李新衛(wèi)

摘 要 轉輪濃縮系統(tǒng)中分子篩的再生是利用壓力和溫度兩方面的因素，將純化器中的吸附質排出去。為了減少熱量損耗和機械疲勞，需要精確控制升壓、卸壓的速度。這對減小吸附劑受到的沖擊，延長吸附劑壽命非常重要。設計了滑模變結構控制器來控制升壓的速率。結果表明對分子篩優(yōu)化控制的引入，減少切換過程的波動，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以使裝置運行更加穩(wěn)定，起到節(jié)能降耗的作用，同時降低操作人員的工作強度。

關鍵詞 分子篩 升壓 滑模變結構 仿真

轉輪分子篩系統(tǒng)在處理大風量低濃度的廢氣、連續(xù)性操作、效率穩(wěn)定度、廢氣排放狀況均優(yōu)于固定床系統(tǒng)，轉輪同時亦有低壓損、無吸附損耗、極少可移動組件的優(yōu)點。

分子篩切換過程是造成進入氣流波動的主要原因。其控制質量直接影響到設備的穩(wěn)定運行。隨著分子篩工藝的發(fā)展，分子篩切換控制方式有曲線控制、壓力變化PID控制等。本文在分子篩切換過程中，對上下游工況最大的干擾因素一一升壓過程的優(yōu)化控制進行了研究。

通過滑模變結構控制方案的引入，減少切換過程的波動，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，起到節(jié)能降耗的作用，同時降低操作人員的工作強度。這種控制策略與其他不同之處在于系統(tǒng)的“結構”并不固定，而是可以在動態(tài)過程中，根據(jù)系統(tǒng)當前的狀態(tài)（如偏差及其各階導數(shù)等）有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預定“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動。由于滑動模態(tài)可以進行設計與對象參數(shù)及擾動無關，這就使得變結構控制具有快速響應、對參數(shù)變化及擾動不靈敏、無需系統(tǒng)在線辨識、物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。

1解決方案分析

轉輪濃縮系統(tǒng)中分子篩的再生是利用壓力和溫度兩方面的因素，將純化器中的吸附質排出去。其再生流程包括：高壓隔離、卸壓、放空、加熱、冷吹、低壓隔離、升壓、并聯(lián)幾個步驟。為了減少熱量損耗和機械疲勞，希望分子篩切換的循環(huán)周期盡可能長，而升壓和降壓時間盡可能短，以減少再生后的等待時間。但氣流在分子篩內的穿行速度不能超出一定的允許范圍，以減少機械損耗。因此需要精確控制升壓、卸壓的速度。這對減小吸附劑受到的沖擊，延長吸附劑壽命非常重要。

升壓是通過開啟升壓閥來平衡工作狀態(tài)，并使再生后分子篩均壓。在升壓前期，由于分子篩升壓閥前后壓差較大，通過升壓閥的空氣流量隨著閥門的開啟快速增加，導致分子篩后的空氣流量逐漸下降，此時的空壓機入口導葉開啟緩慢，無法及時補充這部分的空氣流量，造成實際的空氣流量低于設定值。在升壓的后期，雖然升壓閥持續(xù)增大，但隨分子篩壓差逐漸減少，通過升壓閥的流量快速下降?？諌簷C入口導葉關閉不及時，導致分子篩后的空氣流量快速升高。整個過程中空氣的流量波動明顯，在-7000～+10000Nm3/h左右，對整個系統(tǒng)有著較大影響。

2轉輪分子篩升壓過程滑?？刂破鞯脑O計

對于轉輪分子篩升壓系統(tǒng)，選取升壓閥開啟速率為控制對象，壓差變化為控制變量。基于轉輪分子篩升壓過程是一個高度非線性系統(tǒng)，許多非線性因素和不確定參數(shù)包含于其中，因此選擇滑模變結構控制以增強系統(tǒng)對攝動、不確定性及外部擾動的自適應性。

2.1滑模切換面的設計

轉輪分子篩的升壓過程可以看作是一階非線性單輸入系統(tǒng)。壓力控制的目標是尋找升壓閥前后壓力的變化規(guī)律，使得跟蹤壓差趨近于零。設置為最佳壓差變化率，則就是最佳壓差變化率對時間的導數(shù)。在本次設計中僅考慮外界溫度、濕度等條件恒定的情況，則最佳壓壓差變化率為常數(shù)，所以導數(shù)為零?？刂破鞯脑O計目標是使得系統(tǒng)的狀態(tài)趨向于。

定義滑模函數(shù)： （1）

式中：為設計參數(shù)；e為狀態(tài)偏差量。因為轉輪分子篩模型為一階系統(tǒng)，因此，切換函數(shù)為： （2）

在廣義滑模條件下按等速趨近率設計的滑?？刂破鳎袚Q函數(shù)應滿足

（3）

在滿足上式時系統(tǒng)就滿足了廣義滑模的條件，也就滿足了滑模切換面的存在性和可達性。

2.2控制器的切換面可達性分析

等效控制的幾何意義在于：在控制面s=0的壓差變化是間斷的，可能為正，也可能為負。用某種意義下的平均值代替此切換控制，此系統(tǒng)沿著s=0的切換面上走，這樣才能保證滑動模態(tài)的產生。

忽略系統(tǒng)不確定性和上下游設備產生外部擾動，由系統(tǒng)狀態(tài)沿著滑動面運動的必要條件，可求得等效壓力變化：

（4）

式中：為描述分子篩系統(tǒng)方程里的函數(shù)。

等效壓差確保系統(tǒng)狀態(tài)到達滑模面后能夠保持在滑模面上，系統(tǒng)的運動規(guī)律僅由滑動面動態(tài)特性決定，當系統(tǒng)狀態(tài)不在滑模面上或者系統(tǒng)運動店偏離滑模面時，也就是在滑模面s=0以為，則需要加入一個控制項，使得相軌跡朝著滑模面的方向運動。定義壓力差的控制規(guī)律為： （5）

式中：sgn為符號函數(shù)；K為控制增益。

滿足切換面的可達性，必須滿足，將式帶入下式：

（6）

為了確保切換面的可達性，可以取，其中V0是開始時刻的壓力變化速度，則有： （7）

既滿足了可達性條件。

用Matlab中 的Simulink模塊對系統(tǒng)進行仿真。階躍信號模擬的是最終壓力的維持值?；Ｗ兘Y構控制其響應特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制，具有較好的魯棒性。

3結論

通過對分子篩升壓過程的描述，分析了分子篩升壓過程中的流量波動情況及造成波動的原因。通過對幾種常見的優(yōu)化控制方式的描述，分析了其優(yōu)缺點。通過對分子篩升壓過程中閥門流動特性、流量變化情況的研究，采用滑模變結構控制來對控制系統(tǒng)進行了設計。仿真效果表明新設計的控制器無論動態(tài)精度還是穩(wěn)態(tài)性能都取得了較好的控制效果。