模糊PID控制在乳酸精制工藝中的應用與研究

吳金祥，李錫文

（華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢430074）

0 引言

乳酸是化工、輕工、食品和醫藥產品的重要原料。乳酸可以通過化工合成或發酵法獲得。乳酸的提純與精制有多種方法，如活性碳脫色法、乳酸鈣結晶法、酯化法、萃取法、離子交換法和蒸餾法等［1］。但是以上方法均存在各種各樣的限制，不能滿足工業生產的要求。

1 控制目標

雙蒸餾法即刮膜蒸餾和短程蒸餾聯用的方法［1］。刮膜蒸餾需要用到刮膜蒸發器，刮膜蒸發系統如圖1所示。在圖1中，出料泵將原料罐內的原料乳酸輸送到刮膜蒸發器內，通過控制出料的調節閥CV100來控制出料的流量。在刮膜蒸發器進料之前，通過液環真空泵將刮膜蒸發器內氣壓抽到3 kPa以內。進入刮膜蒸發器的乳酸原料被旋轉刮膜器刮成薄膜，在重力的作用下沿刮膜蒸發器內壁向下流動。由于刮膜蒸發器內壁溫度較高且刮膜蒸發器內氣壓非常低，所以乳酸原料中的水分快速蒸發成水汽，被液環真空泵抽走，這樣就達到了蒸發水分的效果。

圖1 刮膜蒸發工藝設備布置

在穩定工作狀態下，工藝要求刮膜蒸發器夾套蒸汽壓力保持恒定，刮膜蒸發器內液位保持恒定。蒸汽壓力保持恒定比較容易控制，采集P100壓力傳感器的壓力信號，進行反饋PID控制蒸汽調節閥CV101的開度，就可以滿足蒸汽壓力控制的要求。刮膜液位的控制受到進料流量的波動、原料含水量不同和蒸汽夾套壓力波動等因素的影響，較難控制。課題的目標是找到一種控制方法，通過控制刮膜蒸發器的進料流量，使三濃刮膜蒸發器內的液位保持穩定，保證整個乳酸精制的生產過程平穩進行。

2 控制系統設計

2．1 控制系統結構

項目來自于湖北漢川某大型乳酸廠，需要設計的是一整套乳酸精制工段的控制系統，而非單獨控制刮膜蒸發器系統。考慮到項目需要采集控制的資源較多，涉及各種傳感器共127支，控制開關閥、調節閥和電機等85臺，故應選用運行速度較快，內存較大的CPU。同時為了保證系統的可靠性，最好采用能夠實現雙機熱備冗余的系統。經過最終的權衡，選擇西門子 S7－400 412－5H CPU 套件，套件包含2組CPU。2組CPU之間通過光纖進行高速通訊，使運行CPU里面的運行數據即時同步到備份CPU里。當運行CPU發生故障時，系統能夠切換到備份CPU上繼續運行，切換時間達到毫秒級。

為了能夠方便地設置各種工藝參數，以及直觀地監控乳酸精制工藝過程，系統采用工業觸摸屏作為人機交互終端。工業觸摸屏通過工業以太網與CPU模塊通訊。

由于現場各控制點較為分散，總共分布在5層鋼結構平臺上，所以采用分布式控制系統是一種較為合理的方式。經過選擇最終采用PROFIBUS－DP總線，在每一層鋼結構平臺上布置一個分站，通過PROFIBUS－DP總線將各分站與主備CPU連接起來。通過菊花鏈的連接形式將5個分站串接成2條PROFIBUS－DP總線。由于CPU采用冗余形式，故每個分站里應包含2個PROFIBUS－DP的接口模塊。接口模塊型號為IM153－2，此接口模塊可以接最多12個PLC模塊。具體的系統結構如圖2所示。

圖2 乳酸精制工段控制系統

2．2 液位傳感器的選擇

由于需要控制刮膜蒸發器的液位，故應通過安裝液位傳感器測量其液位。刮膜蒸發器液位測量工況屬于密閉容器并且包含真空環境。常見的液位傳感器種類有靜壓型、差壓型、超聲波型和導波雷達型。唯一能夠應用在這種工況的是差壓型液位傳感器。差壓型液位傳感器是通過測量兩取壓點之間的壓力差來測量液位。當容器上部空氣壓力發生變化時，兩取壓點的壓力也發生變化，但是兩取壓點的壓力差不發生變化。只有在液位發生變化時，兩取壓點壓力差才發生變化。但是當液位超過了上取壓點位置時，兩取壓點之間壓力差不再隨液位變化而變化，故差壓液位傳感器液位測量的最大范圍是上下兩取壓點高度差。從控制角度來考慮，應將液位控制在上取壓點之下，否則液位測量就不準確了。

