模糊PID控制在乳酸精制工藝中的應(yīng)用與研究

吳金祥，李錫文

（華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

0 引言

乳酸是化工、輕工、食品和醫(yī)藥產(chǎn)品的重要原料。乳酸可以通過化工合成或發(fā)酵法獲得。乳酸的提純與精制有多種方法，如活性碳脫色法、乳酸鈣結(jié)晶法、酯化法、萃取法、離子交換法和蒸餾法等［1］。但是以上方法均存在各種各樣的限制，不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。

1 控制目標(biāo)

雙蒸餾法即刮膜蒸餾和短程蒸餾聯(lián)用的方法［1］。刮膜蒸餾需要用到刮膜蒸發(fā)器，刮膜蒸發(fā)系統(tǒng)如圖1所示。在圖1中，出料泵將原料罐內(nèi)的原料乳酸輸送到刮膜蒸發(fā)器內(nèi)，通過控制出料的調(diào)節(jié)閥CV100來控制出料的流量。在刮膜蒸發(fā)器進(jìn)料之前，通過液環(huán)真空泵將刮膜蒸發(fā)器內(nèi)氣壓抽到3 kPa以內(nèi)。進(jìn)入刮膜蒸發(fā)器的乳酸原料被旋轉(zhuǎn)刮膜器刮成薄膜，在重力的作用下沿刮膜蒸發(fā)器內(nèi)壁向下流動(dòng)。由于刮膜蒸發(fā)器內(nèi)壁溫度較高且刮膜蒸發(fā)器內(nèi)氣壓非常低，所以乳酸原料中的水分快速蒸發(fā)成水汽，被液環(huán)真空泵抽走，這樣就達(dá)到了蒸發(fā)水分的效果。

圖1 刮膜蒸發(fā)工藝設(shè)備布置

在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，工藝要求刮膜蒸發(fā)器夾套蒸汽壓力保持恒定，刮膜蒸發(fā)器內(nèi)液位保持恒定。蒸汽壓力保持恒定比較容易控制，采集P100壓力傳感器的壓力信號(hào)，進(jìn)行反饋PID控制蒸汽調(diào)節(jié)閥CV101的開度，就可以滿足蒸汽壓力控制的要求。刮膜液位的控制受到進(jìn)料流量的波動(dòng)、原料含水量不同和蒸汽夾套壓力波動(dòng)等因素的影響，較難控制。課題的目標(biāo)是找到一種控制方法，通過控制刮膜蒸發(fā)器的進(jìn)料流量，使三濃刮膜蒸發(fā)器內(nèi)的液位保持穩(wěn)定，保證整個(gè)乳酸精制的生產(chǎn)過程平穩(wěn)進(jìn)行。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目來自于湖北漢川某大型乳酸廠，需要設(shè)計(jì)的是一整套乳酸精制工段的控制系統(tǒng)，而非單獨(dú)控制刮膜蒸發(fā)器系統(tǒng)。考慮到項(xiàng)目需要采集控制的資源較多，涉及各種傳感器共127支，控制開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥和電機(jī)等85臺(tái)，故應(yīng)選用運(yùn)行速度較快，內(nèi)存較大的CPU。同時(shí)為了保證系統(tǒng)的可靠性，最好采用能夠?qū)崿F(xiàn)雙機(jī)熱備冗余的系統(tǒng)。經(jīng)過最終的權(quán)衡，選擇西門子 S7－400 412－5H CPU 套件，套件包含2組CPU。2組CPU之間通過光纖進(jìn)行高速通訊，使運(yùn)行CPU里面的運(yùn)行數(shù)據(jù)即時(shí)同步到備份CPU里。當(dāng)運(yùn)行CPU發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能夠切換到備份CPU上繼續(xù)運(yùn)行，切換時(shí)間達(dá)到毫秒級(jí)。

為了能夠方便地設(shè)置各種工藝參數(shù)，以及直觀地監(jiān)控乳酸精制工藝過程，系統(tǒng)采用工業(yè)觸摸屏作為人機(jī)交互終端。工業(yè)觸摸屏通過工業(yè)以太網(wǎng)與CPU模塊通訊。

