前的间歇式反应釜的先进控制方案进 行了综述。 第2 章详细介绍了模糊控制系统的发展和应用前景，并给出了模糊控制系统的开发 步骤。 第3 章详细介绍了脂肪胺生产各工段的工艺流程，并给出了脂肪胺生产四个工段控 制方案框图和基于p i d 调节的常规控制方案。 第4 章通过对脂肪胺反应釜升温过程特性分析，指出常规p i d 调节在反应釜升温 控制中的存在的问题，并给出了反应釜升温过程模糊控制系统设计和实现方案。 气 浙江工业大学硕士学位论文 第5 章简要介绍了集散控制系统( d c s ) 的特点，给出了脂肪胺生产过程控制系统 的组态和工程实现。 第6 章对本文的工作进行了总结，提出了需要进一步研究的问题。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章模糊控制系统的发展与应用研究 2 1 模糊控制的发展历程与应用现状 经典控制理论依赖建立在频率法基础上的高阶微分方程来描述系统运动状态的数学 模型，主要处理一些单输入单输出的线性定常反馈控制系统。现代控制理论则依赖建立在 时域法基础上的一阶微分方程组( 状态方程) 或者差分方程组，主要解决那些多输入多输 出时变系统的控制问题。不论是经典控制理论还是现代控制理论，都是建立在系统的精确 数学模型基础之上。对于那些难以建立精确数学模型的系统以上两种方法都难以达到预期 的控制效果，智能控制正是在这种现实条件下应运而生【3 1 6 。 2 1 1 模糊控制的起源 1 9 6 5 年美国自动控制理论专家l a z a d e h 首次提出了模糊集合理论，主要包括模糊 集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面的内容1 2 3 5 3 。 1 9 6 6 年，e n m a r i n o s 发表了有关模糊逻辑的研究报告。这一报告标志着模糊逻辑的 诞生。模糊逻辑和经典的二值逻辑的不同之处在于：模糊逻辑是一种连续逻辑，一个模糊 命题是一个可以确定隶属度的句子，它的真值可取 o ，1 】区间中的任何数。很明显，模糊 逻辑是二值逻辑的扩展，而二值逻辑只是模糊逻辑的特例。模糊逻辑有着更加普遍的实际 意义，它突破了二值逻辑简单的肯定或否定，把客观逻辑世界看成是具有连续隶属度等级 变化的。它允许一个命题亦此亦彼，存在着部分肯定和部分否定，只不过隶属程度不同而 已。这就为计算机模仿人的思维方式来处理普遍存在的语言信息提供了可能，因而具有划 时代的现实意义【3 1 。 1 9 7 4 年，z a d e h 进一步研究了模糊逻辑推理，此后，模糊系统理论逐渐成为一个热 门课题。目前，模糊系统在理论和应用两方面都取得了长足的进步，为包括模糊控制在内 的先进技术提供了强有力的理论支持【1 5 】。 2 1 2 模糊控制的发展 早期的模糊控制器是一种基于语言控制规则的控制器，这些控制规则主要来源于操作 者的操作经验和设计者对于特定过程的专家知识，它适用于控制难以建模的或模型有较大 不确定性的一类过程。当时，模糊控制器普遍采用m a m d a n i 的基于规则的控制器结构。 浙江工业大学硕士学位论文 进入2 0 世纪8 0 年代以后，模糊控制器出现了多种改进形式，其目的主要是对付那些用控 制规则难以描述，即缺少操作经验和专家知识的过程，以及具有强非线性和大时滞等特性 的过程。借鉴人脑对复杂对象进行随即识别和判决的特点，人们用模糊集理论设计了各种 自适应、自组织、自学习的模糊控制器。此外，还出现了模糊p i d 混合控制、模糊s m i t h 预估控制、预见式模糊控制等新的控制策略。2 0 世纪9 0 年代至今，随着模糊控制在流程 工业中应用的增多以及各种新的智能信息处理和优化方法的不断涌现，模糊控制方法也得 到不断的丰富和发展；出现了模糊p i d 控制、模糊监督控制以及模糊逻辑与神经网络、 遗传算法相结合的控制等新形式【3 1 7 1 。 在模糊控制理论研究方面，2 0 世纪7 0 年代末，曾出现了模糊控制的算法结构、模糊 控制规则分析、模糊控制器的多值继电器模型、最优模糊控制器的代数模型及语言模型分 析方法等大量理论成果。