高俊永，黃向陽(yáng)，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(guò)程的穩(wěn)定，一般通過(guò)設(shè)立緩沖容器來(lái)解決前后工序之間的物料量突變，并通過(guò)自動(dòng)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(guò)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(guò)程和快速沉降過(guò)程。

在制糖生產(chǎn)過(guò)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(lái)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(guò)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(shí)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(dòng)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(duì)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(wèn)題。本文方法也是在此問(wèn)題的基礎(chǔ)上提出，以求通過(guò)數(shù)學(xué)分析方法的研究，解決該問(wèn)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(guò)程如圖1所示。物料箱液位的控制通過(guò)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(guò)實(shí)時(shí)液位的測(cè)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(guò)測(cè)得物料箱的面積，就可以通過(guò)液位和流量變化情況，推導(dǎo)出物料來(lái)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(shí)間的物料箱增加的體積，m3/s；為物料箱液位高度隨時(shí)間變化的函數(shù)，m/s；為物料流量隨時(shí)間變化的函數(shù)，m3/s。

對(duì)上式進(jìn)行積分并進(jìn)行處理可得某段時(shí)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(guò)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求得，通過(guò)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(chǔ)空間，也會(huì)帶來(lái)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(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，在設(shè)定的輸送流量下，一段時(shí)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(shí)間段內(nèi)變化為零，因此，物料箱體積的改變可以通過(guò)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(gè)隨時(shí)間變化不斷改變的非線性未知函數(shù)，其可以通過(guò)系統(tǒng)在t1至t2時(shí)間段內(nèi)采集的瞬時(shí)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(shí)間慢、操作繁雜、分析要求高等問(wèn)題，為進(jìn)一步簡(jiǎn)化操作及分析要求，減小系統(tǒng)運(yùn)算要求，提高響應(yīng)時(shí)間，可對(duì)t1至t2時(shí)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(guò)程中，流量設(shè)定值v2變化則有下式進(jìn)行自動(dòng)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(guò)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(dòng)、及時(shí)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(guò)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(shí)進(jìn)行第一次賦值，在時(shí)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(guò)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(guò)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(lái)的工藝波動(dòng)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(duì)于線性定常系統(tǒng)的控制是非常有效的，但對(duì)于非線性、時(shí)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(duì)復(fù)雜的和模型不清楚的系統(tǒng)卻能進(jìn)行簡(jiǎn)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(jí)不足夠多的情況下，常常在平衡點(diǎn)附近會(huì)有小的振蕩現(xiàn)象。如果把兩種控制方法結(jié)合起來(lái)，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(shí)間的控制，而模糊控制則是一種基于過(guò)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(shí)變化而變化，通常由經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控，在線調(diào)整，如物料箱因生產(chǎn)液位變化過(guò)快或者過(guò)大，參數(shù)設(shè)定值在一定時(shí)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(huì)對(duì)輸送泵造成損害，滿箱則會(huì)造成物料浪費(fèi)，同時(shí)會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)不同程度的影響。模糊PID控制通過(guò)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(dòng)帶來(lái)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(cè)試分析

為了檢驗(yàn)自適應(yīng)模型的效果，在生產(chǎn)中對(duì)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(duì)該段時(shí)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(gè)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(cè)試分析，通過(guò)流量設(shè)定值的調(diào)整測(cè)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(duì)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(gè)周期，流量設(shè)定值在0～3立方/小時(shí)范圍調(diào)整，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 液位實(shí)際測(cè)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(dòng)為46立方/小時(shí)后沒做調(diào)整，物料箱液位也在此后的近一個(gè)小時(shí)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(dòng)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?？梢姡摲椒ㄔ诒ＷC流量變動(dòng)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(guò)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(guò)程基本穩(wěn)定的情況，選擇5～20分鐘為一個(gè)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(guò)實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(guò)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(dòng)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(guò)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.