李 慧, 李秀歌, 王佳增

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

負(fù)壓低溫蒸餾裝置的溫度控制

李 慧, 李秀歌, 王佳增

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

將模糊控制和傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了PLC控制器并應(yīng)用于蒸餾過程生產(chǎn)裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該模糊智能控制算法穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

蒸餾; 模糊控制; PID; PLC控制器

0 引 言

分子蒸餾的工藝要求是首先保持蒸餾器內(nèi)較高的真空度，然后設(shè)置蒸餾器內(nèi)蒸發(fā)面與冷凝面之間的間距小于或等于輕組分物料的蒸汽分子的平均自由程[1]。通過加熱蒸餾器內(nèi)的蒸發(fā)面，使得蒸餾液體混合物受熱，分子就會(huì)獲得更多的能量，運(yùn)動(dòng)就會(huì)加劇，當(dāng)分子獲得足夠多的能量時(shí)，就會(huì)從液體混合物液面逸出而成為氣相分子，并在蒸發(fā)器內(nèi)擴(kuò)散，當(dāng)分子擴(kuò)散到內(nèi)部的冷凝面時(shí)，分子就會(huì)冷凝成液體，便于收集。同時(shí),隨著液面上方氣相分子的增加，有一部分氣體分子受到分子碰撞后也會(huì)返回液體。在分子蒸餾器內(nèi)部的溫度和真空度保持不變的情況下，液體混合物最終會(huì)達(dá)到分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡，從宏觀上看，液體系統(tǒng)達(dá)到了平衡[2]。

目前負(fù)壓低溫分子蒸餾工藝的蒸餾效率低，產(chǎn)品合格率不高，蒸餾裝置損耗和能耗大，一個(gè)主要的原因就是難以對(duì)蒸餾裝置的溫度實(shí)現(xiàn)精確控制。由于負(fù)壓低溫分子蒸餾裝置工藝對(duì)溫度要求精度較高，如果在蒸餾過程中無法對(duì)蒸餾裝置刮膜器的溫度實(shí)現(xiàn)精確控制，就會(huì)造成蒸發(fā)面上提純物中不同類型的分子運(yùn)動(dòng)混亂，難以確保目標(biāo)提純物分子有效分離，造成產(chǎn)品合格率低，同時(shí),不精確的溫度對(duì)蒸餾裝置蒸發(fā)器等部件本身也會(huì)造成損耗，過高的蒸餾溫度還不利于節(jié)能，容易造成電能浪費(fèi)[3]。因此，設(shè)計(jì)一種負(fù)壓低溫分子蒸餾裝置溫度控制系統(tǒng),對(duì)于蒸餾行業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源損耗具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

負(fù)壓低溫分子蒸餾裝置溫度控制系統(tǒng)屬于分子蒸餾裝置溫度控制領(lǐng)域，該系統(tǒng)包括溫度檢測(cè)比較單元、中央溫度控制單元、溫度調(diào)節(jié)單元、溫度傳感器單元和上位機(jī)等幾個(gè)系統(tǒng)單元。其中溫度檢測(cè)比較單元與溫度傳感器單元連接，中央溫度控制單元與溫度檢測(cè)比較單元連接，溫度調(diào)節(jié)單元與中央溫度控制單元連接，上位機(jī)分別與溫度檢測(cè)比較單元和中央溫度控制單元連接。本系統(tǒng)采用閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，可以對(duì)蒸餾裝置的刮膜器溫度實(shí)現(xiàn)精確控制，使得蒸餾流出過程達(dá)到最佳工藝條件，不僅大幅提高了蒸餾效率和產(chǎn)品合格率，同時(shí)還有效減小了蒸餾裝置對(duì)自身的損耗，節(jié)約電能。控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)單元功能設(shè)計(jì)

負(fù)壓低溫分子蒸餾裝置溫度控制系統(tǒng)，包括溫度檢測(cè)比較單元、中央溫度控制單元、溫度調(diào)節(jié)單元、溫度傳感器單元、上位機(jī)等系統(tǒng)單元。各系統(tǒng)模塊的連接方式見圖1。

系統(tǒng)中各單元模塊協(xié)同工作，具體的工作原理是：溫度傳感器單元將自身檢測(cè)到的蒸餾裝置刮膜壁溫度值信號(hào)傳送給溫度檢測(cè)比較單元，溫度檢測(cè)比較單元接收由溫度傳感器單元傳來的蒸餾裝置刮膜壁溫度值信號(hào),并與自身存儲(chǔ)的蒸餾裝置刮膜壁溫度預(yù)期值進(jìn)行比較運(yùn)算，溫度檢測(cè)比較單元將比較運(yùn)算的溫度差值結(jié)果傳送給中央溫度控制單元；中央溫度控制單元接收溫度差值結(jié)果，并依據(jù)該溫度差值結(jié)果從自身存儲(chǔ)的溫度控制方案中選取最佳溫度控制方案，然后按照選定的最佳溫度控制方案向溫度調(diào)節(jié)單元發(fā)出溫度調(diào)節(jié)控制命令；溫度調(diào)節(jié)單元接收溫度調(diào)節(jié)控制命令并按照該控制命令改變自身溫度。

