轉輪分子篩升壓過程滑模變結構控制

李新衛

摘 要 轉輪濃縮系統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排出去。為了減少熱量損耗和機械疲勞，需要精確控制升壓、卸壓的速度。這對減小吸附劑受到的沖擊，延長吸附劑壽命非常重要。設計了滑模變結構控制器來控制升壓的速率。結果表明對分子篩優化控制的引入，減少切換過程的波動，增加系統的穩定性，可以使裝置運行更加穩定，起到節能降耗的作用，同時降低操作人員的工作強度。

關鍵詞 分子篩 升壓 滑模變結構 仿真

轉輪分子篩系統在處理大風量低濃度的廢氣、連續性操作、效率穩定度、廢氣排放狀況均優于固定床系統，轉輪同時亦有低壓損、無吸附損耗、極少可移動組件的優點。

分子篩切換過程是造成進入氣流波動的主要原因。其控制質量直接影響到設備的穩定運行。隨著分子篩工藝的發展，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程中，對上下游工況最大的干擾因素一一升壓過程的優化控制進行了研究。

通過滑模變結構控制方案的引入，減少切換過程的波動，增加系統的穩定性，起到節能降耗的作用，同時降低操作人員的工作強度。這種控制策略與其他不同之處在于系統的“結構”并不固定，而是可以在動態過程中，根據系統當前的狀態（如偏差及其各階導數等）有目的地不斷變化，迫使系統按照預定“滑動模態”的狀態軌跡運動。由于滑動模態可以進行設計與對象參數及擾動無關，這就使得變結構控制具有快速響應、對參數變化及擾動不靈敏、無需系統在線辨識、物理實現簡單等優點。

1解決方案分析

轉輪濃縮系統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、并聯幾個步驟。為了減少熱量損耗和機械疲勞，希望分子篩切換的循環周期盡可能長，而升壓和降壓時間盡可能短，以減少再生后的等待時間。但氣流在分子篩內的穿行速度不能超出一定的允許范圍，以減少機械損耗。因此需要精確控制升壓、卸壓的速度。這對減小吸附劑受到的沖擊，延長吸附劑壽命非常重要。

升壓是通過開啟升壓閥來平衡工作狀態，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，通過升壓閥的空氣流量隨著閥門的開啟快速增加，導致分子篩后的空氣流量逐漸下降，此時的空壓機入口導葉開啟緩慢，無法及時補充這部分的空氣流量，造成實際的空氣流量低于設定值。在升壓的后期，雖然升壓閥持續增大，但隨分子篩壓差逐漸減少，通過升壓閥的流量快速下降。空壓機入口導葉關閉不及時，導致分子篩后的空氣流量快速升高。整個過程中空氣的流量波動明顯，在-7000～+10000Nm3/h左右，對整個系統有著較大影響。

2轉輪分子篩升壓過程滑模控制器的設計

對于轉輪分子篩升壓系統，選取升壓閥開啟速率為控制對象，壓差變化為控制變量。基于轉輪分子篩升壓過程是一個高度非線性系統，許多非線性因素和不確定參數包含于其中，因此選擇滑模變結構控制以增強系統對攝動、不確定性及外部擾動的自適應性。

2.1滑模切換面的設計

轉輪分子篩的升壓過程可以看作是一階非線性單輸入系統。壓力控制的目標是尋找升壓閥前后壓力的變化規律，使得跟蹤壓差趨近于零。設置為最佳壓差變化率，則就是最佳壓差變化率對時間的導數。在本次設計中僅考慮外界溫度、濕度等條件恒定的情況，則最佳壓壓差變化率為常數，所以導數為零。控制器的設計目標是使得系統的狀態趨向于。

定義滑模函數： （1）

式中：為設計參數；e為狀態偏差量。因為轉輪分子篩模型為一階系統，因此，切換函數為： （2）

在廣義滑模條件下按等速趨近率設計的滑模控制器，切換函數應滿足

（3）

在滿足上式時系統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性。

2.2控制器的切換面可達性分析

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。用某種意義下的平均值代替此切換控制，此系統沿著s=0的切換面上走，這樣才能保證滑動模態的產生。

忽略系統不確定性和上下游設備產生外部擾動，由系統狀態沿著滑動面運動的必要條件，可求得等效壓力變化：

（4）

式中：為描述分子篩系統方程里的函數。

等效壓差確保系統狀態到達滑模面后能夠保持在滑模面上，系統的運動規律僅由滑動面動態特性決定，當系統狀態不在滑模面上或者系統運動店偏離滑模面時，也就是在滑模面s=0以為，則需要加入一個控制項，使得相軌跡朝著滑模面的方向運動。定義壓力差的控制規律為： （5）

式中：sgn為符號函數；K為控制增益。

滿足切換面的可達性，必須滿足，將式帶入下式：

（6）

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

既滿足了可達性條件。

用Matlab中 的Simulink模塊對系統進行仿真。階躍信號模擬的是最終壓力的維持值。滑模變結構控制其響應特性明顯優于傳統PID控制，具有較好的魯棒性。

3結論

通過對分子篩升壓過程的描述，分析了分子篩升壓過程中的流量波動情況及造成波動的原因。通過對幾種常見的優化控制方式的描述，分析了其優缺點。通過對分子篩升壓過程中閥門流動特性、流量變化情況的研究，采用滑模變結構控制來對控制系統進行了設計。仿真效果表明新設計的控制器無論動態精度還是穩態性能都取得了較好的控制效果。