此外，在模糊模型辩识方面也有一些开创性探索。2 0 世纪8 0 年 代中期以来，模糊控制技术的大量成功应用进一步促进了这一领域的理论研究。人们试图 将自动控制学科中一些较成熟的理论和方法引入模糊控制以建立其理论框架，它的主要理 论成果有模糊控制系统数学描述和稳定性及功能分析、模糊控制系统的设计理论、非线性 模糊自适应控制及多变量模糊控制系统等。在此期间，基于规则的模糊模型、模糊关系模 型和模糊分段线性模型的辩识已形成了较为成熟的方法。基于模糊模型的控制，如模糊内 模控制和模糊预测控制，已成为模糊控制研究的新热点f 3 明。 尽管如此，模糊控制理论的发展仍滞后于模糊控制应用的发展，缺乏系统、完善的理 论结构框架。这已成为阻碍模糊控制技术推广应用的一个主要因素。模糊控制在本质上是 一种非线性控制，其本身的复杂性加之非线性系统理论尚不成熟，使得目前难以建立类似 线性控制理论那样完善的模糊控制理论。从应用的角度看，模糊控制理论应能够阐述模糊 控制系统的基本性质，提供可行的分析方法和实用的综合方法。 2 1 3 模糊控制的特点 模糊控制之所以能获得如此迅速的发展，是因为它具有鲜明的特点【3 1 8 】： ( 1 ) 模糊控制系统不依赖于被控对象的精确数学模型，其控制规则是建立在现场操 作人员的经验和对现场操作数据的总结之上； ( 2 ) 以语言变量代替常规的数学变量，易于把操作工的专项技能上升为专家的知识， 在非线性系统的控制中对参数的变化有较强的适应性： ( 3 ) 控制系统具有较强的鲁棒性，对于非线性、时变的滞后系统，其动态和静态特 性均优于常规的p i d 控制； 浙江工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 推理过程模仿人的思维过程，介入了人类的经验，能够处理复杂甚至“病态刀 的系统【1 9 1 。 模糊控制是模糊系统理论应用最有效、最广泛的领域，模糊控制在各种领域出人意料 地解决了传统控制理论无法解决或难以的问题，并取得了一些令人信服的成效。 2 1 4 模糊控制的应用现状 1 9 6 5 年z a d e h 关于模糊集合的概念标志着模糊系统理论的诞生，也突破了经典集合 论中属于或不属于的二元性关系。模糊理论成功的应用首先是在自动控制领域，1 9 7 4 年 m a m d a n i 及其同事首次将模糊推理成功地应用于蒸汽机控制，此后有关模糊控制及应用 的报道日渐增多。模糊控制系统的研制和开发明显地趋向于商业化，直接服务于生产企业， 产生了明显的经济效益。 1 9 8 0 年，h o l m b l a d 和o s t e r g a a r d 将模糊控制器成功地安装在水泥窑炉上，并开发出 第一个商品化的模糊控制器。1 9 8 5 年，a t & t 贝尔实验室的t o g a i 和w a t a n a b e 设计出第 一块模糊逻辑芯片。1 9 8 7 年，基于y a m a k a w a 的模糊计算机雏形，o m r o n 公司研制出第 一代模糊微处理机。在模糊控制器开发中，y a m a k a w a 设计了首台采用推理的高速控制器 硬件系统，并成功地应用于两个具有不同参数的倒立摆的控制。进入2 0 世纪9 0 年代，日 本推出了大量采用模糊控制的家用电器产品，引发了一场波及全球的“模糊热”，伎模糊 控制技术得到了加速发展，同时也促使西欧和美国等加大了对模糊控制技术开发和应用的 投入【3 1 。 模糊控制是一种以模糊集合、模糊逻辑和模糊运算为基础的计算机先进控制技术。随 着数字技术的飞速发展，过程工业越来越多地使用计算机控制系统，如d c s 、p l c 等作 为过程自动化的平台。近年来，不少控制系统制造商已将模糊控制作为其d c s 系统、p l c 系统以及现场总线控制系统的一个功能模块，或提供硬件支持，或采用软件实现。 