淀粉噴射液化復(fù)合控制方案的設(shè)計

江招財　官雪薇

摘 要：結(jié)合工程設(shè)計經(jīng)驗，介紹了帶有前饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)在淀粉噴射液化上的應(yīng)用，介紹了算法的理論分析，完成了基于PCS7 V8.1過程控制系統(tǒng)的程序設(shè)計和調(diào)試。通過實際工程的實施，取得了預(yù)期的控制效果。

關(guān)鍵詞：淀粉糖；噴射液化；PCS7；復(fù)合控制

1 概述

淀粉糖是一種常用的食品原材料和添加劑，其衍生產(chǎn)品多達上百種，日常生活中隨處可見。噴射液化是淀粉糖生產(chǎn)線上很重要的工藝段，液化效果的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和收益，以及后續(xù)工段的生產(chǎn)效率。目前國內(nèi)的液化控制普遍采用一個標準的閉環(huán)負反饋PID調(diào)節(jié)回路，由于溫度響應(yīng)存在滯后的特性，而且液化系統(tǒng)的物料從噴射器到維持罐的測溫點需要十幾秒鐘，疊加起來整個控制系統(tǒng)的滯后性就更大了。標準的閉環(huán)負反饋調(diào)節(jié)回路應(yīng)用于噴射液化并不理想，存在如下幾個問題：（1）溫度控制不精準不穩(wěn)定，實際溫度在設(shè)定點附近反復(fù)波動，誤差較大；（2）從開始生產(chǎn)到溫度接近穩(wěn)定需要的時間較長；（3）前幾個調(diào)節(jié)波形的振幅較大，溫度的動態(tài)誤差值較大；（4）當蒸汽壓力不穩(wěn)定時，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)周期長，溫度波動大；（5）當進料流量不穩(wěn)定時，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)周期長，溫度波動大。結(jié)合理論和實際工作經(jīng)驗，本人設(shè)計了一套帶有前饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)，結(jié)合PCS7平臺，應(yīng)用于淀粉噴射液化工段，對于改善噴射液化控制系統(tǒng)的效果非常顯著。下面將具體介紹復(fù)合控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施。

2 淀粉噴射液化工藝流程

如圖所示，此系統(tǒng)主要由一臺電磁流量計（FT1105A）、一臺調(diào)節(jié)閥（FV1105A）、一臺噴射液化器（H1106A）、一臺壓力變送器（PT3101）、一臺溫度變送器（TT1106A）和一個維持罐（V1107A）組成。電磁流量計（FT1105A）測量噴射器進淀粉乳的流量，調(diào)節(jié)閥（FV1105A）調(diào)節(jié)淀粉乳流量，壓力變送器（PT3101）測量蒸汽壓力，溫度變送器（TT1106A）測量噴射后的物料溫度，噴射液化器上的調(diào)節(jié)器（TV1106A）通過調(diào)節(jié)蒸汽進氣量來控制噴射后的物料溫度。溫度是判斷液化效果的標準，溫度越精確穩(wěn)定，液化效果就越好，因此，準確穩(wěn)定的溫度控制是液化系統(tǒng)的關(guān)鍵。

3 控制方案設(shè)計

3.1 控制算法的確定

針對目前控制系統(tǒng)存在的問題，本人設(shè)計一套復(fù)合控制系統(tǒng)來對當前系統(tǒng)進行優(yōu)化，改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。通過導(dǎo)言我們得知目前系統(tǒng)的主要問題是由于系統(tǒng)滯后性大、蒸汽壓力波動、淀粉乳進料流量波動引起的，所以我們需要從這三個方面入手來優(yōu)化。下面，我們通過數(shù)學建模的方式對液化系統(tǒng)進行全面的分析。在此系統(tǒng)中，液化噴射器為被控對象，維持罐溫度為被控量，淀粉乳進料流量、蒸汽壓力等為干擾量，溫度變送器（TT1106A）為被控量測量元件，噴射液化器上的調(diào)節(jié)器（TV1106A）為執(zhí)行單元，電磁流量計（FT1105A）和蒸汽壓力變送器（PT3101）為干擾測量元件、比較運算單元為PID調(diào)節(jié)器。由于干擾量進料流量和蒸汽壓力可測量，所以我們可以設(shè)計一個帶有前饋控制功能的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)對溫度進行控制。當干擾量進料流量和蒸汽壓力發(fā)生變化時，我們提前對噴射液化器上的調(diào)節(jié)器（TV1106A）的開度進行修正，無需等到溫度變送器（TT1106A）的測量值發(fā)生改變之后再改變調(diào)節(jié)器（TV1106A）的開度。只要我們能夠找出進料流量以及蒸汽壓力與調(diào)節(jié)器（TV1106A）開度之間的關(guān)系并進行補償，就能夠大大的加快系統(tǒng)的響應(yīng)時間、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度，理論上可以完全消除進料流量和蒸汽壓力發(fā)生變化對被控量溫度的影響。通過以上分析并結(jié)合自動控制理論，得出系統(tǒng)的原理方框圖如圖2所示：

