基于內(nèi)模的萃取釜溶劑流量控制系統(tǒng)研究

張弘揚，尤 文，吳立斌

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

本文將內(nèi)?？刂茟?yīng)用到萃取釜CO2流量控制過程之中，克服了擾動不可測的現(xiàn)象，并提高了CO2流量補償系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而達到了提高收率和節(jié)約能源的目的。

1 超臨界萃取工藝介紹

近年來，超臨界萃取技術(shù)發(fā)展迅速，是現(xiàn)代化工行業(yè)的全新分離工藝，并成為了一門現(xiàn)代化工分離技術(shù)方面的新學(xué)科。通過控制氣體的壓力和溫度，使萃取劑的密度接近于液體的密度，而黏度接近于氣體的黏度，這種狀態(tài)稱為氣體的超臨界狀態(tài)。這樣就使得萃取劑具有較大的擴散系數(shù)，較小的黏度且增大了介電常數(shù)。以上特點使得超臨界流體的擴散能力增強，分離效果提高，超臨界流體的萃取率較傳統(tǒng)萃取劑有了大幅提高［4］。

由于CO2具有易于獲得、價格低廉、綠色環(huán)保、無色無味，萃取后直接氣化分離無殘留等優(yōu)點，故而被廣泛用作超臨界萃取的萃取劑，且CO2的壓力較容易控制，萃取溫度接近室溫。此外，CO2還可通過增壓泵循環(huán)使用，對于食品藥品等純凈度要求較高的產(chǎn)品而言，CO2是最理想的萃取劑［5］。超臨界萃取技術(shù)在歐美日等發(fā)達國家日漸成熟，并已基本實現(xiàn)工業(yè)化。

通過對超臨界萃取工藝過程的分析，采用恒壓泵作為CO2輸液泵，在加壓輸送過程中，液態(tài)CO2被壓縮產(chǎn)生熱量，若不及時將該熱量和泵運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的熱量排掉，則進入泵缸內(nèi)的CO2液體則會被氣化，使溶劑流量減少，嚴重干擾流量控制精度。為此需研究流量補償控制算法，抵消甚至消除上述干擾對系統(tǒng)的影響，提高溶劑流量的控制精度［6］。

2 超臨界萃取流量補償建模

研究對象為HA221－40－11 型超臨界萃取裝置，在超臨界CO2萃取劑進入萃取釜之前會有一部分損失，所以要對超臨界狀態(tài)的CO2流量進行補償。首先用金屬轉(zhuǎn)子流量計測量進入萃取釜的超臨界狀態(tài)的CO2流量，再經(jīng)流量變送器將信號送至PLC，由控制策略計算輸出控制結(jié)果，控制調(diào)節(jié)閥電機，輸入控制電流正比于調(diào)節(jié)閥的開合度，由此便可利用輸出的交流電壓來間接調(diào)控調(diào)節(jié)閥，即可通過調(diào)節(jié)電壓來控制流量，從而建立了流量與輸出電壓的關(guān)系［7－9］。流量控制結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 流量控制結(jié)構(gòu)圖

使用直流伺服電機來控制調(diào)節(jié)閥的電機，圖2 為直流伺服電機模型。

圖2 直流伺服電機模型

其中，R 是電樞電阻;L 是電樞電感;i 是電樞電流;u 是輸入電壓;U'是感應(yīng)電動勢;T 是電機的電磁轉(zhuǎn)矩;θ 為電動機的輸出角;B 是一種黏性阻尼系數(shù);J 是轉(zhuǎn)動慣量。根據(jù)基爾霍夫定律有

本研究也存在一些不足，第一主成分涵蓋了商業(yè)、金融、辦公、生活服務(wù)、住宅等信息，除了提取商業(yè)區(qū)之外，還能夠反映居住區(qū)的分布。因為居住區(qū)其實是公共服務(wù)設(shè)施相對比較完善的區(qū)域，這與第一主成分表達的特征相似。合理選擇主成分得分的閾值，將有助于識別居住區(qū)及其分布特征。還可以嘗試將主成分作為特征變量，對樣本進行聚類或者判別分析，進一步識別功能區(qū)以及城市總體布局，這也是今后主要的研究方向。

