超精模糊控制算法与模块化在节能减排中的应用

  樊远征 

摘要  作者认为，导致我国工业能耗高、资源利用率低、效益增加缓慢等问题的重要原因是控制性能低，而导致控制性能低的关键问题是控制算法落后。本文通过介绍超精模糊控制（Super Robus fuzzy control  简称SRFC）算法、模块及应用，表明提高控制性能能够的大幅度降低能耗、显著提高功效和资源利用率。

Abstract   In our country, we must face the problems that the industrial energy consumption is high, the resource usage is low and the benefit increases slowly. In the author’s opinion, the low control performance is the main reason that causes these problems, while the key of the low control performance is the laggard control algorithm. In this paper, the author will introduce the Super Robus Fuzzy Control (SRFC) algorithm, modules and application, which indicate that by improving the control performance, the energy consumption can be lowered dramatically while the producing efficiency and resource usage can be improved significantly.

如果将测量技术、执行器技术、网络化技术和控制算法视为自动化领域四大支柱体系的话，我国在控制算法领域的进步和发展相对迟缓，其结果不仅拉大了我国与发达国家自动化行业的距离，而且影响了我国相关工业的技术进步。

控制算法可理解为控制领域的方针和策略，是控制系统的精髓与灵魂。无论是最简单的、抑或是最复杂的控制系统，其成功与否无不与控制算法休戚相关。

一、产业升级与测控技术的关系

上世纪六、七十年代，发达国家以提高控制性能为中心的产业升级，全面深入地普及了先进控制算法，提高了系统的控制精度、稳定性及动态性能，从而大幅度提高了能源利用率。我国的产业升级的重点放在了‘以信息化带动产业化’上，在控制功能方面确实获得了相当程度的发展，如数字化、网络化、集中管理等，而在控制性能提高方面往往屈居第二位。这样一来，能耗增加、资源利用率低、效益增加缓慢等问题逐渐暴露出来。

1、    制造业产品低档的根源是控制算法落后

（1）家电制造业  我国的家电产品在国际市场遭遇技术壁垒和贸易壁垒，在国内市场受到进口中、高档家电产品的冲击，其中一个重要的原因就是在产品设计中采用了落后的控制算法，因此注定了国产家电产品的档次只能屈居低端，不得不靠残酷的低价格竞争而生存。例如, 国产冰箱的温控系统由于控制算法落后而造不出温度波动小于±1℃的冷鲜冰箱，被迫将高档品市场让给“西门子”和“LG”；又如国产空调器, 由于未采用先进控制策略，而是沿用传统的压缩机变频控制，响应速度慢、温度波动大、能耗高、舒适性差，不得不将高端产品市场拱手让给日本。

（2）装备制造业  成套设备大多采用进口控制器，有些却依然制造不出中、高档装备来。究其原因, 除了进口控制器的性能未必都很先进外，与沿用落后的控制算法有直接关系。

（3）科学仪器制造业  国产科学仪器大多无法与进口产品媲美的原因, 在一定程度上依然归咎于核心环节控制算法落后。例如，分析仪器中的样品反应温度控制（恒温、程序升温等）的精度指标，在很大程度上决定了产品性能和档次。如果不在控制算法上突出重围，只能在仰仗于通过大幅度降低成本以提高竞争力，沦入每况愈下、愈下愈况的被动局面。

2、    加工业落后的根源是控制算法落后

（1）热处理工艺及设备的先进性决定了金属工件的性能和使用寿命。当热处理炉的温度控制采用传统的、相对落后的控制算法时，难免导致炉温控制精度低，不能得到高质量的金属工件。

（2）流程工业的工艺指标控制精度，更是影响产品质量的决定性因素。目前还有相当多的生产工艺及装备在控制算法上依然采用传统模式，致使产品质量在低水平上徘徊。尽管有国内有先进的控制算法和相应的仪器设备问世，但习惯上还是理直气壮地成套引进。

3、  建筑业中无形的能源浪费

据有关资料介绍，我国每单位建筑面积的能源消耗为发达国家3倍以上！其中三分之二的能源消耗在供暖和空调上。

我国家用空调器的平均制冷能效比（EER）只有2.6，欧美为3.2，日本为4-5。由此可见，仅空调产品一项就多消耗30-40%的能源。为何国产家用空调器的制冷能效比如此之低？根本原因仍然归结为控制算法落后。

