張浩強(qiáng)，羅相巧，黃鴻濱，韋美良，蔡 柳，盧森幸

(河池學(xué)院， 廣西 宜州 546300)

0 引 言

中國傳統(tǒng)白酒釀制工藝歷史悠久，其生產(chǎn)效率低下，很多制酒企業(yè)機(jī)械化程度低，導(dǎo)致釀制原材料存在較大的原材料浪費(fèi)和污染排放，因此白酒釀制工藝中的節(jié)能蒸餾技術(shù)得到重視[1]。

相關(guān)白酒釀造過程的節(jié)能蒸餾技術(shù)已有不少研究：李超等[2]發(fā)明了雙蒸餾甑白酒的壓差蒸餾節(jié)能生產(chǎn)裝置，降低了生產(chǎn)能耗；張超等[3]給出了白酒釀造耗水量的降低方案，冷酒水選取軟水，高溫軟水既降溫循環(huán)再利用，又可用于鍋爐產(chǎn)蒸汽，冷酒器分段通入低溫軟水和循環(huán)水；黃亞東[4]開發(fā)出一種太陽能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，基于固態(tài)發(fā)酵法白酒連續(xù)蒸餾裝置確定了蒸汽發(fā)生系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)，改善并提高了水質(zhì)量；陳璽燁等[5]將溴化鋰制冷機(jī)組產(chǎn)生的循環(huán)冷凍水用于白酒蒸餾降溫，通過工業(yè)余熱達(dá)到節(jié)能減排的目的。檢索已有文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)白酒蒸餾系統(tǒng)輸出管路壓力控制研究較少，因此開展此方面研究，對(duì)白酒釀造系統(tǒng)壓力控制技術(shù)具有一定理論指導(dǎo)。

基于白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路壓力控制的高精度、快響應(yīng)要求，筆者以白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其輸出管路壓力控制特性開展了相關(guān)研究，首先介紹了白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路壓力閉環(huán)控制原理，并搭建關(guān)鍵元件數(shù)學(xué)模型，控制器選用工控機(jī)控制的增量式PID控制器，并采用果蠅和Ziegler-Nichols算法對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行了尋優(yōu)，對(duì)壓力控制模型施加階躍信號(hào)、1 Hz和2 Hz的正弦信號(hào)進(jìn)行仿真對(duì)比分析，在1 Hz和2 Hz正弦信號(hào)下，兩種控制算法優(yōu)化的節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路壓力控制跟蹤性能均較好，從仿真結(jié)果對(duì)比得出，果蠅算法優(yōu)化的壓力控制系統(tǒng)對(duì)正弦信號(hào)的響應(yīng)性能優(yōu)于Ziegler-Nichols算法，為白酒節(jié)能蒸餾輸出管路壓力控制提高理論參考。

1 輸出管路壓力閉環(huán)控制原理及其數(shù)學(xué)模型

白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路壓力傳感器布置點(diǎn)示意圖如圖1所示。

圖1 節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路壓力控制布置圖

在白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路壓力控制關(guān)系到灌裝效率，為提升灌裝效率，需要嚴(yán)格控制輸出管路壓力，采用閉環(huán)控制原理進(jìn)行控制，白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路壓力閉環(huán)控制原理如圖2所示。

圖2 節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路壓力閉環(huán)控制原理

白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路壓力主要通過蒸汽壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥口開度x、控制器和壓力傳感器控制。

輸出管路流量Q滿足：

(1)

式中：C定義為流量系數(shù)；W為閥口節(jié)流面積梯度；ρ為液壓油的密度；p為輸出管路壓力。

位移傳感器數(shù)學(xué)模型為：

Uf=Kfxp

(2)

式中：Kf為位移反饋增益，V/m；Uf為反饋電壓，V；xp為輸出位移，m。

控制器選用工控機(jī)控制的增量式PID控制器，其表達(dá)式為：

(3)

(1) 基于果蠅算法對(duì)PID控制器參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，圖中pin為輸出管路指定壓力，pout為輸出管路壓力實(shí)際值，e為輸出管路指定壓力和輸出管路壓力實(shí)際值之間的差值。

圖3 果蠅算法優(yōu)化PID控制器

基于果蠅算法進(jìn)行的優(yōu)化流程圖如圖4所示。

圖4 果蠅算法優(yōu)化流程圖

設(shè)置果蠅初始種群大小為30，迭代次數(shù)30。蒸汽壓力PID控制器3個(gè)參數(shù)Kp、Ki和Kd的初始取10、0.5和0.3，搜索范圍設(shè)置為(0，100)。

優(yōu)化過程基于時(shí)間誤差絕對(duì)值積分性能指標(biāo)(ITAE)作為指標(biāo)函數(shù)，如式(4)所示：

(4)