由于現(xiàn)場各控制點(diǎn)較為分散，總共分布在5層鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上，所以采用分布式控制系統(tǒng)是一種較為合理的方式。經(jīng)過選擇最終采用PROFIBUS－DP總線，在每一層鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上布置一個(gè)分站，通過PROFIBUS－DP總線將各分站與主備CPU連接起來。通過菊花鏈的連接形式將5個(gè)分站串接成2條PROFIBUS－DP總線。由于CPU采用冗余形式，故每個(gè)分站里應(yīng)包含2個(gè)PROFIBUS－DP的接口模塊。接口模塊型號(hào)為IM153－2，此接口模塊可以接最多12個(gè)PLC模塊。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 乳酸精制工段控制系統(tǒng)

2．2 液位傳感器的選擇

由于需要控制刮膜蒸發(fā)器的液位，故應(yīng)通過安裝液位傳感器測量其液位。刮膜蒸發(fā)器液位測量工況屬于密閉容器并且包含真空環(huán)境。常見的液位傳感器種類有靜壓型、差壓型、超聲波型和導(dǎo)波雷達(dá)型。唯一能夠應(yīng)用在這種工況的是差壓型液位傳感器。差壓型液位傳感器是通過測量兩取壓點(diǎn)之間的壓力差來測量液位。當(dāng)容器上部空氣壓力發(fā)生變化時(shí)，兩取壓點(diǎn)的壓力也發(fā)生變化，但是兩取壓點(diǎn)的壓力差不發(fā)生變化。只有在液位發(fā)生變化時(shí)，兩取壓點(diǎn)壓力差才發(fā)生變化。但是當(dāng)液位超過了上取壓點(diǎn)位置時(shí)，兩取壓點(diǎn)之間壓力差不再隨液位變化而變化，故差壓液位傳感器液位測量的最大范圍是上下兩取壓點(diǎn)高度差。從控制角度來考慮，應(yīng)將液位控制在上取壓點(diǎn)之下，否則液位測量就不準(zhǔn)確了。

差壓傳感器的實(shí)際安裝如圖3所示。以圖3為例，差壓液位測量過程如下所述。

圖3 差壓傳感器實(shí)例

設(shè)差壓傳感器左側(cè)壓力為P1＝Pi＋ρ1g Hu，差壓傳感器右側(cè)壓力為P2＝Pi＋ρ0g Hv，刮膜蒸發(fā)器內(nèi)液面上方氣體壓力為Pi，則在抽真空的情況下，Pi的值在3～101 k Pa之間變化。Hv表示差壓傳感器上下引壓口高度差，在傳感器安裝完成后，此值為固定值。硅油密度為ρ0＝0．96 kg／dm3，乳酸密度為ρ1＝1．25 kg／dm3。

差壓傳感器兩側(cè)的壓力差為：

PΔ為一個(gè)與Pi無關(guān)，與Hu線性相關(guān)的量，這樣就可以消除真空情況對(duì)傳感器液位測量的干擾，通過變送器將PΔ變送到4～20 m A信號(hào)，并連接到PLC，就可以測量出正確的液位。

3 模糊PID實(shí)現(xiàn)

3．1 控制算法分析

根據(jù)乳酸精制工藝特征分析，刮膜蒸發(fā)器的進(jìn)料流量應(yīng)該限定在一定的范圍之內(nèi)，因?yàn)楣文ふ舭l(fā)器的蒸發(fā)能力是有上限的。如果進(jìn)料流量過大，超過刮膜蒸發(fā)器的蒸發(fā)能力，會(huì)造成乳酸原料蒸發(fā)不充分，成品中含水量增加。通過控制進(jìn)料流量來控制刮膜蒸發(fā)器的液位。為了提高生產(chǎn)效率并使整個(gè)生產(chǎn)過程平穩(wěn)進(jìn)行，要求刮膜液位上升快，同時(shí)要求液位超調(diào)量小，刮膜蒸發(fā)器的液位能夠快速穩(wěn)定。

