基于模糊PID控制器的硫熏中和器的應用研究

秦會敏，秦健南，葉權圣，黃 爽，陳 平，許 江

（廣東省生物工程研究所（廣州甘蔗糖業研究所） 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點實驗室，廣東廣州510316）

0 前言

甘蔗糖業是我國農業與工業相結合的傳統產業。甘蔗制糖是經提汁、清凈、蒸發、結晶、分蜜和干燥等工序制成白砂糖等產品的生產過程。清凈工段的澄清效果直接關系到白砂糖的最終質量。亞硫酸法因具有清凈效果好、工藝流程短、設備簡單等優點，被國內80%以上的糖廠采用[1]。

硫熏中和是亞硫酸法澄清反應的關鍵階段。硫熏中和關鍵技術參數之一是硫熏強度，硫熏中和的主要設備為硫熏中和器。自動控制硫熏中和器具有穩定硫熏強度、穩定生產、提高產品質量、減輕操作人員勞動強度的優勢。隨著澄清工段生產設備自動化程度的發展，研究設計基于模糊PID控制器的自動控制硫熏中和器來滿足甘蔗糖廠生產的需求具有重要意義[1]。本文通過對影響硫熏強度的流量、壓力、溫度等主要參數進行分析研究，建立自動控制硫熏中和器的 PI&D控制原理圖，并采用具有自整定功能的模糊PID器進行控制，通過在糖廠的應用分析其效果。

1 硫熏中和器的控制要求

硫熏中和過程示意圖如圖1所示。來自壓榨車間的混合汁通過混合汁泵泵入到加熱器進行一次加熱，然后以0.40～0.60 MPa的壓力進入硫熏中和器，經過噴嘴形成穩定負壓，抽吸來自硫磺爐產生的SO2，吸硫反應后的混合汁經活接進入反應器，進行中和反應，中和反應后為中和汁，進入中和汁箱。

在硫熏中和過程中，混合汁通過噴嘴的速度與硫熏強度有著十分密切的關系。為了保證硫熏強度，要求混合汁通過噴嘴的速度不能太低，而混合汁通過噴嘴的速度又與混合汁的壓力有關，通常用下列公式表示[2-3]：

式中：ω：混合汁通過噴嘴的速度，m/s；ψ：摩擦系數，常數；g：重力加速度，m/s2；h：混合汁的壓力（用米水柱表示），m。

根據公式可以看出，混合汁通過噴嘴的速度和混合汁的壓力有關。同時不同溫度對混合汁吸硫效果有一定的影響，在硫熏中和器中影響硫熏強度的因素有混合汁流量。實際生產過程中，混合汁流量又受到混合汁箱液位的影響。溫度同樣會影響硫熏中和的 SO2的吸收效率。因此自動控制硫熏中和器的控制任務可分成3部分：混合汁流量及混合汁箱液位聯鎖控制；硫熏壓力控制；一次加熱溫度控制。

圖1 硫熏中和系統工藝示意圖

1.1 混合汁流量及液位聯鎖控制

混合汁來自壓榨車間。由于壓榨工段的波動會引起混合汁來料不均，故設置混合汁箱，混合汁在混合汁箱進行自然緩沖調節。但是混合汁箱的調節能力是有限的。為了穩定生產，當混合汁箱液位高的時候，適當開大硫熏中和器噴嘴噴；當混合汁箱液位底時，適當開小硫熏中和器噴嘴噴。在混合汁泵泵入加熱器的管道上安裝流量計，直接測量混合汁流量；在混合汁箱底部安裝液位變送器，直接測量混合汁箱液位；在硫熏中和器噴嘴安裝針閥，控制噴嘴的開度。在穩定生產的前提下，通過調節針閥的開度，實現混合汁流量和混合汁箱液位聯鎖控制[4]。

1.2 硫熏壓力控制

混和汁泵的主要功能是泵送物料，硫熏中和后進入反應器通過自動加灰系統進行中和反應。當壓力波動大時候，中和反應后的電極數值就大起大落，波動不定，因此有必要穩定硫熏中和器入口的壓力。為保證硫熏壓力的穩定，對混合汁泵采用變頻控制，增加變頻器，通過調節變頻器的頻率以保證進入硫熏中和器壓力的恒定[5]。

1.3 一次加熱溫度控制

一次加熱溫度越高，除去膠體越徹底。但是溫度太高，會影響硫熏中和的 SO2的吸收效率，高溫又會加速蔗糖的轉化。混合汁出口溫度以糖廠實際生產的經驗值控制在60～70℃是最適合的。在混合汁加熱出口安裝熱電阻，直接測量一次加熱后溫度，在加熱蒸汽管道安裝調節閥，通過控制加熱蒸汽調節閥的開度，對一次加熱溫度進行控制[5]。

根據混合汁流量及液位聯鎖控制、硫熏壓力和一次加熱溫度的分析，硫熏中和器 PI&D控制原理如圖2所示。

圖2 硫熏中和器PI&D圖

2 模糊PID控制器研究

模糊控制系統是一種基于語言規則和模糊邏輯的智能化控制系統，模糊控制規則是操作人員對過程控制作用的直觀描述和思維邏輯，體現了其人工智能技術。PID控制技術以其結構簡單、穩定可靠、容易實現、理論體系成熟等特點，在實際工程中得到了極為廣泛的應用。模糊PID控制是由模糊控制和PID控制2部分組成。它既有模糊控制不依賴于被控對象數學模型、對被控對象的非線性和時變性具有一定適應能力等優點，又引入了PID控制穩態性好、無靜差的優點，可使控制系統同時獲得良好的動態性能與穩態性能[6]。

