糖汁變頻輸送物料箱液位與流量自適應(yīng)控制方法研究

高俊永，黃向陽，黃 爽，秦健南

（廣州甘蔗糖業(yè)研究所，廣東省甘蔗改良與生物煉制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510316）

在流程工業(yè)生產(chǎn)中，維持生產(chǎn)的平穩(wěn)性是獲取經(jīng)濟(jì)效益和提高生產(chǎn)管理的基本要求，而維持生產(chǎn)的平穩(wěn)性，首要的一點(diǎn)是要保持前后設(shè)備之間的物料量盡可能地緩慢變化或不變化，為了實(shí)現(xiàn)工藝過程的穩(wěn)定，一般通過設(shè)立緩沖容器來解決前后工序之間的物料量突變，并通過自動控制系統(tǒng)的加入以確保生產(chǎn)的平穩(wěn)性，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，生產(chǎn)操作過程盡可能的減少人為干預(yù)，但是常規(guī)PID定值控制已滿足不了上述要求［1］，特別是要求較高的反應(yīng)過程和快速沉降過程。

在制糖生產(chǎn)過程，工序的銜接和處理均要求較高的穩(wěn)定性，糖廠的各種糖汁，主要有混合汁、中和汁、清汁、濾汁、糖漿等的處理需要泵送至不同的工序，一般根據(jù)來料多少由操作工進(jìn)行控制物料的輸送，有的控制系統(tǒng)采用了變頻控制技術(shù)，其根據(jù)物料箱液位的高低進(jìn)行區(qū)間固定賦值調(diào)整［2］，有的控制系統(tǒng)通過出口壓力設(shè)定值調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度控制物料箱液位［3］，這樣液位區(qū)間的調(diào)整與賦值合理性的優(yōu)化需要一定的經(jīng)驗(yàn)值，以及不時的人工干預(yù)調(diào)整，以達(dá)到較好的變頻控制效果，且在各工序的適應(yīng)性存在很大差異。如何更加自動的適應(yīng)物料箱液位的變化，快速、穩(wěn)定的調(diào)整流量輸送，減少流量變化對工藝穩(wěn)定的影響，做到人為干預(yù)少、流量控制穩(wěn)定是在操作人員日益緊張的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中的棘手問題。本文方法也是在此問題的基礎(chǔ)上提出，以求通過數(shù)學(xué)分析方法的研究，解決該問題，達(dá)到物料變頻輸送流量自適應(yīng)的要求，進(jìn)一步為溫度、助劑添加、壓力等控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供可靠保障。

1 物料變頻輸送自適應(yīng)方程推導(dǎo)

以物料箱安裝液位變送器、輸送泵采用變頻輸送、輸送管道安裝物料流量計(jì)為例，基本的工藝過程如圖1所示。物料箱液位的控制通過輸送泵頻率的變化實(shí)現(xiàn)物料泵送的流量調(diào)節(jié)。

由圖1可見，物料到物料箱通過實(shí)時液位的測控，泵送采用變頻操作，出料有流量計(jì)可以記錄瞬間的物料流量，因此，通過測得物料箱的面積，就可以通過液位和流量變化情況，推導(dǎo)出物料來量與液位、出料量的偏微分方程。假設(shè)物料箱為規(guī)則的形狀，面積為S，則物料箱物料變化量的非線性偏微分方程為：

式（1）中： 為單位時間的物料箱增加的體積，m3/s；為物料箱液位高度隨時間變化的函數(shù)，m/s；為物料流量隨時間變化的函數(shù)，m3/s。

對上式進(jìn)行積分并進(jìn)行處理可得某段時間內(nèi)的物料體積平均變化方程：

圖1 物料變頻輸送基本流程圖

式（2）可以作為物料變頻輸送流量變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式，但是由于h（t）和v（t）函數(shù)表達(dá)式未知，還不能作為實(shí)際控制函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用，兩者的表達(dá)式可以通過實(shí)時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求得，通過程序編程進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)物料輸送流量變化的自適應(yīng)控制，這就要求較高的系統(tǒng)運(yùn)算能力和存儲空間，也會帶來一定程度上的延遲，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，假設(shè)：物料變頻輸送過程相對穩(wěn)定，在設(shè)定的輸送流量下，一段時間內(nèi)物料輸送的量保持不變，即v（t）在上式（2）中t1至t2時間段內(nèi)變化為零，因此，物料箱體積的改變可以通過物料箱液位的變化求得，上式（2）則變?yōu)椋?/p>

