基于模型預(yù)測(cè)控制的乳化物干燥控制系統(tǒng)

馬 艷，卜 麗，孫長(zhǎng)江

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，徐州 221116）

0 引言

乳化物干燥是奶粉加工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。由于乳化物的干燥過程是非線性、多參數(shù)、大滯后、強(qiáng)耦合的非穩(wěn)態(tài)過程，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。因而在乳化物干燥過程中，不僅要考慮乳化物水分、溫度及外界氣候條件等多個(gè)物理參數(shù)的影響，而且還需要兼顧乳化物的營(yíng)養(yǎng)成分、食用品質(zhì)等一些生化指標(biāo)。因此, 采用一般的控制方法, 很難準(zhǔn)確控制烘干后奶粉的質(zhì)量。鑒于此，本文采用模型預(yù)測(cè)控制來使系統(tǒng)在不確定因素影響下仍能具有良好的性能，且在線實(shí)現(xiàn)方便，能基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)操作。

1 干燥過程分析

圖1為乳化物干燥過程示意圖[1]，含有雜塵的氣體通過空氣過濾器過濾以后進(jìn)入到加熱器中進(jìn)行加熱，最后送入氣流干燥管底部。當(dāng)乳化物由旋轉(zhuǎn)加料器傳送到氣流干燥管底部后，鼓風(fēng)機(jī)將熱空氣和乳狀物吹著沿氣流干燥管向上運(yùn)動(dòng)。隨著熱空氣和乳化物沿干燥管上升， 熱空氣攜帶的熱量以對(duì)流的方式傳給濕物料使?jié)裎锪现械乃制U(kuò)散到熱空氣中，乳化物逐漸得到干燥。到達(dá)干燥管頂部后，旋風(fēng)分離器將奶粉和廢氣分離，干燥過程結(jié)束。由于物料的性質(zhì)和形狀不同、物料的溫度、物料的含水量、干燥介質(zhì)的流速與流向不同導(dǎo)致了待干物料的濕度會(huì)偏離期望值。因此，根據(jù)現(xiàn)有的運(yùn)行工況，采取何種措施,既能保證產(chǎn)品質(zhì)量，又能使整個(gè)烘干系統(tǒng)的生產(chǎn)效率處于合理的最佳運(yùn)行狀態(tài)是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。本文在對(duì)干燥系統(tǒng)深入分析以后選用模型預(yù)測(cè)控制方案對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

圖1 氣流干燥流程圖

2 模型預(yù)測(cè)控制的基本原理和優(yōu)點(diǎn)

預(yù)測(cè)控制也稱基于非參數(shù)模型的控制，以脈沖響應(yīng)模型作為控制基礎(chǔ)。它采用工業(yè)生產(chǎn)中易得到的過程脈沖響應(yīng)或階躍響應(yīng)曲線，利用曲線的一系列采樣值作為描述過程動(dòng)態(tài)特性模型的預(yù)測(cè)模型，然后據(jù)此確定控制量的時(shí)間序列，使未來一段時(shí)間的被控量與期望軌跡之間的偏差最小，而且該最小化過程反復(fù)在線進(jìn)行。

如圖2所示，預(yù)測(cè)控制由預(yù)測(cè)模型、參考軌跡、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正等構(gòu)成，可見，算法可分為兩步來理解：在當(dāng)前時(shí)刻，基于過程控制模型預(yù)測(cè)未來有限時(shí)域的過程輸出，通過最小化輸出響應(yīng)與期望軌跡的偏差確定未來有限時(shí)域的控制增量；在所得到的控制增量中只執(zhí)行當(dāng)前的控制量。

圖2 模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)示意圖

預(yù)測(cè)控制具有對(duì)數(shù)學(xué)模型要求不高、能直接處理具有純滯后的過程、具有良好的跟蹤性能和較強(qiáng)的抗干擾能力、對(duì)模型偏差具有較強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)點(diǎn)。基于這些優(yōu)點(diǎn)，預(yù)測(cè)控制更符合工業(yè)控制的實(shí)際要求，這是PID控制或現(xiàn)代控制理論所無法比擬的。

3 控制過程

對(duì)于一個(gè)特定的干燥過程，干燥器一定，干燥塔介質(zhì)一定，同時(shí)濕物料的含水量、水分性質(zhì)、溫度以及要求的干燥質(zhì)量也一定。這樣，能調(diào)節(jié)的參數(shù)只有干燥介質(zhì)的流速、干燥空氣的溫度、乳化物入機(jī)的含水率和溫度、乳化物的目標(biāo)含水率。但這五個(gè)參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)和影響的，當(dāng)任意規(guī)定其中的三個(gè)參數(shù)時(shí)，另外兩個(gè)參數(shù)也就確定了，即在對(duì)流干燥操作中，只有三個(gè)參數(shù)可以作為自變量而加以調(diào)節(jié)。因此將干燥空氣溫度、乳化物入機(jī)時(shí)含水率和目標(biāo)含水率作為輸入?yún)?shù)，優(yōu)化控制參數(shù)為各干燥段的含水量。

