淀粉噴射液化復(fù)合控制方案的設(shè)計(jì)

江招財(cái)　官雪薇

摘 要：結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，介紹了帶有前饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)在淀粉噴射液化上的應(yīng)用，介紹了算法的理論分析，完成了基于PCS7 V8.1過程控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)和調(diào)試。通過實(shí)際工程的實(shí)施，取得了預(yù)期的控制效果。

關(guān)鍵詞：淀粉糖；噴射液化；PCS7；復(fù)合控制

1 概述

淀粉糖是一種常用的食品原材料和添加劑，其衍生產(chǎn)品多達(dá)上百種，日常生活中隨處可見。噴射液化是淀粉糖生產(chǎn)線上很重要的工藝段，液化效果的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和收益，以及后續(xù)工段的生產(chǎn)效率。目前國內(nèi)的液化控制普遍采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)回路，由于溫度響應(yīng)存在滯后的特性，而且液化系統(tǒng)的物料從噴射器到維持罐的測溫點(diǎn)需要十幾秒鐘，疊加起來整個(gè)控制系統(tǒng)的滯后性就更大了。標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)節(jié)回路應(yīng)用于噴射液化并不理想，存在如下幾個(gè)問題：（1）溫度控制不精準(zhǔn)不穩(wěn)定，實(shí)際溫度在設(shè)定點(diǎn)附近反復(fù)波動(dòng)，誤差較大；（2）從開始生產(chǎn)到溫度接近穩(wěn)定需要的時(shí)間較長；（3）前幾個(gè)調(diào)節(jié)波形的振幅較大，溫度的動(dòng)態(tài)誤差值較大；（4）當(dāng)蒸汽壓力不穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)周期長，溫度波動(dòng)大；（5）當(dāng)進(jìn)料流量不穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)周期長，溫度波動(dòng)大。結(jié)合理論和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，本人設(shè)計(jì)了一套帶有前饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)，結(jié)合PCS7平臺(tái)，應(yīng)用于淀粉噴射液化工段，對于改善噴射液化控制系統(tǒng)的效果非常顯著。下面將具體介紹復(fù)合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施。

2 淀粉噴射液化工藝流程

如圖所示，此系統(tǒng)主要由一臺(tái)電磁流量計(jì)（FT1105A）、一臺(tái)調(diào)節(jié)閥（FV1105A）、一臺(tái)噴射液化器（H1106A）、一臺(tái)壓力變送器（PT3101）、一臺(tái)溫度變送器（TT1106A）和一個(gè)維持罐（V1107A）組成。電磁流量計(jì)（FT1105A）測量噴射器進(jìn)淀粉乳的流量，調(diào)節(jié)閥（FV1105A）調(diào)節(jié)淀粉乳流量，壓力變送器（PT3101）測量蒸汽壓力，溫度變送器（TT1106A）測量噴射后的物料溫度，噴射液化器上的調(diào)節(jié)器（TV1106A）通過調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)氣量來控制噴射后的物料溫度。溫度是判斷液化效果的標(biāo)準(zhǔn)，溫度越精確穩(wěn)定，液化效果就越好，因此，準(zhǔn)確穩(wěn)定的溫度控制是液化系統(tǒng)的關(guān)鍵。

3 控制方案設(shè)計(jì)

3.1 控制算法的確定

針對目前控制系統(tǒng)存在的問題，本人設(shè)計(jì)一套復(fù)合控制系統(tǒng)來對當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。通過導(dǎo)言我們得知目前系統(tǒng)的主要問題是由于系統(tǒng)滯后性大、蒸汽壓力波動(dòng)、淀粉乳進(jìn)料流量波動(dòng)引起的，所以我們需要從這三個(gè)方面入手來優(yōu)化。下面，我們通過數(shù)學(xué)建模的方式對液化系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析。在此系統(tǒng)中，液化噴射器為被控對象，維持罐溫度為被控量，淀粉乳進(jìn)料流量、蒸汽壓力等為干擾量，溫度變送器（TT1106A）為被控量測量元件，噴射液化器上的調(diào)節(jié)器（TV1106A）為執(zhí)行單元，電磁流量計(jì)（FT1105A）和蒸汽壓力變送器（PT3101）為干擾測量元件、比較運(yùn)算單元為PID調(diào)節(jié)器。由于干擾量進(jìn)料流量和蒸汽壓力可測量，所以我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)帶有前饋控制功能的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對溫度進(jìn)行控制。當(dāng)干擾量進(jìn)料流量和蒸汽壓力發(fā)生變化時(shí)，我們提前對噴射液化器上的調(diào)節(jié)器（TV1106A）的開度進(jìn)行修正，無需等到溫度變送器（TT1106A）的測量值發(fā)生改變之后再改變調(diào)節(jié)器（TV1106A）的開度。只要我們能夠找出進(jìn)料流量以及蒸汽壓力與調(diào)節(jié)器（TV1106A）開度之間的關(guān)系并進(jìn)行補(bǔ)償，就能夠大大的加快系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度，理論上可以完全消除進(jìn)料流量和蒸汽壓力發(fā)生變化對被控量溫度的影響。通過以上分析并結(jié)合自動(dòng)控制理論，得出系統(tǒng)的原理方框圖如圖2所示：