上式（3）中h（t）是一個隨時間變化不斷改變的非線性未知函數(shù)，其可以通過系統(tǒng)在t1至t2時間段內(nèi)采集的瞬時數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求得，但需要大量的數(shù)據(jù)分析和人為干預(yù)，在應(yīng)用中存在響應(yīng)時間慢、操作繁雜、分析要求高等問題，為進(jìn)一步簡化操作及分析要求，減小系統(tǒng)運(yùn)算要求，提高響應(yīng)時間，可對t1至t2時間段進(jìn)行若干劃分，采集得到相應(yīng)的物料箱液位值，進(jìn)行加權(quán)平均處理即可，上式（3）則表達(dá)為：

則正常生產(chǎn)過程中，流量設(shè)定值v2變化則有下式進(jìn)行自動設(shè)定：

式（5）可以作為物料變頻輸送流量變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并通過一定的約束條件實(shí)現(xiàn)物料流量變頻輸送控制的自適應(yīng)模型，達(dá)到自動、及時有效調(diào)整流量設(shè)定值的要求，穩(wěn)定物料箱的液位在要求范圍內(nèi)，穩(wěn)定工藝操作過程。

在系統(tǒng)開始階段，輸送泵沒有工作，物料箱從液位0逐漸增高，當(dāng)達(dá)到一定液位h時進(jìn)行第一次賦值，在時間t內(nèi)，初始v設(shè)定值t1根據(jù)下式求得：

2 物料變頻輸送的自適應(yīng)控制方法

一般生產(chǎn)過程中，物料進(jìn)出操作基本穩(wěn)定，因此周期一般在5～20分鐘范圍即可，通過控制程序設(shè)定物料箱液位在一合理的高度，運(yùn)行中系統(tǒng)根據(jù)液位變化自適應(yīng)調(diào)整流量設(shè)定值，將物料箱液位保持在物料箱設(shè)定值附近，減小生產(chǎn)不穩(wěn)定帶來的工藝波動影響，其控制方式如圖2所示。

3 模糊PID控制算法

圖2 物料箱液位與流量自適應(yīng)控制基本原理圖

PID調(diào)節(jié)對于線性定常系統(tǒng)的控制是非常有效的，但對于非線性、時變的復(fù)雜系統(tǒng)和模型不清楚的系統(tǒng)就不能很好地控制。而模糊控制器對復(fù)雜的和模型不清楚的系統(tǒng)卻能進(jìn)行簡單而有效的控制，但由于模糊控制器不具有積分環(huán)節(jié)，因而在模糊控制系統(tǒng)中又很難完全消除靜差，而且在變量分級不足夠多的情況下，常常在平衡點(diǎn)附近會有小的振蕩現(xiàn)象。如果把兩種控制方法結(jié)合起來，就可以構(gòu)成兼有這兩者優(yōu)點(diǎn)的模糊PID控制器。

模糊控制與傳統(tǒng)的PID控制之間的區(qū)別可以理解為：PID控制是一種基于時間的控制，而模糊控制則是一種基于過程的控制。兩者在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)PID與模糊PID的結(jié)構(gòu)區(qū)別

由圖3可以看出，傳統(tǒng)PID控制算法的參數(shù)設(shè)定值不能隨著生產(chǎn)的實(shí)時變化而變化，通常由經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員實(shí)時監(jiān)控，在線調(diào)整，如物料箱因生產(chǎn)液位變化過快或者過大，參數(shù)設(shè)定值在一定時間內(nèi)不能跟隨變化，那么容易造成物料箱空箱或滿箱，空箱則會對輸送泵造成損害，滿箱則會造成物料浪費(fèi)，同時會給生產(chǎn)帶來不同程度的影響。模糊PID控制通過設(shè)定值調(diào)節(jié)器進(jìn)行二次設(shè)定，經(jīng)設(shè)定值選定器選定適合當(dāng)前生產(chǎn)狀況的設(shè)定值，可減少甚至避免人工參與，降低生產(chǎn)波動帶來的不穩(wěn)定因素，使控制效果更加穩(wěn)定。

