李冬輝，許弋慧

(天津大學電氣與自動化工程學院，天津　300072)

0　引言

現(xiàn)今的白酒蒸餾主要是依靠人工操作，直接影響到了白酒的蒸餾效率和香味的提取率[1]。因此，改進白酒蒸餾系統(tǒng)的自動控制，提升白酒生產(chǎn)的自動化水平很有必要。文中根據(jù)白酒蒸餾的工藝流程，分析 了輸出管路壓力的調節(jié)對提高系統(tǒng)蒸餾效率的關鍵作用。文獻[2]、[3]分別采用模糊控制和模糊自調整PID控制，無需被控對象的精確模型，獲得了較好的控制效果。由于輸出管路的壓力除了來自風機的調節(jié)之外，還受進氣口熱蒸汽干擾的影響，因此采用基于前饋-反饋的控制策略，并應用自適應模糊PID控制算法，提高系統(tǒng)的動、靜態(tài)品質。

1　白酒蒸餾管路壓力系統(tǒng)

1.1白酒蒸餾流程分析

白酒蒸餾系統(tǒng)通過采集實時數(shù)據(jù)，根據(jù)特定的工藝曲線，實現(xiàn)整個白酒蒸餾系統(tǒng)的變壓變溫自動控制[4]。白酒蒸餾系統(tǒng)自動控制結構圖如圖1所示。

操作上都必須嚴格控制供汽、管壓、冷卻水的供應，使它們具有平衡關系。如果在操作上任意調整一個方面或操作條件中有一個變化，就會破壞這種平衡，造成生產(chǎn)過程混亂，甚至導致生產(chǎn)事故。因此操作上要求達到“三穩(wěn)”：塔底壓力穩(wěn)、輸出管壓穩(wěn)、出酒量穩(wěn)，才能達到產(chǎn)、質量的穩(wěn)定[5]。

塔底壓力控制主要是調節(jié)蒸汽進氣閥，這是一個快速并且少干擾的過程，因此采用常規(guī)PID控制器即可。

輸出管路在蒸餾系統(tǒng)中是一個中間環(huán)節(jié)，其主要目的是調控壓力，利用壓力變化使混合物質間的沸點差別變大，通過各物質的分離改變酒精蒸餾的純度，從而根據(jù)酒廠的需要得到不同純度不同品質的產(chǎn)品。

圖1　白酒蒸餾系統(tǒng)自動控制結構圖

然而管壓受蒸餾罐壓力的影響很大，有效控制管壓使之能與前后環(huán)節(jié)配合，有一定難度。

1．2管路壓力模型的建立

酒精蒸汽輸出管路系統(tǒng)結構如圖2所示，蒸餾罐中的酒精受熱蒸發(fā)進入輸出管路，再經(jīng)風機輸送進入冷凝罐。設輸出管路壓力為p2，體積為V，蒸餾罐底部壓力為p1．

圖2　輸出管路結構簡圖

根據(jù)動態(tài)物料平衡關系可得方程：

(1)

式中：ΔQ3為酒醅中蒸發(fā)進入密閉空間的氣體質量變化率；ΔQ4為經(jīng)風機輸送出去的氣體質量變化率；ΔM為密閉空間內的氣體質量變化率。

根據(jù)氣體蒸發(fā)的速度與氣壓差之間的關系，氣壓差越大，蒸發(fā)速度越快，酒醅中蒸發(fā)的氣體質量變化率ΔQ3與氣體壓力變化率Δp1和Δp2存在以下關系：

ΔQ3=βΔp1-γΔp2

(2)

式中：β、γ都是正常數(shù)。

對于離心式風機，體積流量與風機的轉速成正比Q∝n，風機的轉速與頻率成正比n∝f，則風機的體積流量與頻率成正比Q∝f，增量形式為：

ΔQ4=KfΔf

(3)

式中：Kf是正比例常數(shù)。

另外根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程有：

(4)

式中：μ為克分子量；R為普適氣體恒量。

由于假定罐底容積V、氣溫T恒定不變，將式(4)寫成增量形式，并求一次導數(shù)后可得

(5)

將式(2)、式(3)、式(5)代入(1)整理得：

(6)

將式(6)進行拉氏變換，又由于進氣口壓力p1對管路壓力p2的干擾影響是一個相對滯后的過程，因此整理可得：

(7)

