一、引言
常規(guī)的PID調節(jié)器具有結構簡單，穩(wěn)定性好，可靠性高，易于工程實現(xiàn)等優(yōu)點。但對于復雜系統(tǒng)控制尤其是控制過程大滯后、時變、非線性的復雜系統(tǒng)，采用常規(guī)PID控制較難獲得良好的控制效果。
本文提出一種用PLC實現(xiàn)的智能PID控制方法，將其應用于二氟一氯甲烷反應器溫度控制系統(tǒng)中。
二、智能PID原理
智能PID是在常規(guī)PID算法的基礎上，引入專家及操作者的經驗，它不依賴于系統(tǒng)的數(shù)學模型，對系統(tǒng)的參數(shù)變化不敏感，具有較強的魯棒性和抗干擾能力。智能PID控制器的核心為知識庫的建立，由于產生式規(guī)則庫結構簡單，易于修改，適合于PLC實現(xiàn)，故本系統(tǒng)采用產生式規(guī)則庫作為控制器的規(guī)則庫，其基本結構為：
IF（條件），THEN（動作）
根據(jù)系統(tǒng)特點，數(shù)據(jù)庫的事實知識選取如下數(shù)據(jù)e（t）、ec（t）、u（t）、emin、emax、umax。其中：e（t）是偏差，e（t）=SV-PV；ec（t）是偏差變化率，ec（t）=e（t）-e（t-1）；u（t）是控制量；emin是最小允許偏差；emax是最大允許偏差；umax是最大控制量。
利用上述數(shù)據(jù)，構成有關的知識庫。此知識集的劃分以誤差及誤差變化趨勢為基礎，結合操作者人工控制行為知識而形成，因此規(guī)則的構成既反映出PID控制的特點，又在控制行為上反映了人工操作的適應性。此外事實知識的構成簡單而無相交集，因此任何情況都能找到唯一的匹配條件，觸發(fā)相應的控制規(guī)則。控制規(guī)則及依據(jù)如下：
（1）若|e（t）|>emax，則u（t）=umax。說明偏差過大，則相應控制量應最大，盡快減小偏差。
（2）若|e（t）|<emin，則u（t）=u（t-1）。說
明偏差已達到允許范圍，控制量不變，維持現(xiàn)狀。
（3）若emin<|e（t）|<emax，且e（t）·ec（t）>0，則
u（t）=u（t-1）+K1e（t）。根據(jù)偏差及偏差變化趨勢（圖1）可知，實際值正遠離設定值，控制量明顯減小，應增加較大的控制量，盡快減小偏差。
圖1 偏差及其趨勢
（4）若emin<|e（t）|<emax，且e（t）·ec（t）=0，則u（t）=u（t-1）+K2e（t）。偏差值恒定不變，呈穩(wěn)定狀態(tài)，應增加較小的控制量，使偏差減小。
（5）若emin<|e（t）|<emax，且e（t）·ec（t）<0，則u（t）=u（t-1）+K3e（t）+K4ec（t）/e（t）。
實際值正不斷接近設定值，一方面隨著偏差減小，相應的控制量可以增加很小或者不增加；另一方面，|ec（t）/e（t）|值越大，表明實際值趨向設定值的程度越強，為防止過沖，應適當減小控制量。
上述K1、K2、K3、K4為系數(shù)，它們直接影響控制性能，根據(jù)控制趨勢，應有K1>K2>K3≥0，K4≥0。
當K4=0時，不考慮提前減小控制量；當K3=0時，不考慮增加控制量，上述系數(shù)根據(jù)系統(tǒng)實際確定。
三、智能PID的PLC實現(xiàn)
（一）控制算法
設數(shù)據(jù)寄存器40200～40205分別存儲偏差值e1～e6，40206～40207分別存儲偏差變化率ec1～ec2。
偏差及偏差變化率區(qū)域劃分如圖2所示。
圖2 偏差及偏差變化率區(qū)域劃分
00007區(qū)：加最大區(qū)，偏差太大，應最大限度地增加控制量，盡快減小偏差。
00006區(qū)：快速增加區(qū)，偏差較大，應比較快地增加控制量。
