酒精精餾塔解耦控制研究

孟亞男 王德平

（吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022）

0 引言

酒精精餾塔常用的是多輸入多輸出控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制方式復(fù)雜，且具有強(qiáng)耦合性、時(shí)變性等特點(diǎn)。因此，如何克服該系統(tǒng)的強(qiáng)耦合性，選取合適的解耦方式來(lái)完成對(duì)酒精精餾塔的解耦工作就顯得尤為重要。由于模糊解耦無(wú)需精確的數(shù)學(xué)模型就可完成對(duì)系統(tǒng)的控制，從而受到廣大學(xué)者的青睞。因此，本研究對(duì)模糊解耦控制與傳統(tǒng)控制進(jìn)行對(duì)比研究。

1 酒精精餾塔控制系統(tǒng)

1.1 酒精精餾塔工藝流程

酒精精餾塔工藝流程如圖1 所示。通過(guò)該流程可對(duì)酒精精餾塔的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。物料F經(jīng)進(jìn)料口的流量控制閥送入精餾塔中，經(jīng)自然運(yùn)動(dòng)到達(dá)精餾塔塔底，經(jīng)再沸器加熱（再沸器是通過(guò)輸入的蒸汽QS對(duì)其進(jìn)行加熱），并以提餾段靈敏板溫度T2為控制點(diǎn)。在經(jīng)過(guò)再沸器加熱后，物料中易揮發(fā)成分變?yōu)闅庀啵瑓R聚到塔頂，精餾塔塔頂?shù)臍庀嘟?jīng)塔頂冷凝器冷凝后進(jìn)入回流罐，由回流罐采出泵進(jìn)行分流，一部分作為塔頂產(chǎn)品Q(chēng)D產(chǎn)出，一部分回塔頂作為回流QL回到精餾塔中。通過(guò)調(diào)節(jié)回流量來(lái)控制精餾塔靈敏板的溫度T1，并通過(guò)控制塔頂采出量來(lái)控制回流罐液位。精餾塔塔底的采出由采出泵控制，塔底液位由塔底產(chǎn)品的采出量控制［1］。

圖1 酒精精餾塔工藝流程

1.2 酒精精餾塔控制方案

搭建酒精精餾塔的溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，可對(duì)精餾塔出現(xiàn)的強(qiáng)耦合現(xiàn)象提出解決方案，需要采用模糊控制器搭配解耦控制對(duì)其進(jìn)行解耦操作［2］。

相較于傳統(tǒng)的PID 控制方式，模糊解耦控制有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。①解耦控制不需要根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程來(lái)推導(dǎo)精確的數(shù)學(xué)模型。對(duì)復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程，要獲取精確的數(shù)學(xué)模型是很困難的，尤其是酒精精餾塔采用多輸入多輸出且具有強(qiáng)耦合性的控制方式，而模糊語(yǔ)言是一種很方便的近似方法。②對(duì)有一定操作經(jīng)驗(yàn)而非本專(zhuān)業(yè)的工作人員來(lái)說(shuō)，模糊控制方法易于學(xué)習(xí)、掌握。③模糊控制的控制流程動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能要高于傳統(tǒng)的PID 控制系統(tǒng)，且模糊控制對(duì)流程數(shù)據(jù)的改變具備很強(qiáng)的適應(yīng)性。

因此，使用模糊控制對(duì)酒精精餾塔進(jìn)行解耦控制，能取得良好的解耦效果。

2 模糊控制的工作原理

模糊控制器是模糊控制的關(guān)鍵部分，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)來(lái)搭建模糊控制器，才能更好地控制現(xiàn)場(chǎng)的酒精精餾塔。模糊控制器框架如圖2 所示。模糊控制算法實(shí)現(xiàn)步驟如下。