二、超精模糊控制概念及其应用技术

日、美科技界和学术界极力推崇的模糊控制技术并非白璧无瑕、无懈可击。日本人甚至把模糊控制视作日本自主创新的标志。作者从数学和控制论两个层面进行了多年研究和实践，认为先有经典模糊控制并不完善，尚存在一些不足之处，例如：

（1）为消除静差而牺牲稳定性。模糊PID自适应控制器和变论域模糊控制器都会破坏系统的稳定性，这两种控制器尤其不适用于大滞后系统的控制。

（2）最佳化调整困难。

作者在总结现有技术的基础上发展了模糊控制技术，提出直觉智能控制（SIC）的控制算法及硬化产品，并在一些工业温度控制对象中获得了成功应用。

1、超精模糊控制模块

超精模糊控制（Super Robus fuzzy control  简称SRFC）模块是硬化的先进控制软件，为精确控制具有严重非线性、时变性、不确定性和耦合性的温度对象提供了核心控制算法。SRFC模块分为软件和硬件两部分。

SRFC软件中的先进控制算法具有如下特点：

（1）模糊推理函数化——即响应函数，响应函数的最大优点是运算资源低，运算速度极快和最佳化调整简单（一般只调1个参数）；

（2）位置学习——即通过在线学习消除稳态误差的方法。位置学习的最大优点是在消6除稳态误差时不破坏稳定性。

SRFC模块由超精模糊控制处理器，14位AD和串口控制芯片组成。

SRFC模块中的14位AD提供一路模拟输入信号（AI）。

SRFC模块中的串口控制芯片提供的数字通讯操作平台（RX、TX和485EN）。                                 

SRFC模块有两路输出：一路为模拟信号(AO)，另一路为脉宽调制信号(PWM)。另外，模块还可以向外围器件提供DC-5V（10mA）电源。SRFC—I型模块外观，如图1所示。     

 图1  SRFC—I型模块外观

 

SRFC模块有三种应用方案：                 

A.      组合“基础层智能控制器”

SRFC—I型模块和可拼接主板，组合成“基础层智能控制器”，如图2所示。

多个“基础层智能控制器”与工业PC连接，组成集散控制系统（DCS），如图3所示。

 

图2  基础层智能控制器                                                                                      

            
图3  “基础层智能控制器”与工业PC组合成的集散控制系统

 

“基础层智能控制器”与人机界面等终端设备连接，可以构造各种仪器装备的高档控制器，如图4所示。

      图4 “基础层智能控制器”与终端设备组合成的高档控制器           

B.      组合“微型智能温控器”

选用SRFC—I型模块、可拼接主板和显示板，可以构造“微型智能温控器”，如图5所示。

图5 微型智能温控器

C.      嵌入单片机系统

SRFC—I型模块嵌入各种单片机系统，构造各种专用智能控制器。

2、SRFC模块应用实践

（1）空调节能控制

FHK-1智能温控器是SRFC模块的初级产品，利用FHK-1实现精确温控和变风量调温方式，较现有控制方式节能30%左右。

这一结论性的数据是在北京市节能认证委员会监督下，由北京建工学院暖通试验室对国外某公司专门用于空调系统的J型温控开关与FHK-1智能温控器性能进行实验室（无门窗）对比测试所获得的。测试结果如下表所示：

  J公司温控开关与FHK-1智能温控器性能对比表

控制器类型	室内温度	冷耗/m2/hr
FHK-1智能温控器	22℃±0.08℃	26.25W
J型温控开关	22℃±1.6℃	39.42W

 

北京市节能认证委员会据此认定FHK-1智能温控器为“节能产品”，国家家用质量监督检验中心在北京亚洲大酒店进行现场（有门窗）实测，认定FHK-1智能温控器比J型温控开关节能71.38%!

FHK-1智能温控器之所以能够在对现有空调设备不做大改动的情况下获得如此明显的节能效果，是由于在温控系统的设计上提出了“精确温控”与降低“强迫对流损失”相结合的全新的设计原则。

（a）精确温控

从上表不难看出，在同一测试条件下，采用FHK-1智能温控器的控温效果明显优于J型温控开关的控温效果，温度波动幅度减少1.5℃，仅此一项相当于节能20%。

FHK-1智能温控器之所以能取得如此明显的控温效果，是由于其核心元件为CB3LP芯片，该芯片内部集成了“直觉智能函数”，将模糊推理转换成响应函数，然后在函数层面上改造并克服了模糊推理缺点，构造的高级智能控制算法，为不熟悉模糊控制和智能控制的设计师们提供了使用简单、高性价比的智能化控制工具，专门用于控制以大滞后、时变性、多变量等为主要特征的难控对象，而传统的控制（尤其是双位控制）系统用于这类对象时，无法保证动态精度。空调系统有限空间恰恰属于这类难控对象，因此FHK-1智能温控器得以充分发挥其特长，实现了精确温控。