在d c s 控制系统中，f o x b o r o 公司在其i a 系列产品中使用了i n f o r m 公司的软件工 具f u z z y t e c h ；s i e m e n s 公司为其d c s 系统t e l e p e r m - m 的现场控制站a s 2 3 0 a s 2 3 5 ( h ) 开发了模糊化、规则确定和模糊判决软件；y o k o g a w a 公司的c e n t u m x l 和p x l d c s 可 实现模糊控制功能；浙大中控的j x - 3 0 0 x 型d c s 也提供了模糊控制模块。 在p l c 控制系统中，s i e m e n s 公司的s 5 1 3 5 u 和s 5 1 5 5 u 型p l c 采用的是标准模糊 控制软件包；德国a e g 公司的m o d i c o na 1 2 0 型和a 2 5 0 型p l c 则采用模糊控制硬件模 块；f i s h e r - r o s e m o u n t 公司在其新一代基于现场总线的控制系统d e l t a v 中内嵌了先进控 制软件组，其中包括模糊控制、神经网络控制和预测控制等软件。 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 模糊控制系统的开发步骤 模糊控制系统的实质是一种计算机程序。它使用人类专家推理的计算机模型来处理现 实世界中需要专家做出解释的复杂问题或某个高技能专业人员进行的某项专业操作。模糊 控制系统涉及的主要推理方法是基于模糊理论的模糊逻辑。 在人类专家或某些熟练操作者控制的工业过程中，一般根据被控量的误差e 、误差的 变化e c 和误差变化的变化即误差变化的速率e r 进行决策，一般选择控制量的增量作为 模糊控制器的输出变量【1 6 2 0 1 。 人对误差最敏感，其次是误差的变化，再次是误差变化的速率。模糊控制器的输入变 量通常取e ，或e 、e c ，或e 、e c 、e r ，分别构成一维、二维、三维模糊控制器。一维 模糊控制器的动态性能不佳，通常用于一阶被控对象：二维模糊控制器的控制性能和控制 复杂性都比较好，是目前广泛采用的一种形式【2 1 1 。图2 1 是模糊控制器的一般构造【1 6 1 。 模糊控制器 e 1 r l 。网肥。 模糊控制器 7 幽7 ( a ) 一维模糊控制器( b ) 二维模糊控制器 e + 髟 l r l 广1 模糊控制器， 1 1 翘l e c 、 7 刨 。网e r 。 7 i 出l 7 ( c ) 三维模糊控制器 图2 1 模糊控制器的一般构造 2 2 1 模糊控制器的i o 变量及其模糊化 ( 1 ) 输入、输出变量及其描述 浙江工业大学硕士学位论文 在模糊控制中，输入输出变量大小是以语言形式描述的，因此要选择描述这些变量的 词汇。我们的日常语言中对各种事物和变量的描述，总是习惯于分为三个等级，如物体的 大小分为大、中、小；运动的速度分为快、中、慢；年龄的大小分为老、中、青；人的身 高分为高、中、矮；产品的质量分为优、中、劣( 或一、二、三等) 。所以，一般都选用 “大、中、小三个词汇来描述模糊控制器的输入、输出变量的状态，再加上正负两个方 向和零状态，共有七个词汇： 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 一般用这些词的英文字头缩写为： n b ，n m ，n s ，z ，p s ，p m ，p b ) 一般情况下，选择上述七个词汇比较合适，但也可以多选或少选。选择较多的词汇可 以精确描述变量，提高控制精度，但使控制规则变得复杂；选择的词汇过少使变量的描述 太粗糙，导致控制器性能变坏。 为了提高系统稳态精度，通常在误差接近于零时增加分辨率，将“零”又分为“正零 和“负零，因此，描述误差变量的词集一般取为： 负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大 用英文字头简记为： 从基本论域kb 】到模糊子集论域【_ n , h i 的转换公式为： y ：兰 工一业】 ( 2 1 ) 2 - b 一_ j 上。