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1、(10)申请公布号 CN 103869696 A (43)申请公布日 2014.06.18 CN 103869696 A (21)申请号 201410100443.8 (22)申请日 2014.03.19 G05B 13/00(2006.01) (71)申请人 长春工业大学 地址 130012 吉林省长春市延安大街 2055 号 (72)发明人 李慧 李秀歌 张德江 尤文 李颖 王珂鑫 果芯如 (54) 发明名称 一种蒸馏参数解耦控制方法 (57) 摘要 一种蒸馏参数解耦控制方法涉及蒸馏过程参 数控制领域， 该方法利用模糊前馈解耦控制器结 合常规 PID 控制器， 实现蒸馏过程中蒸馏温度和 蒸。
2、馏压力的解耦控制。本发明有效消弱了蒸馏温 度和蒸馏压力的耦合性影响， 提高了蒸馏过程中 单一变量 （蒸馏温度或蒸馏压力） 的控制精度和系 统稳定性， 提高了蒸馏产品质量， 有利于蒸馏过程 节能。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103869696 A CN 103869696 A 1/1 页 2 1. 一种蒸馏过程参数解耦控制方法， 其特征在于， 该方法包括如下步骤 ： 步骤一、 设定蒸馏过程控制中温度和压力稳态值， 系统开始运行。
3、 ； 步骤二、 通过现场执行机构级的温度和压力传感器实时检测蒸馏过程系统的温度和压 力实测值， 将数据通过 MPI 通信传递到 PLC 控制器 ； 步骤三、 PLC 控制器与组态软件进行以太网数据通信， 组态软件与 MATLAB 通过 OPC 通 信， 这样 MATLAB 就通过 PLC 与蒸馏温度和蒸馏压力建立了连接， PLC 以组态软件为桥梁将 数据传递给 MATLAB 中的 SIMULINK 中， SIMULINK 中集成设计了模糊解耦控制算法， 经过算 法计算， 将输出再返回 PLC 控制器 ； 步骤四、 PLC 控制器将获取的现场执行机构级数据信息及经过模糊解耦控制算法计算 的输出，。
4、 通过 INTERNET 网络传输到上位机监控级， 监控级负责所有数据的保存和查询 ； 步骤五、 PLC 控制器在上传数据到上位机的同时， 下传控制信号到执行机构， 执行机构 通过调节热油机电压调节蒸馏温度， 调节真空阀门的开度调节蒸馏压力， 将整个系统变化 到指定的工况下 ； 步骤六、 现场传感器及检测变送环节将调节信号同步传输至 PLC 控制器。 2. 根据权利要求 1 所述的一种蒸馏过程参数解耦控制方法， 其特征在于 ： （1） 步骤二中所述的现场执行机构级的温度传感器可以是热电偶， 压力传感器可以是 稳定型电阻真空规管 ； （2） 步骤三中所述的组态软件可以是以组态王、 IFIX 为代。
5、表的工业过程控制组态软件。 3. 根据权利要求 1 所述的一种蒸馏过程参数解耦控制方法， 其特征在于 ： 所述的模糊 解耦控制包含两个单独的二维模糊前馈控制器， 温度模糊前馈控制器和压力模糊前馈控制 器， 模糊前馈控制器负责将输入值进行模糊化， 按照专家制定的模糊控制规则进行模糊推 理， 推理得到的模糊值进行解模糊化， 得到精确的系统控制量， 控制量输出作用于蒸馏温度 和蒸馏压力的动态数学模型， 实现温度和压力的解耦控制 ； 蒸馏温度和蒸馏压力的动态数 学模型可以通过系统辨识的方法得到。 权 利 要 求 书 CN 103869696 A 2 1/5 页 3 一种蒸馏参数解耦控制方法 技术领域 。
6、0001 本发明涉及一种蒸馏过程参数解耦控制方法， 具体地说是一种针对蒸馏过程中温 度和压力的模糊解耦控制方法。 背景技术 0002 蒸馏系统是一个多输入多输出的大系统。物料在分离提纯过程中受蒸发温度、 蒸发压力、 进料速度等参数影响， 其中温度和压力相互影响， 耦合性较强， 现有的蒸馏控制 系统没有考虑蒸馏温度和蒸馏压力的强耦合， 在参数控制中没有进行温度和压力的解耦控 制， 因此很难实现准确的单一参数 （温度或者压力） 控制， 这种蒸馏参数控制的不准确性， 严 重影响了蒸馏产品质量。 0003 蒸馏装置主要包括蒸发器系统、 加热系统、 真空系统和进 / 出料系统。蒸馏加热系 统提供蒸馏温度。
