轉(zhuǎn)輪分子篩升壓過(guò)程滑模變結(jié)構(gòu)控制

李新衛(wèi)

摘 要 轉(zhuǎn)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(zhì)排出去。為了減少熱量損耗和機(jī)械疲勞，需要精確控制升壓、卸壓的速度。這對(duì)減小吸附劑受到的沖擊，延長(zhǎng)吸附劑壽命非常重要。設(shè)計(jì)了滑模變結(jié)構(gòu)控制器來(lái)控制升壓的速率。結(jié)果表明對(duì)分子篩優(yōu)化控制的引入，減少切換過(guò)程的波動(dòng)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以使裝置運(yùn)行更加穩(wěn)定，起到節(jié)能降耗的作用，同時(shí)降低操作人員的工作強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞 分子篩 升壓 滑模變結(jié)構(gòu) 仿真

轉(zhuǎn)輪分子篩系統(tǒng)在處理大風(fēng)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(zhuǎn)輪同時(shí)亦有低壓損、無(wú)吸附損耗、極少可移動(dòng)組件的優(yōu)點(diǎn)。

分子篩切換過(guò)程是造成進(jìn)入氣流波動(dòng)的主要原因。其控制質(zhì)量直接影響到設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)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(guò)程中，對(duì)上下游工況最大的干擾因素一一升壓過(guò)程的優(yōu)化控制進(jìn)行了研究。

通過(guò)滑模變結(jié)構(gòu)控制方案的引入，減少切換過(guò)程的波動(dòng)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，起到節(jié)能降耗的作用，同時(shí)降低操作人員的工作強(qiáng)度。這種控制策略與其他不同之處在于系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是可以在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)（如偏差及其各階導(dǎo)數(shù)等）有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預(yù)定“滑動(dòng)模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)。由于滑動(dòng)模態(tài)可以進(jìn)行設(shè)計(jì)與對(duì)象參數(shù)及擾動(dòng)無(wú)關(guān)，這就使得變結(jié)構(gòu)控制具有快速響應(yīng)、對(duì)參數(shù)變化及擾動(dòng)不靈敏、無(wú)需系統(tǒng)在線辨識(shí)、物理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

1解決方案分析

轉(zhuǎn)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(zhì)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(gè)步驟。為了減少熱量損耗和機(jī)械疲勞，希望分子篩切換的循環(huán)周期盡可能長(zhǎng)，而升壓和降壓時(shí)間盡可能短，以減少再生后的等待時(shí)間。但氣流在分子篩內(nèi)的穿行速度不能超出一定的允許范圍，以減少機(jī)械損耗。因此需要精確控制升壓、卸壓的速度。這對(duì)減小吸附劑受到的沖擊，延長(zhǎng)吸附劑壽命非常重要。

升壓是通過(guò)開(kāi)啟升壓閥來(lái)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(guò)升壓閥的空氣流量隨著閥門(mén)的開(kāi)啟快速增加，導(dǎo)致分子篩后的空氣流量逐漸下降，此時(shí)的空壓機(jī)入口導(dǎo)葉開(kāi)啟緩慢，無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充這部分的空氣流量，造成實(shí)際的空氣流量低于設(shè)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(guò)升壓閥的流量快速下降。空壓機(jī)入口導(dǎo)葉關(guān)閉不及時(shí)，導(dǎo)致分子篩后的空氣流量快速升高。整個(gè)過(guò)程中空氣的流量波動(dòng)明顯，在-7000～+10000Nm3/h左右，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著較大影響。

2轉(zhuǎn)輪分子篩升壓過(guò)程滑模控制器的設(shè)計(jì)

對(duì)于轉(zhuǎn)輪分子篩升壓系統(tǒng)，選取升壓閥開(kāi)啟速率為控制對(duì)象，壓差變化為控制變量?；谵D(zhuǎn)輪分子篩升壓過(guò)程是一個(gè)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(jié)構(gòu)控制以增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)攝動(dòng)、不確定性及外部擾動(dòng)的自適應(yīng)性。

2.1滑模切換面的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)輪分子篩的升壓過(guò)程可以看作是一階非線性單輸入系統(tǒng)。壓力控制的目標(biāo)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(shè)置為最佳壓差變化率，則就是最佳壓差變化率對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。在本次設(shè)計(jì)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(dǎo)數(shù)為零?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)目標(biāo)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(shè)計(jì)參數(shù)；e為狀態(tài)偏差量。因?yàn)檗D(zhuǎn)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(shè)計(jì)的滑?？刂破?，切換函數(shù)應(yīng)滿足

（3）

在滿足上式時(shí)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(dá)性。

2.2控制器的切換面可達(dá)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(fù)。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(dòng)模態(tài)的產(chǎn)生。

忽略系統(tǒng)不確定性和上下游設(shè)備產(chǎn)生外部擾動(dòng)，由系統(tǒng)狀態(tài)沿著滑動(dòng)面運(yùn)動(dòng)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(dá)滑模面后能夠保持在滑模面上，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律僅由滑動(dòng)面動(dòng)態(tài)特性決定，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)不在滑模面上或者系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)店偏離滑模面時(shí)，也就是在滑模面s=0以為，則需要加入一個(gè)控制項(xiàng)，使得相軌跡朝著滑模面的方向運(yùn)動(dòng)。定義壓力差的控制規(guī)律為： （5）

式中：sgn為符號(hào)函數(shù)；K為控制增益。

滿足切換面的可達(dá)性，必須滿足，將式帶入下式：

（6）

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

既滿足了可達(dá)性條件。

用Matlab中 的Simulink模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。階躍信號(hào)模擬的是最終壓力的維持值。滑模變結(jié)構(gòu)控制其響應(yīng)特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制，具有較好的魯棒性。

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)分子篩升壓過(guò)程的描述，分析了分子篩升壓過(guò)程中的流量波動(dòng)情況及造成波動(dòng)的原因。通過(guò)對(duì)幾種常見(jiàn)的優(yōu)化控制方式的描述，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)對(duì)分子篩升壓過(guò)程中閥門(mén)流動(dòng)特性、流量變化情況的研究，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制來(lái)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。仿真效果表明新設(shè)計(jì)的控制器無(wú)論動(dòng)態(tài)精度還是穩(wěn)態(tài)性能都取得了較好的控制效果。