上位機(jī)分別讀取溫度檢測(cè)比較單元中的溫度差值結(jié)果數(shù)據(jù)和中央溫度控制單元中當(dāng)前選定的最佳控制方案數(shù)據(jù)，并對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示；上位機(jī)能夠隨時(shí)對(duì)溫度檢測(cè)比較單元中存儲(chǔ)的蒸餾裝置刮膜壁溫度預(yù)期值或中央溫度控制單元中存儲(chǔ)的溫度控制方案進(jìn)行重新設(shè)定。

該負(fù)壓低溫分子蒸餾裝置溫度控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，可以對(duì)蒸餾裝置的刮膜器溫度實(shí)現(xiàn)精確控制，使得蒸餾流出過程達(dá)到最佳工藝條件，不僅大幅提高了蒸餾效率和產(chǎn)品合格率，同時(shí)還有效減小了蒸餾裝置對(duì)自身的損耗，節(jié)約電能。

3 中央溫度控制單元智能PID算法研究

分子蒸餾蒸發(fā)器內(nèi)溫度具有非線性和滯后性特點(diǎn)，無法建立精確的數(shù)學(xué)模型。所以傳統(tǒng)的PID控制算法不能較好地應(yīng)用于分子蒸餾過程中的溫度控制。文中在傳統(tǒng)PID的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了智能模糊PID控制算法，設(shè)計(jì)智能模糊PID控制器[4]。它根據(jù)L.A.Zadeh的模糊控制思想，基于傳統(tǒng)的PID控制器，根據(jù)分子蒸餾器內(nèi)溫度不同偏差e及溫度偏差變化率ec，對(duì)PID控制的3個(gè)參數(shù)Kp,Ki和Kd進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)是基于模糊規(guī)則的調(diào)節(jié)[5]。通過大量的分子蒸餾實(shí)驗(yàn)，得到大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立參數(shù)Kp,Ki和Kd與偏差e和偏差變化率ec之間的函數(shù)關(guān)系，從而達(dá)到智能調(diào)節(jié)PID參數(shù)的目的[6]。因此，智能模糊PID控制算法相比于傳統(tǒng)的PID控制算法，具有靈活性好、精確性高的特點(diǎn)。

智能模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 智能模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

3.1智能模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

由上述智能模糊控制器結(jié)構(gòu)可知，分子蒸餾過程開始時(shí)根據(jù)蒸餾物質(zhì)的特性，設(shè)定所需要的蒸餾溫度，建立相應(yīng)的模糊控制規(guī)則。將蒸餾溫度的偏差e和溫度偏差變化率ec送入到模糊控制器，經(jīng)過模糊推理得到PID控制器的ΔKp,ΔKi,ΔKd3個(gè)變量的修正量。這樣PID控制就能快速準(zhǔn)確地控制蒸餾器的加熱系統(tǒng)，實(shí)時(shí)改變蒸餾的溫度[6]。本系統(tǒng)采用二維模糊控制器來完成這個(gè)模糊推理過程。其具體的語言變量、基本論域還有模糊子集見表1。

表1 模糊量化表

e,ec,ΔKp,ΔKi,ΔKd的隸屬度函數(shù)選擇靈敏度比較高的三角線形，如圖3和圖4所示。

圖3 e,ec隸屬度函數(shù)

圖4 ΔKp,ΔKi,ΔKd隸屬度函數(shù)

根據(jù)前面所述的PID參數(shù)優(yōu)化的原則，分別建立了ΔKp,ΔKi,ΔKd的模糊控制規(guī)則表，見表2～表4。

表2 ΔKp的模糊控制規(guī)則表

表3 ΔKi的模糊控制規(guī)則表

表4 ΔKd的模糊控制規(guī)則表

ΔKp,ΔKi,ΔKd3個(gè)參數(shù)的模糊規(guī)則表建立完成以后，可以利用Mamdani方法進(jìn)行推理，從而得到每條規(guī)則所對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系Ri。

模糊條件語句:

ifE=AandEC=BthenY=C

其模糊關(guān)系可以表示為：

(1)

A，B維數(shù)相同，控制器所有的模糊條件語句可表示為：

(2)

根據(jù)合成推理規(guī)則和模糊關(guān)系，求得與給定輸入模糊集合A′和B′及其對(duì)應(yīng)的輸出集合：

(3)

模糊控制器的輸出要求能夠反映輸出語言變量各種情況下取值的模糊集合，當(dāng)被控量?jī)H能接受單一控制量控制的時(shí)候，必須從輸出子集釋放出一個(gè)準(zhǔn)確的控制值，該過程即為解模糊化處理，文中利用權(quán)系數(shù)加權(quán)平均法來進(jìn)行該過程的處理[8]。具體計(jì)算方法為：

