湯　偉　楊鵬飛　黨世紅

(1.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安,710021；2.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西西安,710021)

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·溫度測量·

置換蒸煮鍋溫度測量方法的改進(jìn)及鍋內(nèi)溫差控制

湯偉1楊鵬飛2，*黨世紅2

(1.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安,710021；2.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西西安,710021)

針對置換蒸煮鍋溫差難以消除這一難題,在傳統(tǒng)蒸煮鍋溫度測量的基礎(chǔ)上,提出一種新的溫度測量方法,并將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、PID串級控制和解耦控制有機(jī)地結(jié)合起來, 提出一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID串級解耦控制系統(tǒng)。解決了蒸煮鍋溫度控制時滯性、時變性和非線性等問題,應(yīng)用Matlab仿真比較表明,該控制系統(tǒng)具有更好的動態(tài)性能和魯棒性,其控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)PID串級控制系統(tǒng)。

置換蒸煮系統(tǒng)；溫差控制；蒸煮鍋；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID；串級解耦

(*E-mail: 401371274@qq.com)

在置換蒸煮制漿系統(tǒng)中,蒸煮鍋是壓力容器,由于其復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特殊的工作環(huán)境,一般通過在鍋體循環(huán)管路安裝溫度儀來間接測定鍋內(nèi)溫度。蒸煮鍋體積較大,上下高度十幾米,因此上下循環(huán)管路的溫度并不能真實(shí)地體現(xiàn)蒸煮鍋上部和下部漿料的溫度。為防止產(chǎn)生不均勻的蒸煮現(xiàn)象,要求蒸煮鍋內(nèi)溫差保持在5℃以內(nèi),而蒸煮鍋多數(shù)采用蒸汽外部強(qiáng)制加熱,將蒸煮液加熱到所需的最高溫度,再將蒸煮液循環(huán)到鍋內(nèi)對漿料進(jìn)行加熱。在該過程中通常根據(jù)頂部與底部蒸煮液的回流量來調(diào)節(jié)鍋內(nèi)溫差,但頂部與底部流量存在強(qiáng)耦合關(guān)系。此外鍋內(nèi)壓力、藥液成分、熱交換器出口藥液溫度等因素都會影響蒸煮鍋內(nèi)溫度。因此蒸煮鍋溫差控制具有耦合性、時變性和非線性等特點(diǎn),常規(guī)PID串級控制不能滿足要求,對能量浪費(fèi)也比較大。本課題在改進(jìn)蒸煮鍋測量方法的基礎(chǔ)上,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID串級解耦控制對蒸煮鍋頂部和底部溫度進(jìn)行控制,很好地解決了蒸煮鍋溫差控制耦合性、時變性和非線性等問題。

1　蒸煮鍋溫度測量方法改進(jìn)

現(xiàn)行的置換蒸煮系統(tǒng)通過在上中下循環(huán)管路安裝溫度測量儀來間接測量蒸煮鍋內(nèi)溫度,如圖1中TI-156,TI-154,TI-155所示。這樣其實(shí)很難獲取蒸煮鍋內(nèi)實(shí)際的溫度和溫差,因?yàn)樵谏郎乇剡^程中,蒸煮液被循環(huán)泵從蒸煮鍋中部篦子抽出,經(jīng)中壓蒸汽加熱后,分別由蒸煮鍋頂部和底部篦子回流進(jìn)入鍋內(nèi)。安裝在中部的儀表TI-154可以用來表征鍋內(nèi)中部藥液溫度,因?yàn)檎糁笠簭恼糁箦亙?nèi)往外流,而底部和上部的溫度儀表測的是蒸汽加熱后上下管路的溫度,液體從蒸煮鍋外向內(nèi)流動。因此TI-156和TI-155并不能真實(shí)地表征蒸煮鍋內(nèi)上下藥液溫度,不能準(zhǔn)確獲得蒸煮鍋內(nèi)上下藥液溫差[1-3]。