2.1 模糊控制器

模糊控制由模糊化、知識庫、模糊推理和解模糊化4個過程組成，具有如下特點：無需對被控過程建立數學模型，只需將操作、工藝技術人員的控制經驗歸納總結，整理成多條控制規則，就能設計出模糊控制系統，其基本結構框如圖3所示。

圖3 模糊控制器基本結構框圖

模糊化：用于將輸入的精確量轉化為模糊量。通常將輸入的測量信號按偏差e和偏差變化率ec進行模糊化；知識庫：由數據庫和模糊控制規則庫組成，用于存放各語言變量的隸屬度函數等和一系列控制規則，其儲存著有關模糊控制器的一切知識，它決定著模糊控制器的性能，是模糊控制器的核心；模糊推理：根據模糊邏輯進行推理；解模糊化：將模糊推理得到的模糊輸出量轉化為實際的控制量。

模糊控制器實現有3種方式，即查表法、硬件模糊控制器和軟件模糊推理，應用最為廣泛的是查表法。查表法是輸入論域上的點到輸出論域的對應關系，它已經是經過了模糊化、模糊推理和解模糊的過程，可以離線計算得到，模糊控制器在線運行時，進行查表，因而可以加快在線運行的速度。

2.2 PID控制器

比例積分微分控制器PID控制器是工業生產過程最常用的控制器，它將偏差的比例P、積分I、微分D通過線性組合構成控制量，對過程對象進行控制，其結構如圖4所示。常規PID控制具有結構簡單、易于實現、對大多數過程都具有良好的控制效果以及魯棒性顯著的優點。但常規PID控制也有不足之處，其整定參數為固定值，無自適應能力[1]。

圖4 PID控制原理框圖

2.3 模糊PID控制

模糊PID控制器由模糊控制器和PID控制器2部分構成（見圖5）。模糊控制器的輸入為偏差e和偏差變化率ec，輸出為PID控制器的修正量△kp，△ki，△kd。PID控制器參數kp、ki、kd如下式所示[7-8]，其中，kp0、ki0、kd0為PID控制器的初始參數：

模糊PID在線運行時，將檢測到的偏差e和偏差變化率ec輸入到模糊控制器，經模糊控制器后輸出△kp，△ki，△kd，從而實現對PID控制器參數kp、ki、kd進行自整定，更好地滿足偏差e和偏差變化率ec的變化要求。

圖5 模糊PID控制器結構框圖

2.4 硫熏中和器模糊PID控制器

硫熏中和器自動控制分為混合汁流量及液位聯鎖控制、硫熏壓力控制、一次加熱溫度控制3個回路，每個回路單獨基于硫熏中和器模糊PID控制器實現。

混合汁流量及液位聯鎖控制，輸入給定值為根據液位高度給定的流量給定值1和實際生產需要的流量給定值 2。反饋值為流量計測量的實際流量，經過模糊 PID控制器計算后控制針閥開度的輸出值，直接控制噴嘴的開度（見圖6）。

圖6 混合汁液位及流量聯鎖模糊PID控制框圖

混合汁壓力控制，輸入給定值為壓力給定值，反饋值為壓力變送器的實際測量值，經過模糊 PID控制器計算變頻器頻率的輸出值，直接控制變頻器的頻率。具體控制框圖如圖7所示。

一次加熱溫度控制，輸入給定值為一次加熱溫度給定值，反饋值為熱電阻的實際測量值，經過模糊PID控制器計算加熱蒸汽調節閥開度的輸出值，直接控制調節閥開度。具體控制框圖如圖8所示。

圖7 硫熏壓力模糊PID控制框圖

圖8 一次加熱溫度模糊PID控制框圖

3 應用效果分析

圖9 流量模糊PID控制曲線

基于模糊PID控制器的硫熏中和器已在廣西鳳糖融安制糖有限責任公司、廣西武宣廣盛糖業有限公司、中糧屯河北海糖業有限公司等多家制糖企業推廣應用。結果表明，基于模糊PID控制器的硫熏中和器的直接控制參數更穩定，混合汁液位控制穩定，硫熏壓力控制穩定，一次加熱溫度控制穩定，保證了硫熏中和器間接控制參數硫熏強度的穩定，硫熏器抽吸效率高，混合汁與SO2氣體反應更完全，提高了產品質量。模糊PID控制對流量控制曲線如圖9所示，對壓力控制曲線如圖10所示，對一次加熱溫度控制曲線如圖11所示。

圖10 壓力模糊PID控制曲線

圖11 溫度模糊PID控制曲線

4 小結

硫熏強度為清凈工段最重要的工藝指標之一，硫熏強度直接關系白砂糖的產品質量。基于模糊PID控制器的硫熏中和器只是對影響硫熏強度的流量、壓力、溫度進行控制，隨著傳感器檢測技術的發展，可增加硫熏強度直接測量儀表，形成硫熏強度閉環控制系統，更直接地控制硫熏強度的指標，提高產品質量，給糖廠帶來經濟效益。