張浩強，羅相巧，黃鴻濱，韋美良，蔡 柳，盧森幸

(河池學院，廣西 宜州 546300)

0 引言

傳統白酒釀制工藝歷史悠久，灌裝主要靠人工，隨著現代化發展，機械自動化灌裝逐步成熟[1,2]，因此對白酒節能蒸餾系統的輸出酒量控制要求越來越高，其輸出酒流量精準控制是提高灌裝效率的關鍵所在。

目前對白酒釀制的學術研究主要集中在釀制工藝方面，例如：徐娜等[3]利用單因素和正交試驗分析了梨渣和混合谷物比例、發酵時間等因素對發酵液品質及風味的影響；陳申習等[4]基于傳統分離方法和現代分子技術分離了酒醅優勢微生物，并研究了清香型小曲酒機械化釀造過程中微生物數量變化情況。

檢索近期最新文獻，發現白酒節能蒸餾系統輸出酒流量控制方面的研究存在較大空白，基于此對其進行研究，可為白酒釀造系統輸出酒流量精準控制提供理論參考。

本文基于白酒蒸餾輸出酒流量精準控制要求，對其輸出酒流量控制特性展開科研工作，給出了白酒節能蒸餾系統輸出酒流量控制機理，建立酒流量、壓力、反饋元件數學模型，推導出系統輸出酒流量開環傳遞函數，基于果蠅和Ziegler-Nichols兩種算法優化PID控制器參數，得出了不同信號的輸出酒流量優化規律，并歸納了兩種算法對輸出酒流量響應性能的優化情況。

1 白酒節能蒸餾系統輸出酒流量閉環控制原理及其數學模型

圖1為白酒節能蒸餾系統輸出管路酒流量控制布置圖。

圖1 白酒節能蒸餾系統輸出管路酒流量控制布置圖

白酒蒸餾輸出酒流量控制直接影響瓶裝灌裝速度，基于酒流量閉環控制原理對其實現精準控制，白酒節能蒸餾系統輸出酒流量閉環控制機理如圖2所示。

圖2 白酒蒸餾輸出酒流量閉環控制機理

白酒蒸餾輸出酒流量通過酒流量調節開關調節過流開度x，并將輸出酒流量通過酒流量傳感器反饋至輸入端進行比較，最終通過PID控制器精準調整其響應性從而使輸出酒流量逼近目標值。

蒸餾系統輸出酒流量Q(L/min)滿足：

(1)

其中：C為酒流量系數；W為流量調節開關面積梯度；ρ為酒精密度，kg/cm3；p為輸出管路壓力，MPa ；x為酒流量調節開關開度，mm。

酒流量傳感器數學模型為：

U=KQout.

(2)

其中：K為酒流量反饋增益，為單位流量對應的電壓信號，V/(L·min-1)；U為反饋電壓，V；Qout為輸出酒流量，L/min。

本文選用工控機控制的位置式PID控制器，其輸出為：

(3)

蒸餾系統輸出酒流量Q對酒流量調節開關開度x的傳遞函數為：

(4)

其中：KQ為開環增益系數；s為復變量；A為酒流量開關閥面積，mm2；wh為頻率，Hz；ξh為系統阻尼比。

基于圖3的PID控制器參數優化框圖，首先采用果蠅算法優化PID三參數。

圖3 PID控制器參數優化框圖

圖4為基于果蠅算法優化PID控制參數的流程圖。

圖4 基于果蠅算法進行PID控制器參數尋優流程圖

尋優參數前，設置優化種群數量為20，進行100次迭代尋優。酒流量調節開關PID控制參數Kp、Ti和Td暫取14、0.4和0.2，尋優區間為(0，50)，基于ITAE(Integral of Time and Absolute Error)誤差時間積分準則為適應度函數進行參數優化，ITAE公式如下：

(5)