干擾液位控制精度因素有：進(jìn)料流量的波動(dòng)、原料含水量不同和蒸汽夾套壓力波動(dòng)等。刮膜蒸發(fā)器的液位控制是一個(gè)時(shí)變、非線性和存在較大時(shí)滯的控制對(duì)象。項(xiàng)目原本采用PID控制算法來控制液位，但是在實(shí)際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，由于受控對(duì)象的特性，常常造成超調(diào)的現(xiàn)象。在這種情況下又需要人為的調(diào)整PID控制的參數(shù)，使用過程較為復(fù)雜，需要專業(yè)的人員才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，而現(xiàn)場工藝師又達(dá)不到這樣的要求，導(dǎo)致生產(chǎn)出的乳酸成品純度不佳。在這種情況下，將控制算法改為模糊PID控制，可以滿足工藝要求。根據(jù)在現(xiàn)場的實(shí)際調(diào)試情況，設(shè)計(jì)相應(yīng)的模糊規(guī)則，實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)的智能控制。將模糊控制［2］與PID控制相結(jié)合，通過模糊規(guī)則控制PID控制器的參數(shù)，使系統(tǒng)在不同的狀態(tài)下，按照既定的規(guī)則控制PID控制器的參數(shù)，使系統(tǒng)不但具有較快的響應(yīng)速度以及魯棒性，更使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)態(tài)精度。

3．2 模糊PID控制算法設(shè)計(jì)

在模糊PID控制算法中，輸入量是液位的偏差e（t），以及偏差的變化率d e（t）／d t，輸出量是PID的控制參數(shù)KP，KI，KD。模糊PID算法的核心是確定模糊規(guī)則。比例系數(shù)KP是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的偏差值來控制輸出，控制KP的大小可以改變系統(tǒng)的響應(yīng)速度。積分系數(shù)KI是根據(jù)系統(tǒng)的偏差累積來控制輸出，KI的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。微分系數(shù)KD是用系統(tǒng)的當(dāng)前偏差和上一偏差的差值來控制輸出，用來提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

根據(jù)刮膜蒸發(fā)器的液位控制情況，在液位偏差較大時(shí)，偏差變化率較小，應(yīng)增大比例系數(shù)KP，同時(shí)將積分系數(shù)KI變?yōu)?，防止出現(xiàn)積分飽和的現(xiàn)象。積分飽和越深，后期的超調(diào)量就越大。在液位偏差適中時(shí)，可以適當(dāng)設(shè)置一定的積分系數(shù)。在液位偏差較小時(shí)，應(yīng)加大積分系數(shù)，以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。根據(jù)上面的規(guī)則，可以基本確定KP，KI，KD的模糊規(guī)則表。由于篇幅限制，在此只列出KP的模糊規(guī)則如表1所示。

表1 模糊PID參數(shù)K P規(guī)則

根據(jù)模糊規(guī)則表，能夠確定PID參數(shù)的變化規(guī)律，然后根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，調(diào)試具體參數(shù)。

4 結(jié)束語

使用西門子S7－400 PLC作為系統(tǒng)的控制核心，并采用差壓式液位傳感器測量刮膜蒸發(fā)器在真空條件下的液位，通過工業(yè)觸摸屏設(shè)置運(yùn)行參數(shù)以及監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，能夠滿足長時(shí)間連續(xù)生產(chǎn)的要求。使用模糊PID控制刮膜蒸發(fā)器液位，響應(yīng)速度快，提高了系統(tǒng)控制精度與系統(tǒng)魯棒性，使得產(chǎn)品的質(zhì)量得到保證。系統(tǒng)在乳酸廠調(diào)試通過，運(yùn)行良好，滿足現(xiàn)場工藝要求，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

［1］ 呂九琢，徐亞賢，袁 光，等．乳酸精制新工藝——刮膜蒸發(fā)和短程蒸餾聯(lián)用法［J］．現(xiàn)代化工，2001，21（1）：44－46．

［2］ 蔚東曉，賈霞彥．模糊控制的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］．自動(dòng)化與儀器儀表，2006，（6）：4－7．