3.2 控制方案的實施

3.2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

由于噴射液化為淀粉糖生產(chǎn)線中的一部分，所以其控制回路包含在整個制糖生產(chǎn)線控制系統(tǒng)之中。本制糖生產(chǎn)線采用西門子的PCS7 V8.0，由一套冗余控制器AS410H、3臺等同操作員站、一個工程師站、若干I/O卡件、若干測量與執(zhí)行單元組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖3所示：

3.2.2 控制軟件的設(shè)計

結(jié)合PCS7系統(tǒng)以及噴射液化調(diào)節(jié)回路算法的特點，并考慮到程序的通俗易懂性，本控制算法通過CFC（連續(xù)功能圖）來實現(xiàn)。

通過對“圖2控制系統(tǒng)原理方框圖”的分析，得出當控制器在手動模式下運行時，可以以傳遞函數(shù)gz（s）=y（s）/z（s）的形式估計可測量干擾（進料流量和蒸汽壓力）的影響，手動模式下PID調(diào)節(jié)回路輸出為固定值，不會導(dǎo)致控制變量TT1106A發(fā)生任何變化，因而所有變化均可認為是由干擾（進料流量和蒸汽壓力）z（s）所致。因此，理想的傳遞函數(shù)c（s）可由以下要求得出，即對于任何干擾信號z（s），z對y的影響應(yīng)為零：

gz（s）·z+c（s）·g（s）·z=（gz（s）·g（s））·z=0。為滿足此方程，補償塊必須盡可能逼近該方程，即：c（s）=-gz（s）/g（s）。為此，干擾傳遞函數(shù)gz（s）=y（s）/z（s）必須已知，且主受控系統(tǒng)的傳遞函數(shù)g（s）=y（s）/u（s），u=MV必須取反。如果這兩個傳遞函數(shù)均可模型化成具有時滯的一階函數(shù)

通過組合基本 CFC 塊可在PID控制器外部創(chuàng)建該傳遞函數(shù)，該函數(shù)由一個“Differentiator - trapezoid method”、一個“TimeLag”和一個“DeadTime”塊構(gòu)成?！癉ifferentiator - trapezoid method”塊和“TimeLag”塊并聯(lián)，兩者的值通過加法器“Adder”累加，而“DeadTime”塊和乘法器“Multiplier”在前面串聯(lián)作為增益系數(shù)。由于此液化系統(tǒng)的可測量干擾量有兩個（進料流量和蒸汽壓力），故此系統(tǒng)的前饋控制由兩者的動態(tài)傳遞函數(shù)之和構(gòu)成。綜上所述，液化控制系統(tǒng)CFC（連續(xù)功能圖）程序如下圖4和圖5所示：

3.2.3 系統(tǒng)的調(diào)試與實施

一個優(yōu)秀的控制方案必須在合適的控制參數(shù)下才能實現(xiàn)精準穩(wěn)定的控制，所以程序中的各個參數(shù)的正確設(shè)置是很重要的，參數(shù)的設(shè)置需要通過計算以及對響應(yīng)曲線的分析來確定，在此不做詳細的說明。動態(tài)響應(yīng)曲線是判斷一個控制系統(tǒng)性能的工具，下面我通過本控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線來分析一下本控制系統(tǒng)是否達到了預(yù)期的效果，動態(tài)曲線見圖6。

如圖6所示，1號曲線為蒸汽壓力PT3101；2號曲線為被控量TT1106A；3號曲線為進料流量FT1105A；4號曲線為控制器的輸出值MV；5號曲線為被控量設(shè)定目標值SP；6號曲線為前饋控制的輸出值FFwd；7號曲線為系統(tǒng)的偏差。從動態(tài)曲線圖中我們可以看出前饋控制是在4：07左右投入到調(diào)節(jié)系統(tǒng)的，前饋控制投入前由于蒸汽壓力PT3101的不穩(wěn)定，引起了被控量TT1106A的值出現(xiàn)了波動，最大的誤差值在1.2℃左右；前饋控制投入以后，被控量TT1106A的值明顯變得穩(wěn)定得多，其最大的誤差值降為0.2℃左右，系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度也顯著提高。由此可知，帶有前饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)對淀粉噴射液化系統(tǒng)的控制效果是很好的。

4 結(jié)束語

本人結(jié)合理論知識和實際工作中的案例，向讀者展示了帶有前饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)對淀粉噴射液化的改善，供廣大同行在工作中參考。篇幅限制的原因，不能在此向讀者展示所有工程細節(jié)，如有需要，可以郵箱聯(lián)系。由于本人的知識水平有限，因此，本文如有不到之處，還望各位不吝指正。

參考文獻

[1]程鵬.自動控制原理[D].北京：北京航空航天大學，2002.

[2]過程控制系統(tǒng)[Z].PCS 7 APL庫，8.1.