（b）采用变风量空调方式降低“强迫对流损失”

在暖通空调理论中，迄今尚无“强制对流损失”的概念。实验表明：携带冷能的气流撞击到围护结构时，不可避免地会有部分冷能经门窗等隔热能力较差的围护结构直接传导至室外，这部分损失与气流方向和流速有关，尤当气流方向正对南向门窗且气流速度最大时，“强制对流损失”亦最大。

降低“强制对流损失”的措施可以有两种：其一，在建筑设计上应考虑空调的出风口避免直面门窗等隔热能力较差的围护结构；其二，采用变风量空调方式，即：通过控制送风量实现房间温度恒定。与现有的变风温技术路线相比，变风量空调方式的平均风量减少了30—70%。平均风量的减少带来两大好处：一是提高了舒适度，二是减少强迫对流损失，降低冷耗。FHK-1智能温控器采用变风量空调方式减小“强制对流损失”，实现节能13—51%。

（2）恒温水浴温度控制

（a）对象特性

恒温水浴是实验室常用设备，由于属于开放式系统，强时变参数系统，其中：

²      开环放大倍数K是设定温度ST的函数，开环放大倍数K的最大与最小值如表1所示。

表1  开环放大倍数K的最大与最小值

设定温度ST（℃）	开环放大倍数K
30	2.7
90	0.9

²      惯性时间T是设定温度ST和水量V的函数，惯性时间T的最大与最小值如表2所示。

表2  惯性时间T的最大与最小值

设定温度ST（℃）	水量V（L）	惯性时间T（S）
90	4.4	700
30	4.4	1020
90	2.2	300
30	2.2	600

²      滞后时间τ是水量V的函数，滞后时间τ的最大与最小值如表3所示

表3  滞后时间τ的最大与最小值

水量V（L）	滞后时间τ（S）
4.4	280
2.2	150

（b）控制性能（参阅表4）

表4  SRFC模块控制开放水浴温度的性能指标

设定温度ST（℃）	水量V（L）	测量温度PV的波动（℃）	超调量σ（℃）	过渡过程时间TS（S）
40	2.2	40℃±0.03	4.1	300
40	4.4	40℃±0.02	3.5	500
80	2.2	80℃±0.05	3.2	360
80	4.4	80℃±0.04	2.1	580

（3）用于质谱仪的温控装置

中国太极集团公司在接受国家科技部的色谱类仪器产业化项目和参与研制色谱—质谱联用仪项目过程中，遇到了提高温柱控制精度的难题。

为了保证温柱低功率高速跟随程控升温，太极公司研制了小质量温柱，如图6所示。                           

图6  小质量色谱温柱

小质量温柱是控制难题。首先，开环放大倍数是强时变参数（开环放大倍数是给定和惯性时间的函数），最大值最小值之比大于2.5倍；其次，惯性时间也是强时变参数（环境温度和给定的函数），最大值最小值之比大于5倍；最后，由于惯性时间较小，测温滞后不能忽略，滞后时间与惯性时间大于0.1。太极公司采用过各种进口高档控制器控制小质量温柱的程控升温，其控制精度依然达不到1%的精度要求。

SRFC控制模块经过太极公司严格测试后，认定SRFC控制模块控制小质量温柱的程控升温的精度达到0.5%的精度。2007年7月太极公司决定在军用和民用色谱仪、以及色谱—质谱联用仪中的小质量温柱全部使用SRFC控制模块。

（4）  用于回流焊机

北京青云创新科技发展有限公司生产的QHL320 SMT小型精密台式回流焊机，如图7所示。采用了SRFC控制模块的基础芯片（CB3LP芯片），由此，提高了过渡过程时间和控温精度，为北京青云创新科技发展有限公司创造了很大的利益。

图7  QHL320 SMT小型精密台式回流焊机，

（5）用于单晶硅炉

北京京运通真空设备厂生产的软轴单晶硅炉，如图8所示。2006年的国内市场占有率达70%。今年决定用SRFC模块替换欧陆PID控制器，以此提高单晶硅炉温场的跟踪快速性和控制精度。

 

 

