置換蒸煮鍋溫度測量方法的改進及鍋內溫差控制

湯　偉　楊鵬飛　黨世紅

(1.陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西西安,710021；2.陜西科技大學輕工與能源學院，陜西西安,710021)

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·溫度測量·

置換蒸煮鍋溫度測量方法的改進及鍋內溫差控制

湯偉1楊鵬飛2，*黨世紅2

(1.陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西西安,710021；2.陜西科技大學輕工與能源學院，陜西西安,710021)

針對置換蒸煮鍋溫差難以消除這一難題,在傳統蒸煮鍋溫度測量的基礎上,提出一種新的溫度測量方法,并將神經網絡控制、PID串級控制和解耦控制有機地結合起來, 提出一種神經網絡PID串級解耦控制系統。解決了蒸煮鍋溫度控制時滯性、時變性和非線性等問題,應用Matlab仿真比較表明,該控制系統具有更好的動態性能和魯棒性,其控制效果明顯優于常規PID串級控制系統。

置換蒸煮系統；溫差控制；蒸煮鍋；神經網絡PID；串級解耦

(*E-mail: 401371274@qq.com)

在置換蒸煮制漿系統中,蒸煮鍋是壓力容器,由于其復雜的內部結構和特殊的工作環境,一般通過在鍋體循環管路安裝溫度儀來間接測定鍋內溫度。蒸煮鍋體積較大,上下高度十幾米,因此上下循環管路的溫度并不能真實地體現蒸煮鍋上部和下部漿料的溫度。為防止產生不均勻的蒸煮現象,要求蒸煮鍋內溫差保持在5℃以內,而蒸煮鍋多數采用蒸汽外部強制加熱,將蒸煮液加熱到所需的最高溫度,再將蒸煮液循環到鍋內對漿料進行加熱。在該過程中通常根據頂部與底部蒸煮液的回流量來調節鍋內溫差,但頂部與底部流量存在強耦合關系。此外鍋內壓力、藥液成分、熱交換器出口藥液溫度等因素都會影響蒸煮鍋內溫度。因此蒸煮鍋溫差控制具有耦合性、時變性和非線性等特點,常規PID串級控制不能滿足要求,對能量浪費也比較大。本課題在改進蒸煮鍋測量方法的基礎上,采用神經網絡PID串級解耦控制對蒸煮鍋頂部和底部溫度進行控制,很好地解決了蒸煮鍋溫差控制耦合性、時變性和非線性等問題。

1　蒸煮鍋溫度測量方法改進

現行的置換蒸煮系統通過在上中下循環管路安裝溫度測量儀來間接測量蒸煮鍋內溫度,如圖1中TI-156,TI-154,TI-155所示。這樣其實很難獲取蒸煮鍋內實際的溫度和溫差,因為在升溫保溫過程中,蒸煮液被循環泵從蒸煮鍋中部篦子抽出,經中壓蒸汽加熱后,分別由蒸煮鍋頂部和底部篦子回流進入鍋內。安裝在中部的儀表TI-154可以用來表征鍋內中部藥液溫度,因為蒸煮液從蒸煮鍋內往外流,而底部和上部的溫度儀表測的是蒸汽加熱后上下管路的溫度,液體從蒸煮鍋外向內流動。因此TI-156和TI-155并不能真實地表征蒸煮鍋內上下藥液溫度,不能準確獲得蒸煮鍋內上下藥液溫差[1-3]。

圖1　置換蒸煮系統升溫保溫過程示意圖

現行工藝之所以不直接在鍋體開孔插入溫度儀測溫,是因為在蒸煮過程中蒸煮鍋是壓力容器,同時在蒸煮開始時要往蒸煮鍋中加入木片,會砸壞伸入其中的溫度儀。考慮到這些因素,本課題提出在蒸煮鍋上下緊挨鍋壁部分焊接上兩個316不銹鋼管,如圖2所示。在管子末端開有小孔用來取液,上部取液管長度應深入到上部循環管路位置,從而滿足升溫保溫階段蒸煮鍋內上部取液要求,然后在管內安裝溫度測量儀。挨著管壁的管子不僅使管子自身不被破壞,同時也不影響蒸煮鍋的裝鍋量,避免形成大量竄道,防止不均勻蒸煮現象的產生,管子末端開造的小孔將一部分蒸煮液從木片中間分離出來,便于準確測量蒸煮液溫度。這樣不僅滿足了取液測溫的要求,同時也保證了蒸煮料塞結構不被破壞,在不破壞鍋體結構和蒸煮過程機理的同時準確測得蒸煮鍋體內部上下藥液溫度,便于進一步控制蒸煮鍋內溫差。