圖1　置換蒸煮系統(tǒng)升溫保溫過程示意圖

現(xiàn)行工藝之所以不直接在鍋體開孔插入溫度儀測溫,是因?yàn)樵谡糁筮^程中蒸煮鍋是壓力容器,同時在蒸煮開始時要往蒸煮鍋中加入木片,會砸壞伸入其中的溫度儀。考慮到這些因素,本課題提出在蒸煮鍋上下緊挨鍋壁部分焊接上兩個316不銹鋼管,如圖2所示。在管子末端開有小孔用來取液,上部取液管長度應(yīng)深入到上部循環(huán)管路位置,從而滿足升溫保溫階段蒸煮鍋內(nèi)上部取液要求,然后在管內(nèi)安裝溫度測量儀。挨著管壁的管子不僅使管子自身不被破壞,同時也不影響蒸煮鍋的裝鍋量,避免形成大量竄道,防止不均勻蒸煮現(xiàn)象的產(chǎn)生,管子末端開造的小孔將一部分蒸煮液從木片中間分離出來,便于準(zhǔn)確測量蒸煮液溫度。這樣不僅滿足了取液測溫的要求,同時也保證了蒸煮料塞結(jié)構(gòu)不被破壞,在不破壞鍋體結(jié)構(gòu)和蒸煮過程機(jī)理的同時準(zhǔn)確測得蒸煮鍋體內(nèi)部上下藥液溫度,便于進(jìn)一步控制蒸煮鍋內(nèi)溫差。

圖2　蒸煮鍋測溫取液管示意圖

如此設(shè)計(jì)用TI-156和TI-155分別測得蒸煮鍋上下部分藥液溫度并通過控制回路FIC-159和FIC-158控制上下藥液的回流量使蒸煮鍋內(nèi)上下溫度都達(dá)到相同設(shè)定值,從而消除蒸煮鍋內(nèi)的藥液溫差。

圖3　改進(jìn)后的升溫保溫過程示意圖

2　溫差控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、參數(shù)整定與工程指標(biāo)聯(lián)系密切,但是控制器的參數(shù)難以自動調(diào)整以適應(yīng)外界環(huán)境的變化,因此難以對復(fù)雜過程和參數(shù)慢時變系統(tǒng)進(jìn)行有效控制。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很好的自學(xué)習(xí)適應(yīng)能力、并行信息處理能力和容錯性能,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合所得的控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性,可以很好地解決蒸煮鍋溫差控制系統(tǒng)的耦合性、時變性和非線性等問題。

2.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于其具有逼近任意非線性函數(shù)的能力,而且結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)算法簡單明確,因此在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制中常采用BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來建立PID控制器。通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身的學(xué)習(xí),從而可以找到某一最優(yōu)控制律下的P、I、D參數(shù)?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示,控制器由兩部分組成。

圖4　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制結(jié)構(gòu)框圖

(1)經(jīng)典的PID控制器：直接對被控對象進(jìn)行閉環(huán)控制,并且KP、KI、KD3個參數(shù)為在線整定。

(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN：根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)對應(yīng)于PID控制器的3個可調(diào)參數(shù)KP、KI、KD。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、調(diào)整權(quán)系數(shù),從而使其穩(wěn)定狀態(tài)對應(yīng)于某種最優(yōu)控制律下的PID控制器參數(shù)。PID的控制算式見公式(1)。

u(k)=u(k-1)+KPΔe(k)+KIe(k)+KDΔ2e(k)

(1)

式中,KP、KI、KD分別為比例、積分、微分系數(shù)。將KP、KI、KD作為依賴于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的可調(diào)系數(shù)時,可將公式(1)描述為公式(2)。

u(k)=f[u(k-1),KP,KI,KD,e(k),Δe(k),Δ2e(k)]

(2)

圖6　控制系統(tǒng)框圖

圖5　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID串級解耦控制系統(tǒng)