式中：當(dāng)t→∞，e(t)→0時(shí)Q(Kp,Ki,Kd)才具有收斂性。

經(jīng)過30代迭代，果蠅適應(yīng)度提高，可獲得果蠅算法優(yōu)化后的三個(gè)參數(shù)，如表1所列。

表1 果蠅算法結(jié)果

(2) 基于Ziegler-Nichols算法優(yōu)化時(shí)，Ki和Kd設(shè)置為0，增大Kp，系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩時(shí)，Kp=Kmax，系統(tǒng)振蕩周期為Tc，Kp、Ki和Kd的設(shè)置見表2所列。

表2 Kp、Ki和Kd設(shè)置

經(jīng)Ziegler-Nichols算法優(yōu)化三個(gè)參數(shù)的結(jié)果如表3所列。

表3 Ziegler-Nichols算法優(yōu)化參數(shù)結(jié)果

3 輸出管路壓力控制性能分析

基于Simulink的系統(tǒng)構(gòu)建白酒節(jié)能蒸餾輸出管路壓力控制仿真模型，如圖5所示。

圖5 節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路壓力控制仿真模型

(1) 節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路施加階躍信號(hào)，仿真得到階躍響應(yīng)對(duì)比曲線，如圖6所示，圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為輸出管路壓力。

圖6 節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路階躍響應(yīng)對(duì)比曲線

基于Ziegler-Nichols和果蠅算法優(yōu)化的系統(tǒng)性能對(duì)比見表4所列。

表4 階躍響應(yīng)仿真結(jié)果對(duì)比

由表5可知，基于果蠅算法，節(jié)能蒸餾輸出管路壓力響應(yīng)曲線超調(diào)量縮小了39%，調(diào)整時(shí)間下降了33%，穩(wěn)態(tài)誤差降低了17.7%?？梢?，果蠅算法優(yōu)化能力強(qiáng)于Ziegler-Nichols算法。

對(duì)白酒節(jié)能蒸餾輸出管路壓力施加1 Hz和2 Hz的正弦信號(hào)進(jìn)行仿真，如圖7和圖8所示。

圖7 1 Hz正弦信號(hào)壓力跟蹤特性對(duì)比

圖8 2 Hz正弦信號(hào)壓力跟蹤特性對(duì)比

優(yōu)化后的控制器性能對(duì)比參數(shù)選取兩個(gè)指標(biāo)：最大跟蹤誤差Me和平均跟蹤誤差μ，見方程式(5)和式(6)：

(5)

(6)

1 Hz正弦信號(hào)下，白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路壓力跟蹤特性對(duì)比如表5所示。

表5 1 Hz正弦信號(hào)壓力跟蹤特性對(duì)比

由表4可知：在1 Hz正弦信號(hào)下，相比較于Ziegler-Nichols算法，果蠅算法的最大跟蹤誤差縮小了34.1%，平均跟蹤誤差縮小了46.9%。

2 Hz正弦信號(hào)下，白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路壓力跟蹤特性對(duì)比如表6所列。

表6 2 Hz正弦信號(hào)壓力跟蹤特性對(duì)比

由表6可知：在2 Hz正弦信號(hào)下，相比于Ziegler-Nichols算法，果蠅算法最大跟蹤誤差縮小了41.2%，平均跟蹤誤差縮小了54.6%。

在1 Hz和2 Hz正弦信號(hào)下，兩種控制算法優(yōu)化的節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路壓力控制跟蹤性能均較好，從仿真結(jié)果對(duì)比得出，果蠅算法優(yōu)化的壓力控制系統(tǒng)對(duì)正弦信號(hào)的響應(yīng)性能優(yōu)于Ziegler-Nichols算法。

4 結(jié) 語

基于白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路壓力控制的高精度、快響應(yīng)要求，筆者以白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其輸出管路壓力控制特性開展了相關(guān)研究，首先介紹了白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路壓力閉環(huán)控制原理，并搭建關(guān)鍵元件數(shù)學(xué)模型，采用果蠅和Ziegler-Nichols算法對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行了尋優(yōu)，對(duì)壓力控制模型施加階躍信號(hào)、1 Hz和2 Hz的正弦信號(hào)進(jìn)行仿真，在1Hz和2Hz正弦信號(hào)下，兩種控制算法優(yōu)化的節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路壓力控制跟蹤性能均較好，從仿真結(jié)果對(duì)比得出，果蠅算法優(yōu)化的壓力控制系統(tǒng)對(duì)正弦信號(hào)的響應(yīng)性能優(yōu)于Ziegler-Nichols算法，為白酒節(jié)能蒸餾輸出管路壓力控制提供理論參考。