4 模型數(shù)據(jù)仿真模擬測試分析

為了檢驗(yàn)自適應(yīng)模型的效果，在生產(chǎn)中對未采用該模型的物料箱液位操作控制情況的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，每30秒采集一次液位值，每5分鐘統(tǒng)計(jì)一次流量累積值，并對該段時間內(nèi)的流量累積和物料箱體積變化進(jìn)行分析，每隔5分鐘為一個周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表1所示。

表1 流量和物料箱體積變化分析表

根據(jù)文獻(xiàn)［4］方法，利用西門子軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的仿真測試分析，通過流量設(shè)定值的調(diào)整測試，檢驗(yàn)物料箱液位與流量設(shè)定值變化的自適應(yīng)情況，其控制對象為物料箱液位，物料箱液位以常見的壓力傳感器進(jìn)行分析。

設(shè)定物料箱液位在50±3%范圍，控制10分鐘為一個周期，流量設(shè)定值在0～3立方/小時范圍調(diào)整，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 液位實(shí)際測定曲線和理論計(jì)算模擬曲線圖

由圖4分析可見實(shí)際流量在第10分鐘變動為46立方/小時后沒做調(diào)整，物料箱液位也在此后的近一個小時內(nèi)不斷下降。而根據(jù)理論計(jì)算，在第10、20和50分鐘，分別將流量設(shè)定值調(diào)整為47、45和46立方，則模擬的物料箱液位曲線在第20分鐘達(dá)到控制要求的50%液位附近后，基本在控制線附近振蕩，振幅為：49.1%～54.6%，并能根據(jù)控制系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)自動調(diào)整流量設(shè)定值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物料箱液位的穩(wěn)定。可見，該方法在保證流量變動不影響工藝效果的情況下很好的控制了物料箱液位的穩(wěn)定性。

5 小結(jié)

通過物料箱的物料進(jìn)出單元分析，物料箱液位及體積的變化，推導(dǎo)出變頻輸送流量變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式，根據(jù)生產(chǎn)過程基本穩(wěn)定的情況，選擇5～20分鐘為一個流量設(shè)定值的調(diào)整周期，分析了運(yùn)用該表達(dá)式的控制方法，并通過實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)分析，運(yùn)用該表達(dá)式模擬了物料箱液位的變化曲線，并于實(shí)際液位變化曲線進(jìn)行對比，結(jié)果顯示，該控制方法在保證物料輸送不影響工藝穩(wěn)定的前提下，通過多次調(diào)整流量設(shè)定值，可以有效控制物料箱液位的變化區(qū)間，自動實(shí)現(xiàn)進(jìn)出物料和液位的匹配調(diào)整，減輕了工人的操作強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)自控和工藝效果的穩(wěn)定性，為生產(chǎn)過程工藝穩(wěn)定性提供了一種參考方法。

［1］ 甄新平，李全善，魏環(huán)，等.一種新型模糊液位控制及其應(yīng)用［J］.化工學(xué)報(bào)，2008，59（7）：1615-1619.

［2］ 洪炎，蘇靜明，唐超禮.基于模糊-免PID的凍結(jié)鑿井流量智能控制研究［J］.煤礦機(jī)械，2012，33（06）：227-229.

［3］ 姜豐輝，杭柏林.炭黑氣力輸送終端壓力控制系統(tǒng)仿真［J］.橡膠技術(shù)與裝備，2005，31（6）：51-54.

［4］ 徐寧，陳駿佳，葉權(quán)圣，等.模糊PID控制器在糖廠清汁加熱中的應(yīng)用研究［J］.甘蔗糖業(yè)，2013，10，第5期：38-43.