7、， 真空系统提供蒸馏压力， 进 / 出料电机控制进 / 速度。其中系统的热油机 电压与蒸发器内压力 ； 真空阀门开度与蒸发内温度存在严重的不稳定耦合， 这种不稳定耦 合严重影响蒸馏过程中的温度和压力控制的准确性， 不满足蒸馏过程生产的实时性高的要 求， 对蒸馏产品质量和蒸馏过程系统稳定性有严重影响。 0004 目前可以检索到的有关蒸馏过程参数控制方面的文献均没有考虑变量间相互耦 合的影响， 特别是对蒸馏过程影响较大的温度和压力参数的解耦控制。因此， 提出蒸馏过 程温度和蒸馏压力解耦控制将有利于蒸馏过程中温度和压力参数的控制， 提高蒸馏产品质 量。 发明内容 0005 本发明的目的在于提供一种解。
8、除蒸馏过程中蒸馏温度和蒸馏压力耦合关系的模 糊解耦控制方法。 0006 本发明的实现方法 ： 本发明的蒸馏温度和蒸馏压力模糊解耦控制是基于以 PLC 为控制器的蒸馏分布式控 制系统实现的。分布式蒸馏控制系统由蒸发器系统、 温度控制系统、 真空度控制系统、 冷凝 器控制系统、 进 / 出控制系统和监控系统组成。其中温度控制回路提供蒸馏装置所需的温 度， 真空度控制系统提供蒸馏装置所需的压力。温度控制回路装置主要包括热油机， 夹套， 变压器， 热电偶传感器。压力控制回路装置主要包括旋片式真空泵、 液环真空泵、 扩散泵和 稳定型电阻真空规管。 从工业过程控制的角度划分， 蒸馏分布式控制系统可分为三级。
9、， 分别 是现场执行机构级、 PLC 控制级和上位机监控级。模糊解耦控制算法在基于 OPC 技术下应 用在 PLC 控制级。 0007 本发明的蒸馏温度和蒸馏压力模糊解耦控制实施步骤为。 0008 （1） 设定蒸馏过程控制中温度和压力稳态值， 系统开始运行。 0009 （2） 通过现场执行机构级的温度和压力传感器实时检测蒸馏过程系统的温度和压 力实测值， 将数据通过 MPI 通信传递到 PLC 控制器。 说 明 书 CN 103869696 A 3 2/5 页 4 0010 （3） PLC 控制器与组态软件进行以太网数据通信， 组态软件与 MATLAB 通过 OPC 通 信， 这样 MATLA。
10、B 就通过 PLC 与蒸馏温度和蒸馏压力建立了连接， PLC 以组态软件为桥梁将 数据传递给 MATLAB 中的 SIMULINK 中， SIMULINK 中集成设计了模糊解耦控制算法， 经过算 法计算， 将输出再返回 PLC 控制器。 0011 （4） PLC 控制器将获取的现场执行机构级数据信息及经过模糊解耦控制算法计算 的输出， 通过 INTERNET 网络传输到上位机监控级， 监控级负责所有数据的保存和查询。 0012 （5） PLC 控制器在上传数据到上位机的同时， 下传控制信号到执行机构， 执行机构 通过调节热油机电压调节蒸馏温度， 调节真空阀门的开度调节蒸馏压力。将整个系统变化 。
11、到指定的工况下。 0013 （6） 现场传感器及检测变送环节将实施及调节信号同步传输至 PLC 控制器， 系统 循环执行 （1） （5） 。 0014 本发明蒸馏系统温度和压力模糊解耦控制方法还可以包括。 0015 1、 组态软件可以是以组态王、 IFIX 为代表的工业过程控制组态软件。 0016 2、 现场执行机构级的温度传感器可以是热电偶， 压力传感器可以是稳定型电阻真 空规管。 0017 3、 模糊解耦控制包含两个单独的二维模糊前馈控制器， 温度模糊前馈控制器和压 力模糊前馈控制器。模糊前馈控制器负责将输入值进行模糊化， 按照专家制定的模糊控制 规则进行模糊推理， 推理得到的模糊值进行解。
12、模糊化， 得到精确的系统控制量， 控制量输出 作用于蒸馏温度和蒸馏压力的动态数学模型， 实现温度和压力的解耦控制。 0018 4、 蒸馏温度和蒸馏压力的动态数学模型可以通过系统辨识的方法得到。 0019 本发明的工作原理是 ： 本发明的核心部分是针对蒸馏过程中的蒸馏温度和蒸馏压 力存在强耦合， 难以实现单一变量准确控制， 同时蒸馏温度和蒸馏压力精确的数学模型难 以建立问题。在系统辨识和常规 PID 控制的基础上， 采用模糊前馈补偿器的原理进行蒸馏 温度和蒸馏压力的模糊解耦控制， 已达到解除温度和压力耦合的目的。 附图说明 0020 图 1 系统结构图。 0021 图 2 IFIX 组态软件与 。