2　控制器設計

2．1控制策略分析

輸出管路是一個非密閉系統(tǒng)，其壓力主要通過風機調節(jié)，但進氣口的氣流量不斷變化，會對管路壓力造成較大的影響，需要提前調節(jié)減小進氣壓力對整個管路壓力的影響，文中采用了基于前饋-反饋的復合控制結構[6]。

在整個控制過程中，系統(tǒng)結構中的很多參數(shù)是時變的，因此采用實時參數(shù)自整定方法。自適應PID可以根據(jù)被控量的實際變化趨勢對控制參數(shù)小幅連續(xù)地進行調整，使系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下調整控制參數(shù)。并且模糊PID控制器不需要建立被控對象的精確數(shù)學模型，可以根據(jù)專家系統(tǒng)規(guī)則決定控制量的大小。將自適應模糊PID算法和前饋控制結合起來可以發(fā)揮適應性強并且抗干擾的特點，使被控對象能夠具有良好的動態(tài)和靜態(tài)性能[7]。系統(tǒng)的控制結構圖如圖3所示。

圖3　控制系統(tǒng)結構圖

2．2自適應模糊PID控制器設計

自適應模糊PID控制是利用模糊規(guī)則和推理來調整PID參數(shù)，使系統(tǒng)能夠適應被控過程參數(shù)的變化，同時具有常規(guī)PID控制器的優(yōu)點。其設計步驟如下[8]：(1)確定輸入輸出變量；(2)選取各變量的基本論域和模糊論域；(3)定義模糊子集和選取隸屬函數(shù)；(4)確定模糊規(guī)則；(5)解模糊化。

第(1)、(2)、(3)步的設計如表1所示。

表1　變量模糊化表

根據(jù)參數(shù)對系統(tǒng)輸出特性的影響以及專家經(jīng)驗，可歸納出系統(tǒng)在被控過程中對于不同誤差和誤差變化的參數(shù)自整定原則：(1)當誤差e較大時，為了加快響應速度，防止過大超調，應選取較大的KP和較小的KD，通常取KI為零；(2)當誤差e和誤差變化ec為中等大小時，為了減小超調量并保證響應速度，應將KP取小一些；(3)當誤差e較小時，增大KP、KI能提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能，選取適當?shù)腒D提高系統(tǒng)的抗干擾能力[9-10]。

根據(jù)上述PID自整定原則和實際操作經(jīng)驗總結，可以得到3個控制參數(shù)的控制規(guī)則具體如表2所示。最后采用重心法將模糊量精確化。

3　實驗

根據(jù)上述自適應模糊PID控制的設計思想，在Simulink中利用模糊邏輯工具包進行相應的控制器設計，將封裝好的模糊控制器應用到控制系統(tǒng)的仿真模型中[8]，采用前饋-反饋控制對白酒蒸餾系統(tǒng)中的管路壓力進行仿真。

管路壓力模型為一階慣性環(huán)節(jié)，當40 s時被控對象的傳遞函數(shù)突變，得到的仿真曲線如圖4所示。

可以看出，采用自適應模糊PID的壓力曲線超調量小并且無振蕩，能更快到達穩(wěn)定；在被控對象參數(shù)改變的情況下，自適應PID控制曲線波動小，其優(yōu)秀的魯棒性提高了蒸餾效率，節(jié)省巨大成本。

表2　KP、KI、KD的模糊控制規(guī)則表

圖4　自適應模糊PID與PID控制對比壓力曲線圖

蒸餾罐底壓力會對管路壓力產(chǎn)生干擾，所以在其前饋通道上施加一個壓力擾動。仿真結果如圖5所示。

圖5　前饋-反饋復合控制結構壓力仿真曲線

可以看出采用前饋控制能快速響應干擾號，并只產(chǎn)生微小波動。可見對管路壓力采用前饋補償控制能減小干擾的影響，提高整個蒸餾系統(tǒng)的質量。

4　結論

管路壓力的控制對提高白酒蒸餾效率非常重要，文中根據(jù)物料平衡關系對蒸餾系統(tǒng)管路壓力進行建模，提出基于自適應模糊PID的前饋補償控制，利用模糊推理的基本原理，根據(jù)不同誤差確定參數(shù)自整定規(guī)律。從仿真結果可以看出，控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，以及抗干擾能力都已滿足系統(tǒng)要求。將該方法應用于酒廠蒸餾系統(tǒng)中，從LabVIEW看出，實際壓力曲線圖與仿真圖基本一致，可見基于自適應模糊PID的管壓前饋控制是可行的。

參考文獻：

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