3.2 控制方案的實(shí)施

3.2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

由于噴射液化為淀粉糖生產(chǎn)線中的一部分，所以其控制回路包含在整個(gè)制糖生產(chǎn)線控制系統(tǒng)之中。本制糖生產(chǎn)線采用西門子的PCS7 V8.0，由一套冗余控制器AS410H、3臺(tái)等同操作員站、一個(gè)工程師站、若干I/O卡件、若干測量與執(zhí)行單元組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖3所示：

3.2.2 控制軟件的設(shè)計(jì)

結(jié)合PCS7系統(tǒng)以及噴射液化調(diào)節(jié)回路算法的特點(diǎn)，并考慮到程序的通俗易懂性，本控制算法通過CFC（連續(xù)功能圖）來實(shí)現(xiàn)。

通過對“圖2控制系統(tǒng)原理方框圖”的分析，得出當(dāng)控制器在手動(dòng)模式下運(yùn)行時(shí)，可以以傳遞函數(shù)gz（s）=y（s）/z（s）的形式估計(jì)可測量干擾（進(jìn)料流量和蒸汽壓力）的影響，手動(dòng)模式下PID調(diào)節(jié)回路輸出為固定值，不會(huì)導(dǎo)致控制變量TT1106A發(fā)生任何變化，因而所有變化均可認(rèn)為是由干擾（進(jìn)料流量和蒸汽壓力）z（s）所致。因此，理想的傳遞函數(shù)c（s）可由以下要求得出，即對于任何干擾信號z（s），z對y的影響應(yīng)為零：

gz（s）·z+c（s）·g（s）·z=（gz（s）·g（s））·z=0。為滿足此方程，補(bǔ)償塊必須盡可能逼近該方程，即：c（s）=-gz（s）/g（s）。為此，干擾傳遞函數(shù)gz（s）=y（s）/z（s）必須已知，且主受控系統(tǒng)的傳遞函數(shù)g（s）=y（s）/u（s），u=MV必須取反。如果這兩個(gè)傳遞函數(shù)均可模型化成具有時(shí)滯的一階函數(shù)

通過組合基本 CFC 塊可在PID控制器外部創(chuàng)建該傳遞函數(shù)，該函數(shù)由一個(gè)“Differentiator - trapezoid method”、一個(gè)“TimeLag”和一個(gè)“DeadTime”塊構(gòu)成。“Differentiator - trapezoid method”塊和“TimeLag”塊并聯(lián)，兩者的值通過加法器“Adder”累加，而“DeadTime”塊和乘法器“Multiplier”在前面串聯(lián)作為增益系數(shù)。由于此液化系統(tǒng)的可測量干擾量有兩個(gè)（進(jìn)料流量和蒸汽壓力），故此系統(tǒng)的前饋控制由兩者的動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)之和構(gòu)成。綜上所述，液化控制系統(tǒng)CFC（連續(xù)功能圖）程序如下圖4和圖5所示：

3.2.3 系統(tǒng)的調(diào)試與實(shí)施

一個(gè)優(yōu)秀的控制方案必須在合適的控制參數(shù)下才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)穩(wěn)定的控制，所以程序中的各個(gè)參數(shù)的正確設(shè)置是很重要的，參數(shù)的設(shè)置需要通過計(jì)算以及對響應(yīng)曲線的分析來確定，在此不做詳細(xì)的說明。動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線是判斷一個(gè)控制系統(tǒng)性能的工具，下面我通過本控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線來分析一下本控制系統(tǒng)是否達(dá)到了預(yù)期的效果，動(dòng)態(tài)曲線見圖6。

如圖6所示，1號曲線為蒸汽壓力PT3101；2號曲線為被控量TT1106A；3號曲線為進(jìn)料流量FT1105A；4號曲線為控制器的輸出值MV；5號曲線為被控量設(shè)定目標(biāo)值SP；6號曲線為前饋控制的輸出值FFwd；7號曲線為系統(tǒng)的偏差。從動(dòng)態(tài)曲線圖中我們可以看出前饋控制是在4：07左右投入到調(diào)節(jié)系統(tǒng)的，前饋控制投入前由于蒸汽壓力PT3101的不穩(wěn)定，引起了被控量TT1106A的值出現(xiàn)了波動(dòng)，最大的誤差值在1.2℃左右；前饋控制投入以后，被控量TT1106A的值明顯變得穩(wěn)定得多，其最大的誤差值降為0.2℃左右，系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度也顯著提高。由此可知，帶有前饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)對淀粉噴射液化系統(tǒng)的控制效果是很好的。

4 結(jié)束語

本人結(jié)合理論知識(shí)和實(shí)際工作中的案例，向讀者展示了帶有前饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)對淀粉噴射液化的改善，供廣大同行在工作中參考。篇幅限制的原因，不能在此向讀者展示所有工程細(xì)節(jié)，如有需要，可以郵箱聯(lián)系。由于本人的知識(shí)水平有限，因此，本文如有不到之處，還望各位不吝指正。

參考文獻(xiàn)

[1]程鵬.自動(dòng)控制原理[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2002.

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