差壓傳感器的實際安裝如圖3所示。以圖3為例，差壓液位測量過程如下所述。

圖3 差壓傳感器實例

設差壓傳感器左側壓力為P1＝Pi＋ρ1g Hu，差壓傳感器右側壓力為P2＝Pi＋ρ0g Hv，刮膜蒸發器內液面上方氣體壓力為Pi，則在抽真空的情況下，Pi的值在3～101 k Pa之間變化。Hv表示差壓傳感器上下引壓口高度差，在傳感器安裝完成后，此值為固定值。硅油密度為ρ0＝0．96 kg／dm3，乳酸密度為ρ1＝1．25 kg／dm3。

差壓傳感器兩側的壓力差為：

PΔ為一個與Pi無關，與Hu線性相關的量，這樣就可以消除真空情況對傳感器液位測量的干擾，通過變送器將PΔ變送到4～20 m A信號，并連接到PLC，就可以測量出正確的液位。

3 模糊PID實現

3．1 控制算法分析

根據乳酸精制工藝特征分析，刮膜蒸發器的進料流量應該限定在一定的范圍之內，因為刮膜蒸發器的蒸發能力是有上限的。如果進料流量過大，超過刮膜蒸發器的蒸發能力，會造成乳酸原料蒸發不充分，成品中含水量增加。通過控制進料流量來控制刮膜蒸發器的液位。為了提高生產效率并使整個生產過程平穩進行，要求刮膜液位上升快，同時要求液位超調量小，刮膜蒸發器的液位能夠快速穩定。

干擾液位控制精度因素有：進料流量的波動、原料含水量不同和蒸汽夾套壓力波動等。刮膜蒸發器的液位控制是一個時變、非線性和存在較大時滯的控制對象。項目原本采用PID控制算法來控制液位，但是在實際調試過程中發現，由于受控對象的特性，常常造成超調的現象。在這種情況下又需要人為的調整PID控制的參數，使用過程較為復雜，需要專業的人員才能保證系統穩定運行，而現場工藝師又達不到這樣的要求，導致生產出的乳酸成品純度不佳。在這種情況下，將控制算法改為模糊PID控制，可以滿足工藝要求。根據在現場的實際調試情況，設計相應的模糊規則，實現專家系統的智能控制。將模糊控制［2］與PID控制相結合，通過模糊規則控制PID控制器的參數，使系統在不同的狀態下，按照既定的規則控制PID控制器的參數，使系統不但具有較快的響應速度以及魯棒性，更使系統具有較高的穩態精度。

3．2 模糊PID控制算法設計

在模糊PID控制算法中，輸入量是液位的偏差e（t），以及偏差的變化率d e（t）／d t，輸出量是PID的控制參數KP，KI，KD。模糊PID算法的核心是確定模糊規則。比例系數KP是根據系統當前的偏差值來控制輸出，控制KP的大小可以改變系統的響應速度。積分系數KI是根據系統的偏差累積來控制輸出，KI的作用是消除系統的穩態誤差。微分系數KD是用系統的當前偏差和上一偏差的差值來控制輸出，用來提高系統的動態性能。模糊PID控制器的結構如圖4所示。

圖4 模糊PID控制器結構

根據刮膜蒸發器的液位控制情況，在液位偏差較大時，偏差變化率較小，應增大比例系數KP，同時將積分系數KI變為0，防止出現積分飽和的現象。積分飽和越深，后期的超調量就越大。在液位偏差適中時，可以適當設置一定的積分系數。在液位偏差較小時，應加大積分系數，以減小系統的穩態誤差。根據上面的規則，可以基本確定KP，KI，KD的模糊規則表。由于篇幅限制，在此只列出KP的模糊規則如表1所示。

表1 模糊PID參數K P規則

根據模糊規則表，能夠確定PID參數的變化規律，然后根據項目的實際情況，調試具體參數。

4 結束語

使用西門子S7－400 PLC作為系統的控制核心，并采用差壓式液位傳感器測量刮膜蒸發器在真空條件下的液位，通過工業觸摸屏設置運行參數以及監測運行狀態，提高了系統的自動化程度，能夠滿足長時間連續生產的要求。使用模糊PID控制刮膜蒸發器液位，響應速度快，提高了系統控制精度與系統魯棒性，使得產品的質量得到保證。系統在乳酸廠調試通過，運行良好，滿足現場工藝要求，創造了巨大的經濟價值。

［1］ 呂九琢，徐亞賢，袁 光，等．乳酸精制新工藝——刮膜蒸發和短程蒸餾聯用法［J］．現代化工，2001，21（1）：44－46．

［2］ 蔚東曉，賈霞彥．模糊控制的現狀與發展［J］．自動化與儀器儀表，2006，（6）：4－7．