lj d 一口z 浙江工业大学硕士学位论文 增加论域中的元素个数可提高控制精度，但增大了计算量，而且模糊控制效果的改善 并不显著。一般选择模糊论域中所含元素个数为模糊语言词集总数的二倍以上，确保诸模 糊集能较好地覆盖论域，避免出现失控现象。例如在选择上述七个词汇情况下，可选择昱 和晟的论域均为： 一6 ，一5 ，- 4 ，- 3 ，2 ，- 1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 选择模糊控制器的输出变量即系统的控制量u 的论域为： 7 ，- 6 ，一5 ，4 ，一3 ，一2 ，- l ，o ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ) ( 3 ) 变量的隶属度 为实现模糊化，要在上述离散化了的精确量与表示模糊语言的模糊量之间建立关系， 即确定论域中的每个元素对各个模糊语言变量的隶属度。隶属度是描述某个确定量隶属于 某个模糊语言变量的程度。隶属函数的形式有多种，确定隶属函数要根据实际问题的具体 情况而定。常用的隶属函数有三角形、正态型和梯形。尽管人进行控制活动时的模糊概念 用正态型模糊变量描述比较合理，但三角形和梯形的隶属函数在使用中比较方便而广受欢 迎。下面为三种函数的解析式及曲线。 三角形隶属函数 其解析式为：a ( a ) = x - b 6 工s 口 a b c - - x 口工c c 一口 0工 b 其隶属函数曲线如图2 2 所示。 从力 图2 - 2 三角形隶属函数曲线 正态型隶属函数 其解析式为：( 彳) = 口一七( 一) 2 七 o 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 其隶属函数曲线如图2 3 所示。 反力 梯形隶属函数 其解析式为：( 彳) = 口 图2 3 正态形隶属函数曲线 x 口 口石 b 6 z d 其隶属函数曲线如图2 - 4 所示。 从功 ab c d 图2 4 梯形隶属函数曲线 2 2 2 模糊控制规则的建立 模糊控制是语言控制，因此要用语言归纳专家的手动控制策略，从而建立模糊控制规 则表。手动控制策略一般都可以用条件语句加以描述。条件语句的基本类型为： i faa n dbt h e nc 例如锅炉燃烧控制规则之一为： 若“主汽压力偏低，且主汽压力变化偏慢， 则“增大给煤量 川一叫吖一吖 0 x 一6 d j o 浙江工业大学硕士学位论文 用条件语句表达为： i fb 柏a n de c = n b t h e n 泸p b 上述规则中，误差e 、误差变化e c 及控制量u 对于不同的被控对象有着不同的物理 意义。例如，锅炉的主汽压力与加热的关系；气轮机转速与阀门开度的关系；反应釜升温 与导热油热循环的关系等。 2 2 3 模糊关系与模糊推理 模糊控制规则实际上是一组多重条件语句，可以表示为从误差论域到控制量论域的模 糊关系矩阵r 。通过误差的模糊向量e 和误差变化的模糊向量e c 与模糊关系尺的合成进 行模糊推理，得到控制量的模糊向量，然后采用“清晰化”方法将模糊控制向量转换为精 确量。根据模糊集合和模糊关系理论，对于不同类型的模糊规则可用不同的模糊推理方法。 由于系统的控制规则库是由若干条规则组成的，对于每一条推理规则都可以得到一个相应 的模糊关系，n 条规则就有n 个模糊关系。 2 2 4 模糊控制向量的模糊判决：清晰化” 由模糊推理得到的结论或者操作是一个模糊向量，不能直接应用，需要先转化为确定 值。这一过程称为“模糊决策”或者“模糊判决 、“解模糊，、“清晰化 等。下面是几种 最常用的方法。 ( 1 ) 最大隶属度法 这种方法是在模糊向量中，取隶属度最大的量作为推理结果。例如，当得到模糊向量 为： u = 0 4 3 + o 7 4 + 0 8 5 + 0 7 6 + 0 。3 7 由于推理结果隶属于等级5 的隶属度0 8 为最大，所以取结论为u = 5 。 如果与两个以上的元素均为最大( 一般依次相邻) ，则可以取它们的平均值。