13、MATLAB 数据通信结构图。 0022 图 3 MATLAB/SIMULINK 环境下的系统总体结构图。 0023 图 4 模糊解耦控制算法应用流程图。 0024 图 5 蒸馏温度模糊控制规则表。 0025 图 6 蒸馏压力模糊控制规则表。 0026 图 7 蒸馏温度模糊控制查询表。 0027 图 8 蒸馏压力模糊查询表。 0028 图 9 无解耦时温度和压力输出曲线。 0029 图 10 模糊解耦控制时温度和压力输出曲线。 具体实施方式 0030 以蒸馏温度和蒸馏压力为控制变量， 物料的纯度作为系统的输出量。系统的结构 说 明 书 CN 103869696 A 4 3/5 页 5 图如图 。
14、1 所示。结合图 1，和分别为系统的输入蒸馏温度和蒸馏压力， 蒸馏系统主 控制通道上设计了常规 PID 控制器， 在前馈通道上设计了温度和真空度两个模糊前馈控制 器， 模糊控制器的结构均是二维模糊控制器。 对于温度变量， 分别选取温度的实测值与设定 值得误差及误差的变化率作为模糊控制器的输入， 温度模糊控制器的输出为。对 于真空度， 分别选取压力的实测值与设定值的误差和误差的变化率作为输入， 压力 模糊控制器输出为。和通过系统辨识的蒸馏温度和蒸馏真空度进行动态数学模 型解耦， 最后得到系统输出和。模糊前馈控制器设计包括模糊化、 模 糊推理、 解模糊等几个部分。 0031 1、 温度输入 / 输。
15、出变量的模糊化 温度变量模糊控制器为双输入、 单输出的二维模糊控制器， 输入量为给定温度量与 输出量之差构成的误差信号及其变化， 输出控制量为。 0032 （1）输入变量模糊化的过程包括 ： 的基本论域为 ， 即 ： -30， 30， 单位 ： C ； 模糊量化论域 ： ， 即 ： -6， +6 ； 的模糊集为 NB， NM， NS， NZ， PZ， PS， PM， PB ； 模糊语言表示为 负大， 负中， 负小， 零负， 零正， 正小， 正中， 正大 ； 误差的量化因子 ：即。 0033 （2） 输入变量的模糊化 ：的基本论域 ： -|， +|， 即 ： -2， +2， 单位 ： C/s ；。
16、 量化论域 ： -， +， 即 ： -6， +6 ；模糊集为 NB， NM， NS， Z0， PS， PM， PB ； 模糊语言表示为 负大， 负中， 负小， 零， 正小， 正中， 正大 ； 误差的变化率 的量化因子 ：即。 0034 （3）输出变量的模糊化 ：的基本论域 ： ， 即 ： 4， 20， 单 位 ： mA ； 量化论域 ： ， 即 ： -6， +6 ； 模糊集 ： NB， NM， NS， Z0， PS， PM， PB ； 初 选时最大增量一般是输出最大值得百分之几， 若取值百分之 2， 则输出变量的比例因子 ： 即。 0035 2、 压力 （真空度） 输入 / 输出变量的模糊化 。
17、压力变量模糊控制器为双输入、 单输出的二维模糊控制器， 输入量为给定温度量与 输出量之差构成的误差信号及其变化， 输出控制量为。 0036 （1）输入变量的模糊化 ：的基本论域 ： ， 即 ： -50， 50， 单位 ： pa ； 量化论域 ： ， 即 ： -6， +6 ； 的模糊集为 NB， NM， NS， NZ， PZ， PS， PM， PB ； 语言表示为 负大， 负中， 负小， 零负， 零正， 正小， 正中， 正大 ； 误差的量化因子 ： 即。 0037 （2） 输入变量的模糊化 ：的基本论域 ： -|， +|， 即 ： -2， +2， 单位 ： pa/s ； 量化论域 ： ， 即 ：。
18、 -6， +6 ； 模糊集 ： NB， NM， NS， Z0， PS， PM， PB ； 语言表示为 负大， 负中， 负小， 零， 正小， 正中， 正大 ； 误差的变化率的量化因子 ： 说 明 书 CN 103869696 A 5 4/5 页 6 。 0038 （3） 输出变量 的模糊化 ：的基本论域 ： -|， +|， 即 ： 4， 20， 单位 ： mA ； 量化论域 ： -m， +m， 即 ： -6， +6 ； 模糊集 ： NB， NM， NS， Z0， PS， PM， PB ； 初选时最大增量一般是输出最大值得百分之几， 若取值百分之 2， 则输出变量的比例因子 ： 即。 0039 上。