根據(jù)牛頓第二定律有

對上式進行拉普拉斯變換得

綜上可得

調(diào)節(jié)閥的開合度與直流伺服電機輸出角度成正比

溶劑流量與開合度成正比

則

經(jīng)整理得

綜上得流量與輸入電壓的傳遞函數(shù)為

式中，J=3.23 mg·m2，B=3.51 μN·m·s，R=4 Ω，L=2.75 μH，Ki=Ke=0.03(N·m)A，ε=10.8。

3 內(nèi)?？刂破髟O(shè)計

3.1 內(nèi)?？刂圃?/h3>

內(nèi)?？刂剖切滦偷目刂品椒?，內(nèi)模控制器有多種優(yōu)點，控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 中的虛線框圖所示。其中內(nèi)?？刂破鳛镚IMC(s);受控過程為Gp(s);過程模型為Gm(s);擾動通道傳遞函數(shù)為D(s)。

圖3 內(nèi)模控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

設(shè)虛線框圖中等價反饋控制器為Gc(s)，則

所以圖1 中的輸入輸出關(guān)系可表達為

綜上各式整理得到系統(tǒng)的閉環(huán)響應(yīng)為

由上式可看出，若無外界擾動且模型足夠精確D(s)=0，Gm(s)=Gp(s)。反饋信號是零，這表明在輸入已知的情況下，IMC 控制系統(tǒng)具有開環(huán)結(jié)構(gòu)的特性。即若過程和過程輸入均完全清楚，只需前饋控制，而無需反饋控制。IMC 控制系統(tǒng)還具有對偶穩(wěn)定性的特點，只需滿足過程控制Gp(s)與控制器GIMC(s)均穩(wěn)定的條件，便可使IMC 系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定。內(nèi)?？刂七€具有零穩(wěn)態(tài)偏差特性，所以在設(shè)計內(nèi)?？刂破鲿r不必考慮積分環(huán)節(jié)了。只需滿足GIMC(s)=Gm(s)的條件，IMC控制器便可達到理想的控制效果。

3.2 內(nèi)?？刂破鞯脑O(shè)計

內(nèi)?？刂破鞯脑O(shè)計分為將Gm(s)分解成為Gm+(s)和及IMC 控制器兩個步驟，)是一個全通濾波器傳遞函數(shù);是穩(wěn)定和不含有預(yù)測項的傳遞函數(shù)。在設(shè)計IMC 控制器時，需要在Gm－(s)上加入濾波器，這可增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。即，其中f(s)是低通濾波器，f(s)的作用是使GIMC(s)變?yōu)橛欣?。其中，a 是內(nèi)?？刂破魑ㄒ恍枰ǖ膮?shù)。

假設(shè)模型匹配，則

由于模型是三階的，故選取r=3。則控制器為

4 基于內(nèi)?？刂频腗atlab/Simulink 仿真

在完成了內(nèi)?？刂破鞯脑O(shè)計后，使用Matlab/Simulink對控制器進行仿真［10－11］，使用Simulink 軟件構(gòu)建IMC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，并通過觀察示波器上的仿真曲線，利用反復(fù)試驗，選擇出合適的a 值，使系統(tǒng)獲得穩(wěn)定的動態(tài)性能。當(dāng)取a=0.1 時，仿真曲線如圖4所示。

圖4 內(nèi)模控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線1

當(dāng)取a=0.01 時，仿真曲線如圖5 所示。

圖5 內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)響應(yīng)曲線2

當(dāng)取a=0.001 時，仿真曲線如圖6 所示。

圖6 內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)響應(yīng)曲線3

綜上分析，可看出當(dāng)取a=0.1 時，調(diào)節(jié)時間為1 s;當(dāng)取a=0.01 時，調(diào)節(jié)時間為0.1 s;當(dāng)取a=0.001 時，響應(yīng)曲線發(fā)生超調(diào)。經(jīng)試驗，得到了a 的最佳取值為0.01，即當(dāng)取a=0.01 時，系統(tǒng)具有最佳的動態(tài)性能。

5 結(jié)束語

超臨界萃取溶劑流量補償精準與否直接影響到萃取效果和質(zhì)量，所以對超臨界萃取溶劑流量進行補償意義重大。采用內(nèi)?？刂茖α髁空{(diào)節(jié)閥進行控制，并對設(shè)計的IMC 控制系統(tǒng)進行了Matlab/Simulink 仿真，仿真結(jié)果表明，該控制器提高了系統(tǒng)的魯棒性和控制精度，且使得溶劑流量補償控制更精確。

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