圖2　蒸煮鍋測溫取液管示意圖

如此設計用TI-156和TI-155分別測得蒸煮鍋上下部分藥液溫度并通過控制回路FIC-159和FIC-158控制上下藥液的回流量使蒸煮鍋內上下溫度都達到相同設定值,從而消除蒸煮鍋內的藥液溫差。

圖3　改進后的升溫保溫過程示意圖

2　溫差控制系統的設計

傳統的PID調節器結構簡單、調整方便、參數整定與工程指標聯系密切,但是控制器的參數難以自動調整以適應外界環境的變化,因此難以對復雜過程和參數慢時變系統進行有效控制。而神經網絡具有很好的自學習適應能力、并行信息處理能力和容錯性能,神經網絡與傳統PID控制相結合所得的控制系統具有更強的適應性和魯棒性,可以很好地解決蒸煮鍋溫差控制系統的耦合性、時變性和非線性等問題。

2.1BP神經網絡PID控制器

BP神經網絡由于其具有逼近任意非線性函數的能力,而且結構和學習算法簡單明確,因此在神經網絡PID控制中常采用BP網絡結構來建立PID控制器。通過BP神經網絡自身的學習,從而可以找到某一最優控制律下的P、I、D參數。基于BP神經網絡的PID控制系統結構如圖4所示,控制器由兩部分組成。

圖4　BP神經網絡PID控制結構框圖

(1)經典的PID控制器：直接對被控對象進行閉環控制,并且KP、KI、KD3個參數為在線整定。

(2)神經網絡NN：根據系統的運行狀態對應于PID控制器的3個可調參數KP、KI、KD。通過神經網絡的自學習、調整權系數,從而使其穩定狀態對應于某種最優控制律下的PID控制器參數。PID的控制算式見公式(1)。

u(k)=u(k-1)+KPΔe(k)+KIe(k)+KDΔ2e(k)

(1)

式中,KP、KI、KD分別為比例、積分、微分系數。將KP、KI、KD作為依賴于系統運行狀態的可調系數時,可將公式(1)描述為公式(2)。

u(k)=f[u(k-1),KP,KI,KD,e(k),Δe(k),Δ2e(k)]

(2)

圖6　控制系統框圖

圖5　BP神經網絡結構圖

2.2神經網絡PID串級解耦控制系統

3　仿真及實驗結果分析

3.1系統仿真及其分析

仿真結果如圖7和圖8所示,當系統階躍響應進入穩定區域后,在1000 s處添加一次正干擾信號,在2000 s處添加二次負干擾信號,結果表明采用神經網絡PID串級解耦控制的流量-溫度串級控制系統比普通的PID串級控制能夠以更小的超調量在更短的時間內達到設定值,對干擾的抑制效果也更加明顯,表明本課題提出的控制方案可以根據系統誤差及其變化率對PID的3個參數進行修正,控制系統動態響應曲線更好。

圖7　常規PID串級控制系統仿真曲線

圖8　神經網絡PID串級解耦控制系統仿真曲線

3.2運行結果及其分析

該控制系統已經在四川某紙業的置換蒸煮車間成功試運行,圖9為實際運行中的蒸煮鍋頂部和底部溫度監控畫面,其中TT_156為頂部溫度控制曲線,TT_155為底部溫度控制曲線。由圖9可以看出實際運行結果和仿真結果十分相似,對蒸煮鍋頂部和底部設定相同的溫度值,然后采用神經網絡PID串級解耦系統進行控制,可以將蒸煮鍋上下部分溫度都穩定在同一個設定值,大大減小了蒸煮鍋上下部分的溫差。