19、述温度和压力误差模糊集均区分了 NZ 和 PZ， 选取了八个元素， 目的是提高系统 稳定精度。隶属度函数选择对称三角线型。 0040 3、 制定模糊控制规则 应用 LARSEN 乘积推理法， 根据分子蒸馏工程人员的知识和经验， 综合分析后分别制定 蒸馏温度模糊控制规则表和压力的模糊控制规则表， 分别如图 5、 图 6 中的表所示。其中以 表 1 中的第一条规则为例 ： rule1 ： If E1=NB and EC1=NB Then U1=NB 上述规则解释为 ： 如果蒸馏器温度误差为负大， 而且蒸馏器温度误差变化率 同时也为负大， 即实际蒸馏器温度高于蒸馏器设定值， 为消除误差， 尽快达到蒸。
20、馏器设定温 度， 就要使热油机电压下降， 降低热油机导热油温度， 其输出变量也变为负大， 其它规则 同理。 0041 4、 解模糊 本系统解模糊方法采用重心法， 其计算公式是 ： 式中，为模糊子集中所含有全部的隶属度值在论域上的积分， 根据等号两边相 等， 取合理的数值， 为元素，为输出模糊子集。蒸馏温度模糊控制查询表和蒸馏压力 模糊查询表， 如图 7 和图 8 中的表所示。 0042 5、 基于 OPC 技术的数据交换和算法应用设计。 0043 结合图2， 分子蒸馏自控系统生产管理层采用IFIX作为OPC SERVER， MATLAB作为 OPC CLIENT， 以 IFIX 为桥梁， 实现。
21、可编程逻辑控制器与 MATLAB 之间的数据连接。 0044 结合图 3， 在分子蒸馏过程生产中， 温度、 压力的控制采用前面所叙述的模糊解耦 控制算法， 通过 MATLAB 的 SIMULINK 搭建控制系统的结构， 利用 SIMULINK 中的 OPC 工具箱 实现与 IFIX 接口的通讯连接， 利用西门子可编程逻辑控制器将控制量输出。 0045 结合图 4， 现场控制层的 PLC 将采集到的数据， 通过通信协议传递给 MATLAB 中的 SIMULINK 中， SIMULINK 中集成设计了模糊解耦控制算法， 经过算法计算之后， 将输出再返 回控制器。其中， OPC SERVER 通过周。
22、期性的访问 OPC 接口的对象装置， 并及时存储生产过 程数据。OPC CLINT 可以直接访问 SERVER 中的数据。这些数据只代表 PLC 控制器上一次所 采集的数据。IFIX 与 S7-300 PLC 进行以太网数据通信， IFIX 与 MATLAB 通过 OPC 通信， 这 样 MATLAB 就与被控对象建立了连接， 可以进行实时的数据传递， 实现被控对象的控制。 0046 结合图 9 和图 10， 可以看出无解耦控制时， 蒸馏系统的温度和真空度输出超调较 大， 调节时间长， 系统受外界扰动影响大 ； 模糊解耦控制时， 系统响应速度快， 超调小， 抗干 说 明 书 CN 103869。
23、696 A 6 5/5 页 7 扰能力强， 模糊解耦控制良好的消弱了温度和压力之间的耦合关系， 具有较好的控制性能。 0047 本发明的优点在于 ： 模糊解耦控制较好的消除了蒸馏系统抖动， 系统响应速度快， 有效的抑制了系统超调， 成功的消除了蒸馏温度和蒸馏压力的耦合关系， 系统得到有效控 制 ； 系统在传递函数变化时， 仍能正常工作， 系统鲁棒性较强。 说 明 书 CN 103869696 A 7 1/5 页 8 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103869696 A 8 2/5 页 9 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103869696 A 9 3/5 页 10 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103869696 A 10 4/5 页 11 图 8 图 9 说 明 书 附 图 CN 103869696 A 11 5/5 页 12 图 10 说 明 书 附 图 CN 103869696 A 12 。