3.1 預(yù)測(cè)模型

預(yù)測(cè)模型是一個(gè)描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的模型，在預(yù)測(cè)控制中具有重要的作用。常用的模型有脈沖響應(yīng)模型、節(jié)約響應(yīng)模型、可控自回歸滑動(dòng)平均模型和可控自回歸積分滑動(dòng)平均模型。本文對(duì)乳化物干燥過程建立了一個(gè)分布式參數(shù)過程模型[2]。

令Pj為第j個(gè)干燥段的入口平均含水率，Δh為干燥段的高度，Q為干燥段空氣入口處的乳化物平衡水分，c,d,f為模型系數(shù)，ρ為乳化物密度，k為干燥常數(shù)，G為乳化物的質(zhì)量流量,則每個(gè)干燥段出口乳化物的含水率為：

通過以上公式，可以得到干燥機(jī)內(nèi)乳化物的水分分布狀況。

3.2 參考軌跡

預(yù)測(cè)控制中，考慮到過程的動(dòng)態(tài)特性，為避免過程輸出的急劇變化，往往要求過程沿著事先制定的一條隨時(shí)間而變化的軌跡達(dá)到設(shè)定值，這條軌跡就是參考軌跡。

參考軌跡可以采用不同的形式表示，通常采用一階指數(shù)曲線形式[3]。設(shè)過程輸出的設(shè)定值為pj，參考軌跡為pr，則以k時(shí)刻實(shí)際輸出為起始，pr在未來k+i時(shí)刻的值為

式中α=e-T/Tr，T為采樣周期，Tr為參考軌跡的時(shí)間常數(shù)。

可見，參考軌跡將減小過量的控制作用，使系統(tǒng)的輸出能平滑地達(dá)到設(shè)定值。而且，Tr越大，α越大，參考軌跡也越平滑，魯棒性也越強(qiáng)，但是到達(dá)設(shè)定值的時(shí)間也越長(zhǎng)，即控制的快速性變差。

3.3 滾動(dòng)優(yōu)化

3.4 反饋算法

過程模型誤差定義為出機(jī)含水率的實(shí)測(cè)值與測(cè)量值之間的差值，若誤差不為零，過程模型和逆過程模型中的干燥常數(shù)k利用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)y進(jìn)行校正。

k1為校正干燥常數(shù)，k2為理論干燥常數(shù)，y為校正系數(shù)，系數(shù)y用第二個(gè)公式來估算，y為當(dāng)前采樣周期的校正系數(shù)，β為濾波系數(shù)，pr為預(yù)測(cè)出機(jī)含水率，pm為實(shí)際出機(jī)含水率。

4 結(jié)束語

通過研究干燥過程中參數(shù)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，建立了能在干燥各階段對(duì)干燥系數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制的預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了乳化物含水率和品質(zhì)的在線監(jiān)測(cè)，以及糧食干燥過程的優(yōu)化控制。經(jīng)生產(chǎn)運(yùn)行表明具有如下特點(diǎn)：1） 系統(tǒng)對(duì)干燥過程實(shí)行全方位立體控制，抗干擾能力強(qiáng)。當(dāng)系統(tǒng)某些因素,如乳化物品質(zhì)、環(huán)境溫度等發(fā)生變化時(shí),能在干燥參數(shù)方面及時(shí)作出調(diào)整和修正，使整個(gè)烘干系統(tǒng)不因局部問題而受到太大的影響。2）基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字控制與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，具有成本低、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)和重構(gòu)性好等特點(diǎn)。本系統(tǒng)可節(jié)省大量的人力物力，降低生產(chǎn)成本，有利于提高乳化物干燥的生產(chǎn)效率和保證奶粉的品質(zhì)，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 崔克寧.淀粉氣流干燥系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)控制算法研究[J].河南大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版),32(1).

[2] Liu Qiang,Bakker-Arkem F W.Automatic Control of Crossflow GrainDryers,Part 1:Development of a ProcessModel[J].Journal of Agricultural Engineering Research,2001,80(1):81-86.

[3] 常俊林.過程控制系統(tǒng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

[4] 柴干.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真[M].電子工業(yè)出版社.