例如 u = o 5 一3 + o 5 一2 + o 5 一1 + 0 0 0 + 0 0 i + 0 0 2 + 0 0 3 则： u ：二! 二三二! ：一2 3 这种方法的优点是简单易行，缺点是完全排除了其他隶属度较小的量的影响和作用， 没有充分利用取得的信息。 ( 2 ) 加权平均判决法 浙江工业大学硕士学位论文 数。 为了克服最大隶属度法的缺点，可以采用加权平均判决法，即： 例如： ( ) 嘞 u = 掣r 一 ) i = l u = 0 1 2 + o 8 3 + 1 0 4 + o 8 5 + 0 1 6 ( 2 2 ) 则： 【，：兰兰竺：! 兰兰垒：墨兰兰! ：q 曼兰q ：璺鱼兰q ：! ：4 i ，一 0 1 + 0 8 + 1 o + 0 8 + 0 1 ( 3 ) 中位数法 论域上把隶属函数曲线与横坐标围成的面积平分为两部分的元素称为模糊集的中位 中位数法就是把模糊集的中位数作为系统控制量，当论域为有限离散点时，中位数u 。 可以用下列公式求取： 例如， o _ ( 吩) = o ，) i t 。l j = u + l ( 2 3 ) u 。= 0 5 - 3 + 0 3 - 2 + 0 1 - l + 0 i 0 + 0 1 1 + 0 4 2 + 0 5 3 由于嘶= - 3 ，u 7 - - - 3 ，则当”= 心时，( 吩) = ( 嘶) = 1 ，所以中位数为甜= u 4 = 1 ， 而u ：1 。 机心 如果该点在有限元素之间，可用插值的方法来求取。例如： u = 0 5 一3 + o 3 一2 + o 1 一1 + 0 0 0 + 0 4 1 + 0 5 2 + 0 1 3 显然，”在元素0 和1 之间。这时，可用线性插值处理，即令； a u = 1 0 ( 0 9 + 1 o ) = 0 5 2 6 ，所以取u = 站4 + a u = o 5 2 6 。 与最大隶属度法相比，这种方法利用了更多的信息，但计算比较复杂，特别是在连续 隶属度函数时，需要求解积分方程，因此应用场合要比加权平均法少。 加权平均法比中位数法具有更佳的性能，而中位数法的动态性能要优于加权平均法， 静态性能则略逊于加权平均法。使用中位数法的模糊控制器类似于多级继电器控制，加权 浙江工业大学硕士学位论文 平均法则类似于p i 控制器。一般情况下，它们都优于最大隶属度法。 2 2 5 模糊控制规则表 模糊关系、模糊推理以及模糊判决的运算可以离线进行，最后得到模糊控制器输入 量的量化等级e 、瞄输出量即系统控制量的量化等级u 之间的确定关系，这种关系通常 称为“控制规则表，如表2 1 所示。 表2 1 模糊控制规则表 e u n bn mn sz p sp mp b n b p bp bp mp mp sp sz n m p bp mp mp sp szn s n sp mp m p s p s zn s n s e czp m p sp szn sn sn m p s p sp szn sn sp mn m p m p szn sn sn mn mn b p b zn sn sp bn mn bn b 计算机实时控制时只要将a d 得到的误差e 和误差的变化e c r 进行量化，得到相应的等 级e 和e c ，然后从文件中直接查询所需采取的控制输出量阢 2 2 6 实际控制量的确定 实际的控制量u 应为从控制表中查到的量化等级睬以比例因子。设实际的控制量u 的 变化范围为陋，6 】，量化等级为 - n ，一刀+ 1 , - - - , 0 , ，n - 1 ，n ) ，则实际的控制量应为 ：下a + b + 譬u ( 2 - 4 ) 肛丁+ 1 u 若口一y 。，6 2 y 。，则豁2 昔汐 2 2 7 控制算法的工程实现 根据上述控制原理，可以用多种方法实现控制算法。 ( 1 ) 查表法 查表法是应用最早、最广的方法。这种方法是离线完成模糊推理，得到控制规则表， 然后将控制规则表存入计算机，在线控制时只要进行简单的查表操作，一般的单片机就能 浙江工业大学硕士学位论文 完成，而且实时性好。查表法的缺点是当改变