3　仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1系統(tǒng)仿真及其分析

仿真結(jié)果如圖7和圖8所示,當(dāng)系統(tǒng)階躍響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域后,在1000 s處添加一次正干擾信號,在2000 s處添加二次負(fù)干擾信號,結(jié)果表明采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID串級解耦控制的流量-溫度串級控制系統(tǒng)比普通的PID串級控制能夠以更小的超調(diào)量在更短的時間內(nèi)達(dá)到設(shè)定值,對干擾的抑制效果也更加明顯,表明本課題提出的控制方案可以根據(jù)系統(tǒng)誤差及其變化率對PID的3個參數(shù)進(jìn)行修正,控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)曲線更好。

圖7　常規(guī)PID串級控制系統(tǒng)仿真曲線

圖8　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID串級解耦控制系統(tǒng)仿真曲線

3.2運(yùn)行結(jié)果及其分析

該控制系統(tǒng)已經(jīng)在四川某紙業(yè)的置換蒸煮車間成功試運(yùn)行,圖9為實(shí)際運(yùn)行中的蒸煮鍋頂部和底部溫度監(jiān)控畫面,其中TT_156為頂部溫度控制曲線,TT_155為底部溫度控制曲線。由圖9可以看出實(shí)際運(yùn)行結(jié)果和仿真結(jié)果十分相似,對蒸煮鍋頂部和底部設(shè)定相同的溫度值,然后采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID串級解耦系統(tǒng)進(jìn)行控制,可以將蒸煮鍋上下部分溫度都穩(wěn)定在同一個設(shè)定值,大大減小了蒸煮鍋上下部分的溫差。

圖9　實(shí)際運(yùn)行中的溫度監(jiān)控畫面

實(shí)際結(jié)果表明，本課題提出的控制方案可以根據(jù)系統(tǒng)誤差及其變化率對PID的3個參數(shù)進(jìn)行修正,控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)曲線更好,很好地解決了蒸煮鍋溫度控制時滯性、時變性和非線性等問題,避免蒸煮鍋溫度控制過程中溫度的大幅度跳動,使蒸煮鍋上下溫度穩(wěn)定在同一設(shè)定值,從而消除蒸煮過程蒸煮鍋內(nèi)的溫差,保證了蒸煮鍋頂部和底部藥液溫度均勻一致。

4　結(jié)　語

在改進(jìn)置換蒸煮鍋溫度測量方法的基礎(chǔ)上,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID串級解耦控制系統(tǒng)對蒸煮鍋頂部和底部溫度進(jìn)行控制,可以將蒸煮鍋頂部和底部的溫度穩(wěn)定在相同的設(shè)定值從而消除誤差,解決了蒸煮鍋溫度控制時滯性、時變性和非線性等問題,控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)PID串級控制系統(tǒng)。

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(責(zé)任編輯：馬忻)

Improved Temperature Measurement and Temperature Difference Control of the Displacement Digester

TANG Wei1YANG Peng-fei2,*DANG Shi-hong2

(1.CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021；2.CollegeofLightIndustryandEnergy,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

Aiming at the difficulties of eliminating temperature difference in the displacement digester, this paper proposed a new method for measuring temperature based on the traditional digester temperature measurements. With combining neural network control, PID cascade control and decoupling control, a neural network PID cascade decoupling control system was proposed. The problems of time delay, time-varying and nonlinear in digester temperature control were solved, Matlab simulation comparison showed that the neural network PID cascade control system had better dynamic performance and robustness, its control performance was superior to the normal PID control system.

displacement digester system； temperature difference control； digester； neural network PID； cascade decoupling

湯偉先生，博士，教授；主要研究方向：制漿造紙全過程自動化、工業(yè)過程高級控制、大時滯過程控制及應(yīng)用。

2015-12-25(修改稿)

本課題得到國家國際科技合作項(xiàng)目(2010DFB43660) 及陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(2014KCT-15)的資助。

楊鵬飛先生，E-mail：401371274@qq.com。

TS733+.2

ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.07.010