(4)

式中:xi----離散論域中的元素；

μ(xi)----每個(gè)論域元素上的隸屬度。

由式(4)可以算出在不一樣的e和ec情況下PID參數(shù)在整定后的輸入值，然后就能夠獲得ΔKp,ΔKi,ΔKd的模糊控制查詢表,見表5。

表5 ΔKp模糊查詢表

表5即為ΔKp的模糊查詢表，同理ΔKi,ΔKd的也可得到，將3張模糊查詢表在PLC上按一定規(guī)律存到數(shù)據(jù)區(qū)中。PID參數(shù)的整定公式:

(5)

{ei,eci}p,{ei,eci}i,{ei,eci}d----Kp,Ki,Kd的模糊集通過模糊控制器后得到的PID修正量，即ΔKp,ΔKi,ΔKd。

把得到的PID修正量代入式(5)即能計(jì)算出PID控制量，從而完成熱油機(jī)的驅(qū)動(dòng)過程，達(dá)到有效的溫度控制。其工作流程如圖5所示。

3.2仿真與分析

通過隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則等建立模糊系統(tǒng)，具體如圖6和圖7所示。

圖5 工作流程

圖6 模糊推理系統(tǒng)圖

圖7 模糊規(guī)則編輯圖

基于以上分析，利用Matlab中的SIMULINK建立智能模糊PID控制系統(tǒng)仿真模型如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)仿真模型

當(dāng)分子蒸餾系統(tǒng)一級(jí)薄膜蒸發(fā)的設(shè)定溫度為150 ℃時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)響應(yīng)曲線

3.3結(jié)論與總結(jié)

由圖9系統(tǒng)響應(yīng)曲線可以看出，系統(tǒng)沒有超調(diào)量，響應(yīng)平穩(wěn)，調(diào)節(jié)時(shí)間大約為200 s，能夠快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，性能指標(biāo)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制，控制器設(shè)計(jì)比較合理。

4 具體實(shí)施案例

本設(shè)計(jì)成功應(yīng)用于長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)分子蒸餾實(shí)驗(yàn)分子蒸餾設(shè)備。本系統(tǒng)采用的負(fù)壓低溫分子蒸餾裝置是以廣州市浩立生物科技有限公司分離純化技術(shù)開發(fā)中心的DCH-300刮膜式分子蒸餾裝置為控制對(duì)象，對(duì)其刮膜器溫度進(jìn)行溫度控制。

溫度檢測(cè)比較單元采用MC430F14開發(fā)板實(shí)現(xiàn)溫度比較輸出控制；

中央溫度控制單元采用德國(guó)西門子公司的S7-300PLC；

溫度調(diào)節(jié)單元選用廣州市浩立生物科技有限公司制造的熱油機(jī)加熱執(zhí)行系統(tǒng)；

溫度傳感器單元采用PT100/PT1000高溫型鉑電阻溫度傳感器；

上位機(jī)采用德國(guó)西門子公司的IPC627C雙核西門子工控機(jī)[9]。

溫度檢測(cè)比較單元、中央溫度控制單元、溫度調(diào)節(jié)單元和溫度傳感器單元共同構(gòu)成了對(duì)溫度控制的閉環(huán)結(jié)構(gòu)[10]。DCH-300刮膜式分子蒸餾裝置和基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)控制柜分別如圖10和圖11所示。

圖10 DCH-300刮膜式分子蒸餾裝置

圖11 PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)控制柜

基于PLC控制器的負(fù)壓低溫分子蒸餾設(shè)備的成功應(yīng)用，不僅較好地改善了原有的分子蒸餾設(shè)備自動(dòng)化程度低的現(xiàn)狀，而且通過智能模糊控制算法實(shí)現(xiàn)了蒸餾溫度快速、準(zhǔn)確控制，提高了蒸餾效率，改善了蒸餾產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)于蒸餾行業(yè)提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要意義。該研究方法還可進(jìn)一步在相關(guān)行業(yè)和企業(yè)間推廣應(yīng)用，將在資源利用、環(huán)保等方面創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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Temperature control for a negative pressure low-temperature distillation unit

LI Hui, LI Xiu-ge, WANG Jia-zeng

(School of Electrical & Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Combining fuzzy control with and PID, a PLC controller for the distillation process is designed. Experimental results show that the fuzzy intelligent control algorithm is realizable and the automatic control system operates in a optimized condition.

distillation; fuzzy control; PID; PLC controller.

2014-06-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61374138)； 吉林省科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(20130206030GX)

李 慧(1973-)，女，漢族，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事復(fù)雜系統(tǒng)的建模優(yōu)化與控制方向研究,E-mail:lihui@mail.ccut.edu.cn.

TQ 028.31

A

1674-1374(2014)05-0516-08