其中：Q(a)為適應度函數；t為優化迭代時間，s；e(t)為單位時間實際輸出酒流量與目標酒流量差值。

迭代100次輸出PID控制器最優參數，如表1所示。

表1 基于果蠅算法的PID控制器最優參數

基于Ziegler-Nichols算法采取同樣的邏輯進行參數尋優，Kp、Ti和Td的尋優參數如表2所示。

表2 基于Ziegler-Nichols算法的PID控制器參數設置

基于Ziegler-Nichols算法輸出最優解如表3所示。

表3 基于Ziegler-Nichols算法的PID控制器最優參數

基于Ziegler-Nichols算法的尋優步驟如下：①將積分、微分系數置零；②比例系數逐步調大，蒸餾系統振蕩時，Kp=Kmax，蒸餾系統振蕩周期即Tc；③比例系數減小至0.65Kmax，積分系數設置為Tc/2.5，微分系數設置為Tc/7.5。

2 白酒蒸餾系統酒流量控制性能仿真

圖5為白酒節能蒸餾系統輸出酒流量控制性能仿真模型，分別加入基于果蠅和Ziegler-Nichols算法迭代尋優的PID控制器參數。

圖5 白酒蒸餾系統輸出酒流量控制性能仿真模型

圖6為基于兩種算法的白酒節能蒸餾系統輸出酒流量階躍響應對比曲線。

圖6 白酒節能蒸餾系統輸出酒流量階躍響應對比

基于果蠅和Ziegler-Nichols算法的節能蒸餾系統階躍響應性能對比如表4所示。

由表4得出：階躍響應下，基于果蠅算法比基于Ziegler-Nichols算法，節能蒸餾系統超調量減小了1.41%，調整時間降低了0.449 s，穩態誤差減小0.003 L/min。

表4 基于果蠅和Ziegler-Nichols節能蒸餾系統階躍響應對比

對基于兩種算法的白酒節能蒸餾系統輸出酒流量控制模型施加1 Hz的正弦信號，得到如圖7所示的系統輸出酒流量跟蹤曲線。

圖7 1 Hz正弦信號下的系統輸出酒流量跟蹤曲線

以最大和平均跟蹤誤差為性能指標，總結了1 Hz正弦信號下基于兩種算法的白酒節能蒸餾系統輸出酒流量控制性能，如表5所示。

由表5得出：1 Hz正弦信號下，基于果蠅算法與基于Ziegler-Nichols算法相比，節能蒸餾系統輸出酒流量最大跟蹤誤差減小了0.005 L/min，平均跟蹤誤差減小了0.008 L/min。

表5 1 Hz正弦響應的系統輸出酒流量控制性能

由圖7和表5得出：輸出酒流量正弦信號激勵下，基于果蠅算法和Ziegler-Nichols算法優化的系統跟蹤性能均較好。

由Simulink平臺的Random Number模塊產生1 Hz、2 Hz隨機信號，得到如圖8所示的基于兩種算法的白酒節能蒸餾系統輸出酒流量跟蹤曲線。

圖8 隨機信號的白酒節能蒸餾系統輸出酒流量跟蹤曲線

以響應波動范圍為性能指標，總結了1 Hz和2 Hz隨機信號下基于兩種算法的白酒節能蒸餾系統輸出酒流量控制性能，如表6所示。

由表6得出：1 Hz隨機信號下，基于果蠅算法與基于Ziegler-Nichols算法相比，節能蒸餾系統輸出酒流量響應波動范圍縮小了0.071 L/min；2 Hz隨機信號下，節能蒸餾系統輸出酒流量響應波動范圍縮小了0.027 L/min。

表6 隨機信號的輸出酒流量響應波動范圍

3 結論

針對白酒節能蒸餾輸出酒流量高精度要求，給出了白酒節能蒸餾系統輸出酒流量控制機理，對酒流量、壓力、反饋元件數學模型進行了搭建，推導了系統輸出酒流量相對酒流量調節閥開度的開環傳遞模型，基于果蠅和Ziegler-Nichols算法進行了PID控制器參數尋優操作，得出以下結論：

(1) 階躍響應下，基于果蠅算法與基于Ziegler-Nichols算法相比，節能蒸餾系統超調量減小了1.41%，調整時間降低了0.449 s，穩態誤差減小0.003 L/min。

(2) 正弦信號激勵下，基于果蠅算法和Ziegler-Nichols算法優化的系統跟蹤性能均較好。

(3) 隨機信號頻率增加，基于果蠅算法與基于Ziegler-Nichols算法相比輸出酒流量的波動范圍較小。