白酒地缸固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸同步控制系統(tǒng)研究*

張浩強，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

白酒地缸固態(tài)發(fā)酵出醅工序關(guān)系到白酒釀制成品率，因此白酒地缸固態(tài)發(fā)酵出醅工序及裝置至關(guān)重要[1-2]。清香型白酒常通過埋在地下的陶制地缸進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，出醅時采用傳統(tǒng)機(jī)械如鐵锨將酒醅鏟入小推車，小推車承重輪寬度設(shè)計在地缸間隙間，傳統(tǒng)出醅工作強度大、陶質(zhì)地缸易被鐵锨破壞，且易污染酒醅[3-4]。

基于此，提出一種白酒地缸固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸同步控制系統(tǒng)，介紹了出醅雙缸同步控制系統(tǒng)工作原理，對出醅雙缸同步控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了搭建，采用蟻群算法對PID控制器三個參數(shù)進(jìn)行了迭代尋優(yōu)，基于MATLAB/Simulink中進(jìn)行了仿真研究，最后通過試驗驗證了白酒地缸固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸同步控制特性，為白酒地缸固態(tài)高效發(fā)酵參考和指導(dǎo)。

1 地缸固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸同步控制系統(tǒng)原理

圖1所示為白酒地缸固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸同步控制系統(tǒng)，主要由安全閥、液壓泵、比例換向閥、出醅油缸、鉸接臂、位移傳感器、挖板、發(fā)酵地缸組成。#1和#2出醅油缸縮回，#1和#2鉸接臂內(nèi)收，分別驅(qū)動#1和#2挖板動作，實現(xiàn)酒醅出缸。

圖1 白酒地缸固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸同步控制系統(tǒng)1.油箱 2.安全閥 3.液壓泵 4.#1比例換向閥 5.#2比例換向閥 6.#1出醅油缸 7.#2出醅油缸 8.#1鉸接臂 9.#2鉸接臂 10.#1位移傳感器 11.#2位移傳感器 12.#1挖板 13.#2挖板 14.發(fā)酵地缸

白酒地缸固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸同步控制原理：控制器發(fā)送電流信號，控制#1和#2比例換向閥比例通斷，實現(xiàn)#1和#2出醅油缸進(jìn)回油控制，從而調(diào)整出醅油缸活塞桿位移；#1和#2位移傳感器實時反饋出醅油缸活塞桿位移，并傳輸至控制器實現(xiàn)雙缸位移差值控制，進(jìn)而實現(xiàn)出醅雙缸同步控制。

2 地缸固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

圖2所示為白酒地缸固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸同步控制系統(tǒng)控制邏輯圖，#1出醅油缸作為主動缸，#2出醅油缸作為從動缸，#2出醅油缸跟隨#1出醅油缸運動，實現(xiàn)出醅雙缸同步控制[5]。

圖2 地缸固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸同步控制系統(tǒng)原理圖

比例放大器采用公式(1)計算：

I=K1Δu

(1)

式中：Δu為控制電壓，V；I為控制電流，A；K1為放大系數(shù)。

比例換向閥采用公式(2)計算：

(2)

式中：xv為比例換向閥閥桿位移，mm；Kb為單位電流閥芯桿位移，mm/mA。

位移傳感器采用公式(3)計算：

Uf=Kfxp

(3)

式中：Kf為出醅油缸位移反饋增益，mA/m；Uf為位移反饋電流信號。

出醅油缸位移xp與比例換向閥閥桿位移xv的函數(shù)關(guān)系采用公式(4)計算：

(4)

3 白酒地缸固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸同步控制策略

基于積分分離PID控制器對出醅雙缸位移進(jìn)行控制[10]，采用公式(5)計算：

(5)