圖2 模糊控制器框架

①根據(jù)采樣得到的系統(tǒng)輸出值計(jì)算出模糊控制的輸入值。

②將模糊控制器輸入量的精確值變?yōu)槟：俊?/p>

③根據(jù)輸入變量（模糊量）和模糊控制法則，基于模糊推理組合成的模糊控制法則來(lái)求控制變量。模糊推理是一項(xiàng)以模糊推理理論為基礎(chǔ)，利用模糊語(yǔ)言規(guī)則提出的一種有效的、近似的模糊判定結(jié)果的技術(shù)。

④基于上述得到的控制變量（模糊量）來(lái)計(jì)算出精確的控制量［3］。

對(duì)于多變量多輸入多輸出的控制系統(tǒng)，可分別在塔頂、塔底搭建模糊控制器，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)編撰模糊控制規(guī)則如圖3、圖4所示。

圖3 塔頂模糊規(guī)則表及控制曲面

圖4 塔底模糊規(guī)則表及控制曲面

3 模糊控制的仿真

在酒精精餾塔溫度控制系統(tǒng)中，由塔頂、塔底溫度控制器計(jì)算出的控制參數(shù)是相互影響、相互作用的，具有較強(qiáng)的耦合性。傳統(tǒng)的PID 控制難以達(dá)到預(yù)期效果，因此，采用何種解耦控制方式至關(guān)重要。本研究采用控制方法，將酒精精餾塔的Multi Input Multi Output（MIMO）控制系統(tǒng)分化為兩個(gè)Single Input Single Output（SISO）控制系統(tǒng)，再對(duì)兩個(gè)SISO控制系統(tǒng)進(jìn)行模糊解耦操作［4］。

3.1 傳統(tǒng)解耦方式

傳統(tǒng)方式對(duì)實(shí)際生產(chǎn)所得的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行整合，并推導(dǎo)出其數(shù)學(xué)模型。傳統(tǒng)的解耦控制采用前饋解耦搭配PID 控制對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行調(diào)控解耦工作。PID 控制原理如圖5 所示，仿真結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，波形圖振蕩嚴(yán)重且不穩(wěn)定，因此，傳統(tǒng)的PID 控制方式難以達(dá)到試驗(yàn)要求［5］。同時(shí)，只采用解耦操作，得到的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)反應(yīng)較慢，更存在相當(dāng)大的超調(diào)量，不符合預(yù)期效果，且難以滿(mǎn)足日常生產(chǎn)所需。

圖5 PID控制原理

圖6 傳統(tǒng)解耦仿真結(jié)果

3.2 模糊解耦方式

由于傳統(tǒng)的解耦難以達(dá)到預(yù)期效果，因此，本研究采用模糊PID 控制方式對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行解耦操作。模糊解耦是基于模糊控制器搭建的，模糊控制器會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)返回的實(shí)際數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應(yīng)變化及改寫(xiě)，如圖7 所示。第一次搭建的模糊控制器是基于相應(yīng)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出的，第一次糊解耦仿真如圖8所示。

圖7 模糊控制原理

圖8 第一次模糊解耦

由圖8 可知，模糊解耦能很好地解決超調(diào)現(xiàn)象，前期雖存在數(shù)據(jù)波動(dòng)的現(xiàn)象，但曲線(xiàn)反應(yīng)速度更快，超調(diào)更低，后期數(shù)據(jù)更貼近理想曲線(xiàn)，因此，該方式較為符合預(yù)期要求。

本研究先使用傳統(tǒng)控制方式進(jìn)行仿真試驗(yàn)，將得到的結(jié)果與模糊解耦的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而證明模糊解耦方式能在數(shù)學(xué)模型難以確定的情況下，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有多變性且操作復(fù)雜的控制系統(tǒng)產(chǎn)生良好的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

模糊解耦方式不用精確的數(shù)學(xué)模型就能建立解耦控制，通過(guò)現(xiàn)存的實(shí)際項(xiàng)目來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制器，對(duì)酒精精餾塔的強(qiáng)耦合性搭建仿真模型。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，證明了模糊解耦對(duì)酒精精餾塔的強(qiáng)耦合性具有很好的解耦效果，且模糊控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明，易于實(shí)現(xiàn)。因此，該控制器具有較高的實(shí)用價(jià)值。