图8  软轴单晶硅炉

（6）用于有限空间的温度控制

SRFC模块用于实验室各类通用设备，如：开放式恒温油槽、冰箱、培养箱、干燥箱、马福炉、湿热试验箱、开放式热板等的温度控制，可获得快速启动、超调量σ小（≤10%）、温度波动小（≤0.08%）的性能指标。如若利用这一成果对现有实验室的通用设备进行技术改造，将会使很多科学实验获得更精确的数据。

（7）用于流程工业pH控制

酸碱中和反应过程的静态特性呈“∫”形状，在pH值接近7.0的窄小区间内的曲线斜率很大，以至于较小的控制作用（加酸或加碱）就会引起pH值的大幅度变化；同等的控制量在特性曲线的其他区间却只能获得较小的pH值变化量。对于这样的控制对象，常规控制模式（PID）往往得不到预期效果；当然，采用开关式控制（启停酸/碱泵或通断阀门），更加导致pH值的频繁波动。不仅如此，在流程工业中、尤其是水处理工程中，中和池容量很大，中和剂（酸/碱）投加点大都很集中，检测元件（电极）往往安装于排出口，因此纯滞后非常明显，许多采用常规算法的pH控制系统不能正常工作。

有的大型水处理工程，借助于工控机或PLC的软硬件资源，试验了模糊控制算法，获得了一定成效。这主要是由于模糊控制算法具有一定程度的智能化功能，另一方面也是由于水处理工艺对pH的控制精度要求不高，能够达到排放指标（pH6-9）或下一道工序能够接受的水平即可。然而，酸碱中和过程在水处理工艺路线中已成为基本的单元操作，即使中小型水处理工程也会遇到pH控制，如若都采用工控机或PLC来实现模糊控制，显然不现实。因此，寻求一种易于工程实现的专用工业控制器实现pH一类水质参数的自动控制，对促进水工业技术进步具有十分现实的意义。

SRFC模块与常规pH检测仪表的结合，构造出专门用于水处理工程的pH控制器。经计算机仿真测试，得到相当满意的结果（附录：仿真报告）。

结论

1．“信息化带动产业化”不是代替产业化。信息化只能从管理层面优化和自动化，不能代替改造基础层控制系统控制性能的落后的控制算法，对提高工效、提高质量、提高寿命和节能减排的贡献也有限。

2．我国的工业自动化系统还大量采用开关控制和PID控制是基础层控制系统控制性能的根源；也是阻碍应用隔热技术和高能耗结构的祸首。先进控制算法是一种无形资产，如果它能够替换开关控制和PID控制，必然有效提高基础层控制系统的控制性能，实现节约能源、减少浪费、提高生活质量，促进相关产业的技术进步。

3．消除模糊控制静差的方法一般都破坏了控制稳定性，使模糊控制的动态性能下降。SRFC算法采用位置学习的方法，基本上解决了消除模糊控制静差不破坏控制稳定性的难题，是一个值得关注的控制算法。

4．SRFC算法的通用性和使用性较强，已经制作成模块，并以成功的应用在实际系统中，控制性能十分优异。

参考文献

[1]樊远征、罗承忠《自组模糊控制器》，中国系统工程学会模糊数学与模糊系统委员会第六届学术年会论文集，即《模糊系统与数学》第六卷增刊92页。

[2]樊远征、罗承忠《规划真值流推理》北京师范大学学报（自然科学版）1992年第28卷增刊第2期21页。

[3]罗承忠、樊远征《一种模糊推理计算方法》第五界全国电工数学学会年会论文集《电工数学进展》144页。

作者介绍

樊远征  1952年8月出生于上海，1982毕业于北京工业大学自动化系，后就读于无线电系，获硕士学位。1991年在北京师范大学数学系做为罗承忠教授的国内访问学者开始模糊控制算法的研究。

1988年发明《高精度数字式小电阻测量器构造方法》获得尤里卡金奖、匈牙利青年发明家金奖和国际仪器仪表博览三大奖项；1992年发明《自组模糊控制器》，转让给四通公司后获得巨大经济效益；1992年—2007年主要研究模糊推理算法和研制实用化产品，先后提出了“规划真值流推理”和“响应函数推理”算法；研制了空调房间精控温控器；研制了“响应函数推理”算法为基础的模糊推理芯片——CB3LP芯片；研制了以“响应函数推理”为基础叠加“滞后状态辨识”、“位置学习”、“双模态控制”等智能算法的超鲁棒模糊控制模块——SRFC模块。