基于蟻群算法優(yōu)化PID控制器的Kp、Ti和Td參數(shù)，圖3所示為其優(yōu)化邏輯框圖。

圖3 基于蟻群算法優(yōu)化出醅雙缸PID控制器結(jié)構(gòu)圖

圖4所示為優(yōu)化出醅雙缸PID控制器流程圖。

圖4 基于蟻群算法優(yōu)化出醅雙缸PID控制器邏輯圖

優(yōu)化出醅雙缸PID控制器過程：種群設(shè)置100，揮發(fā)因子ρ暫取0.8，啟發(fā)系數(shù)α?xí)喝?.2，迭代次數(shù)NCmax暫取60，Kp、Ti和Td優(yōu)化區(qū)間選取(0，15)。

優(yōu)化出醅雙缸PID控制器目標(biāo)函數(shù)采用時間誤差積分指標(biāo)，用公式(6)計算。

(6)

經(jīng)過60代優(yōu)化迭代，獲得優(yōu)化后的PID控制參數(shù)如表1所列。

表1 PID優(yōu)化參數(shù)結(jié)果

表2所列為白酒地缸固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸同步控制系統(tǒng)仿真參數(shù)。

表2 仿真參數(shù)一覽表

基于MATLAB/Simulink求解白酒地缸固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸同步控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并對系統(tǒng)施加階躍信號，仿真得到如圖5所示的出醅雙缸同步控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線和如圖6所示的出醅雙缸同步控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)同步誤差。

圖5 出醅雙缸同步控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

圖6 出醅雙缸同步控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)同步誤差

由圖5和圖6可得：出醅雙缸同步控制階躍響應(yīng)最大同步誤差為0.085 m，穩(wěn)態(tài)同步誤差為0.016 m，極大提高了出醅雙缸同步性，極大減小了挖板漏醅量。

4 地缸固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸同步控制試驗研究

通過實驗室臺架驗證地缸固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸同步控制特性，搭建如圖7所示的臺架液壓系統(tǒng)試驗圖。

圖7 白酒地缸固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸控制系統(tǒng)試驗臺1.油箱 2.安全閥 3.液壓泵 4.#1比例換向閥 5.#2比例 換向閥 6.#1出醅油缸 7.#2出醅油缸 8.#1位移傳感器 9.#2位移傳感器

通過數(shù)據(jù)采集儀器獲得如圖8和9所示的出醅雙缸位移響應(yīng)試驗曲線和位移誤差試驗曲線。

圖8 出醅雙缸同步控制系統(tǒng)位移試驗曲線

由圖8和圖9試驗數(shù)據(jù)分析可得：出醅雙缸同步控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)最大同步誤差為0.089 m，穩(wěn)態(tài)同步誤差為0.02 m，與仿真數(shù)據(jù)相差0.004 mm，很好驗證了白酒固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸同步控制邏輯的正確性和高精度性。

圖9 出醅雙缸同步控制試驗數(shù)據(jù)同步誤差

5 結(jié) 論

針對白酒地缸固態(tài)發(fā)酵出醅效率、出缸過程易污染等一系列問題，提出一種白酒地缸固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸同步控制系統(tǒng)，給出了其出醅雙缸同步控制系統(tǒng)工作原理，搭建了出醅雙缸同步控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，基于蟻群算法對PID控制器三個參數(shù)進(jìn)行了迭代尋優(yōu)，基于MATLAB/Simulink中進(jìn)行了仿真研究，通過試驗驗證了白酒地缸固態(tài)發(fā)酵出醅雙缸同步控制特性，得出以下結(jié)論。

(1) 由仿真數(shù)據(jù)可知：出醅雙缸同步控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)最大同步誤差為0.085 m，穩(wěn)態(tài)同步誤差為0.016 m。

(2) 由試驗數(shù)據(jù)可知：出醅雙缸同步控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)最大同步誤差為0.089 m，穩(wěn)態(tài)同步誤差為0.02 m。

(3) 試驗數(shù)據(jù)對仿真數(shù)據(jù)具有很好的驗證作用，試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)誤差為0.004 mm。