淀粉噴射液化復合控制方案的設計

江招財　官雪薇

摘 要：結合工程設計經驗，介紹了帶有前饋控制的復合控制系統在淀粉噴射液化上的應用，介紹了算法的理論分析，完成了基于PCS7 V8.1過程控制系統的程序設計和調試。通過實際工程的實施，取得了預期的控制效果。

關鍵詞：淀粉糖；噴射液化；PCS7；復合控制

1 概述

淀粉糖是一種常用的食品原材料和添加劑，其衍生產品多達上百種，日常生活中隨處可見。噴射液化是淀粉糖生產線上很重要的工藝段，液化效果的好壞直接影響產品的質量和收益，以及后續工段的生產效率。目前國內的液化控制普遍采用一個標準的閉環負反饋PID調節回路，由于溫度響應存在滯后的特性，而且液化系統的物料從噴射器到維持罐的測溫點需要十幾秒鐘，疊加起來整個控制系統的滯后性就更大了。標準的閉環負反饋調節回路應用于噴射液化并不理想，存在如下幾個問題：（1）溫度控制不精準不穩定，實際溫度在設定點附近反復波動，誤差較大；（2）從開始生產到溫度接近穩定需要的時間較長；（3）前幾個調節波形的振幅較大，溫度的動態誤差值較大；（4）當蒸汽壓力不穩定時，系統的調節周期長，溫度波動大；（5）當進料流量不穩定時，系統的調節周期長，溫度波動大。結合理論和實際工作經驗，本人設計了一套帶有前饋控制的復合控制系統，結合PCS7平臺，應用于淀粉噴射液化工段，對于改善噴射液化控制系統的效果非常顯著。下面將具體介紹復合控制系統的設計與實施。

2 淀粉噴射液化工藝流程

如圖所示，此系統主要由一臺電磁流量計（FT1105A）、一臺調節閥（FV1105A）、一臺噴射液化器（H1106A）、一臺壓力變送器（PT3101）、一臺溫度變送器（TT1106A）和一個維持罐（V1107A）組成。電磁流量計（FT1105A）測量噴射器進淀粉乳的流量，調節閥（FV1105A）調節淀粉乳流量，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，噴射液化器上的調節器（TV1106A）通過調節蒸汽進氣量來控制噴射后的物料溫度。溫度是判斷液化效果的標準，溫度越精確穩定，液化效果就越好，因此，準確穩定的溫度控制是液化系統的關鍵。

3 控制方案設計

3.1 控制算法的確定

針對目前控制系統存在的問題，本人設計一套復合控制系統來對當前系統進行優化，改善系統的調節性能。通過導言我們得知目前系統的主要問題是由于系統滯后性大、蒸汽壓力波動、淀粉乳進料流量波動引起的，所以我們需要從這三個方面入手來優化。下面，我們通過數學建模的方式對液化系統進行全面的分析。在此系統中，液化噴射器為被控對象，維持罐溫度為被控量，淀粉乳進料流量、蒸汽壓力等為干擾量，溫度變送器（TT1106A）為被控量測量元件，噴射液化器上的調節器（TV1106A）為執行單元，電磁流量計（FT1105A）和蒸汽壓力變送器（PT3101）為干擾測量元件、比較運算單元為PID調節器。由于干擾量進料流量和蒸汽壓力可測量，所以我們可以設計一個帶有前饋控制功能的自動調節系統對溫度進行控制。當干擾量進料流量和蒸汽壓力發生變化時，我們提前對噴射液化器上的調節器（TV1106A）的開度進行修正，無需等到溫度變送器（TT1106A）的測量值發生改變之后再改變調節器（TV1106A）的開度。只要我們能夠找出進料流量以及蒸汽壓力與調節器（TV1106A）開度之間的關系并進行補償，就能夠大大的加快系統的響應時間、提高系統的穩定性和控制精度，理論上可以完全消除進料流量和蒸汽壓力發生變化對被控量溫度的影響。通過以上分析并結合自動控制理論，得出系統的原理方框圖如圖2所示：

3.2 控制方案的實施

3.2.1 控制系統的結構

由于噴射液化為淀粉糖生產線中的一部分，所以其控制回路包含在整個制糖生產線控制系統之中。本制糖生產線采用西門子的PCS7 V8.0，由一套冗余控制器AS410H、3臺等同操作員站、一個工程師站、若干I/O卡件、若干測量與執行單元組成。系統結構圖如下圖3所示：

3.2.2 控制軟件的設計

結合PCS7系統以及噴射液化調節回路算法的特點，并考慮到程序的通俗易懂性，本控制算法通過CFC（連續功能圖）來實現。

通過對“圖2控制系統原理方框圖”的分析，得出當控制器在手動模式下運行時，可以以傳遞函數gz（s）=y（s）/z（s）的形式估計可測量干擾（進料流量和蒸汽壓力）的影響，手動模式下PID調節回路輸出為固定值，不會導致控制變量TT1106A發生任何變化，因而所有變化均可認為是由干擾（進料流量和蒸汽壓力）z（s）所致。因此，理想的傳遞函數c（s）可由以下要求得出，即對于任何干擾信號z（s），z對y的影響應為零：

gz（s）·z+c（s）·g（s）·z=（gz（s）·g（s））·z=0。為滿足此方程，補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gz（s）=y（s）/z（s）必須已知，且主受控系統的傳遞函數g（s）=y（s）/u（s），u=MV必須取反。如果這兩個傳遞函數均可模型化成具有時滯的一階函數

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

3.2.3 系統的調試與實施

一個優秀的控制方案必須在合適的控制參數下才能實現精準穩定的控制，所以程序中的各個參數的正確設置是很重要的，參數的設置需要通過計算以及對響應曲線的分析來確定，在此不做詳細的說明。動態響應曲線是判斷一個控制系統性能的工具，下面我通過本控制系統的動態響應曲線來分析一下本控制系統是否達到了預期的效果，動態曲線見圖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號曲線為被控量設定目標值SP；6號曲線為前饋控制的輸出值FFwd；7號曲線為系統的偏差。從動態曲線圖中我們可以看出前饋控制是在4：07左右投入到調節系統的，前饋控制投入前由于蒸汽壓力PT3101的不穩定，引起了被控量TT1106A的值出現了波動，最大的誤差值在1.2℃左右；前饋控制投入以后，被控量TT1106A的值明顯變得穩定得多，其最大的誤差值降為0.2℃左右，系統的響應速度和控制精度也顯著提高。由此可知，帶有前饋控制的復合控制系統對淀粉噴射液化系統的控制效果是很好的。

4 結束語

本人結合理論知識和實際工作中的案例，向讀者展示了帶有前饋控制的復合控制系統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節，如有需要，可以郵箱聯系。由于本人的知識水平有限，因此，本文如有不到之處，還望各位不吝指正。

參考文獻

[1]程鵬.自動控制原理[D].北京：北京航空航天大學，2002.

[2]過程控制系統[Z].PCS 7 APL庫，8.1.