00005區(qū)：慢加區(qū)，偏差較小，應較慢地增加控制量；但是ec屬于00008區(qū)時，實際值較快地接近設定值，為防止過沖，可適當減少一些控制量。
00004區(qū)：保持區(qū)，偏差已控制在允許范圍內，控制量不變。
00003區(qū)：慢減區(qū)，與00005區(qū)類似
00002區(qū)：快減區(qū)，與00006區(qū)類似
00001區(qū)：減最大區(qū)，與00007區(qū)類似。
（二）區(qū)域劃分
系統(tǒng)采用FamaPLC系列的RCMP指令實現(xiàn)區(qū)域劃分。設40100為偏差，40102為偏差變化率，則區(qū)域00001～00007、00008～00010劃分如圖3所示。
圖3 00001～00007，00008～00010的區(qū)域劃分
注：若40100的當前值大于40200時，僅00080ON；若40100當前值等于40200時，僅00081ON；若40100的當前值小于40200時，僅00082ON。參數(shù)值40201大于等于40200，以下用法類似根據(jù)劃分的區(qū)域，PLC對偏差及偏差變化率所在的區(qū)域進行相應的判斷，并按規(guī)則（1）～（5）進行邏輯運算，即可得到當前所需的控制量u（t）。
（三）增量控制的實現(xiàn)
當ΔU>0時，控制量增量ΔU的PLC實現(xiàn)方法如圖4（a）所示。
40210表示當前控制量u（t），40104為控制量增量ΔU，上述程序表示當條件1成立時，每隔40202時間，控制量u（t）增加40104值；
當ΔU<0時，ΔU的PLC實現(xiàn)如圖4（b）所示。
40210表示當前控制量u（t），40104為控制量增量ΔU，上述程序表示當條件2成立時，每隔40204時間，控制量減小40104值。
四、應用實例
液相催化法合成F22，采用無水氫氟酸和氯仿為原料，在常壓、中溫下進行的管道式反應。反應在催化劑作用下完成，反應過程吸收熱量，反應副產品有F21和F23。在F22生產過程中，溫度控制的效果直接影響產品的質量、產量。其工藝要求反應溫度控制在400±2℃。由于反應過程具有滯后大、擾動多、非線性強的特點，不適合用常規(guī)的PID調節(jié)。我們采用智能PID控制算法，以FamaSC-500PLC作為核心器件，實現(xiàn)對反應器的溫度控制，系統(tǒng)控制原理框圖如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)控制原理框圖
由安裝在反應器內的溫度傳感器PT100測得的信號，經PLC的RTD模塊放大和A/D轉換后，存入PLC的數(shù)據(jù)寄存器。PLC根據(jù)采集的信號計算出偏差e（t）和偏差變化率ec（t），按照智能PID的控制規(guī)則計算控制量u（t），并輸出控制量。經PLC的D/A轉換，變換成0～5V的電壓信號，送至調壓模塊SSR，并驅動調壓模塊以調節(jié)電加熱絲的工作電流，實現(xiàn)系統(tǒng)溫度控制。PLC實現(xiàn)控制的流程如圖6所示。由于反應器溫度采集信號受外界干擾嚴重，因此運用FamaPLC的PUSH指令，采用采樣5次求平均值的算法，在軟件上設計數(shù)字濾波程序，實現(xiàn)每個通道數(shù)據(jù)的均值濾波，力求在擾動多、滯后大的系統(tǒng)中提高數(shù)據(jù)的準確性和真實性。
圖6 系統(tǒng)程序流程圖
五、結束語
基于該方法設計的F22反應器溫度控制系統(tǒng)，經過半年多的實際運行表明：系統(tǒng)運行平穩(wěn)，穩(wěn)態(tài)誤差控制在2℃以內；系統(tǒng)動態(tài)響應快，即使物料供給突然增加10%，系統(tǒng)能在3分鐘內回復到正常范圍，控制效果良好。