圖9　實際運行中的溫度監控畫面

實際結果表明，本課題提出的控制方案可以根據系統誤差及其變化率對PID的3個參數進行修正,控制系統動態響應曲線更好,很好地解決了蒸煮鍋溫度控制時滯性、時變性和非線性等問題,避免蒸煮鍋溫度控制過程中溫度的大幅度跳動,使蒸煮鍋上下溫度穩定在同一設定值,從而消除蒸煮過程蒸煮鍋內的溫差,保證了蒸煮鍋頂部和底部藥液溫度均勻一致。

4　結　語

在改進置換蒸煮鍋溫度測量方法的基礎上,采用神經網絡PID串級解耦控制系統對蒸煮鍋頂部和底部溫度進行控制,可以將蒸煮鍋頂部和底部的溫度穩定在相同的設定值從而消除誤差,解決了蒸煮鍋溫度控制時滯性、時變性和非線性等問題,控制效果明顯優于常規PID串級控制系統。

[1]LV Ding-yun, HAN Xiao-juan, TANG Wei. The Latest Development of Displacement Batch[J]. China Pulp & Paper, 2007, 26(12): 67.

呂定云, 韓小娟, 湯偉. 置換間歇式蒸煮的新進展[J]. 中國造紙, 2007, 26(12)： 67.

[2]SHI Sheng-tao, JIANG Qing-sheng, JIANG Yan-li. The Features of DDS Cooking System Temperature Control of a Bitch Digester[J]. China Pulp & Paper, 2011, 30(9)： 44.

時圣濤, 江慶生, 姜艷麗. DDS間歇置換蒸煮的特色[J]. 中國造紙, 2011, 30(9)： 44.

[3]DING Shi-huo, ZHANG Ming-Feng, WANG Wu-xiong. New Development of RDH Batch Cooking Technology for DDSTMDisplacement Cooking System [J]. China Pulp & Paper, 2005, 24(6)： 62.

丁仕火, 張銘鋒, 王武雄. DDSTM置換蒸煮系統RDH間歇蒸煮技術新發展[J]. 中國造紙, 2005, 24(6)： 62.

[4]ZENG Jun, Fang Hou-hui. Neural Network Control and Its Matlab Simulation[J]. Academic Electronc, 2004, 52(2): 51.

曾軍, 方厚輝. 神經網絡PID控制及其Matlab仿真[J]. 現代電子技術, 2004, 52(2)： 51.

[5]TANG Wei, WANG Zhen, DANG Shi-hong. DMC-PID Cascade Decoupling Control of Temperature Difference in Displacement Digester[J]. China Pulp & Paper, 2014, 33(12): 47.

湯偉, 王震, 黨世宏. 蒸煮鍋內溫差DMC-PID串級解耦控制[J]. 中國造紙, 2014, 33(12)： 47.

[6]HOU Xiao-hu, TANG Wei, XU Bao-hua. Design of Displacement Digester Temperature Difference Control System Based on Fuzzy Self-adjusting PID[J]. Paper Science & Technology, 2012, 31(4): 67.

侯曉虎, 湯偉, 許保華. 基于模糊自整定PID的置換蒸煮鍋溫差控制系統的設計[J]. 造紙科學與技術, 2012, 31(4)： 67.

(責任編輯：馬忻)

Improved Temperature Measurement and Temperature Difference Control of the Displacement Digester

TANG Wei1YANG Peng-fei2,*DANG Shi-hong2

(1.CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021；2.CollegeofLightIndustryandEnergy,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

Aiming at the difficulties of eliminating temperature difference in the displacement digester, this paper proposed a new method for measuring temperature based on the traditional digester temperature measurements. With combining neural network control, PID cascade control and decoupling control, a neural network PID cascade decoupling control system was proposed. The problems of time delay, time-varying and nonlinear in digester temperature control were solved, Matlab simulation comparison showed that the neural network PID cascade control system had better dynamic performance and robustness, its control performance was superior to the normal PID control system.

displacement digester system； temperature difference control； digester； neural network PID； cascade decoupling

湯偉先生，博士，教授；主要研究方向：制漿造紙全過程自動化、工業過程高級控制、大時滯過程控制及應用。

2015-12-25(修改稿)

本課題得到國家國際科技合作項目(2010DFB43660) 及陜西省重點科技創新團隊計劃項目(2014KCT-15)的資助。

楊鵬飛先生，E-mail：401371274@qq.com。

TS733+.2

ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.07.010