白酒節能蒸餾系統輸出管路壓力控制研究*

張浩強，羅相巧，黃鴻濱，韋美良，蔡 柳，盧森幸

(河池學院， 廣西 宜州 546300)

0 引 言

中國傳統白酒釀制工藝歷史悠久，其生產效率低下，很多制酒企業機械化程度低，導致釀制原材料存在較大的原材料浪費和污染排放，因此白酒釀制工藝中的節能蒸餾技術得到重視[1]。

相關白酒釀造過程的節能蒸餾技術已有不少研究：李超等[2]發明了雙蒸餾甑白酒的壓差蒸餾節能生產裝置，降低了生產能耗；張超等[3]給出了白酒釀造耗水量的降低方案，冷酒水選取軟水，高溫軟水既降溫循環再利用，又可用于鍋爐產蒸汽，冷酒器分段通入低溫軟水和循環水；黃亞東[4]開發出一種太陽能蒸汽發生系統，基于固態發酵法白酒連續蒸餾裝置確定了蒸汽發生系統主要技術參數，改善并提高了水質量；陳璽燁等[5]將溴化鋰制冷機組產生的循環冷凍水用于白酒蒸餾降溫，通過工業余熱達到節能減排的目的。檢索已有文獻，發現對白酒蒸餾系統輸出管路壓力控制研究較少，因此開展此方面研究，對白酒釀造系統壓力控制技術具有一定理論指導。

基于白酒節能蒸餾系統輸出管路壓力控制的高精度、快響應要求，筆者以白酒節能蒸餾系統為研究對象，對其輸出管路壓力控制特性開展了相關研究，首先介紹了白酒節能蒸餾系統輸出管路壓力閉環控制原理，并搭建關鍵元件數學模型，控制器選用工控機控制的增量式PID控制器，并采用果蠅和Ziegler-Nichols算法對PID控制器的參數進行了尋優，對壓力控制模型施加階躍信號、1 Hz和2 Hz的正弦信號進行仿真對比分析，在1 Hz和2 Hz正弦信號下，兩種控制算法優化的節能蒸餾系統輸出管路壓力控制跟蹤性能均較好，從仿真結果對比得出，果蠅算法優化的壓力控制系統對正弦信號的響應性能優于Ziegler-Nichols算法，為白酒節能蒸餾輸出管路壓力控制提高理論參考。

1 輸出管路壓力閉環控制原理及其數學模型

白酒節能蒸餾系統輸出管路壓力傳感器布置點示意圖如圖1所示。

圖1 節能蒸餾系統輸出管路壓力控制布置圖

在白酒節能蒸餾系統輸出管路壓力控制關系到灌裝效率，為提升灌裝效率，需要嚴格控制輸出管路壓力，采用閉環控制原理進行控制，白酒節能蒸餾系統輸出管路壓力閉環控制原理如圖2所示。

圖2 節能蒸餾系統輸出管路壓力閉環控制原理

白酒節能蒸餾系統輸出管路壓力主要通過蒸汽壓力調節器調節閥口開度x、控制器和壓力傳感器控制。

輸出管路流量Q滿足：

(1)

式中：C定義為流量系數；W為閥口節流面積梯度；ρ為液壓油的密度；p為輸出管路壓力。

位移傳感器數學模型為：

Uf=Kfxp

(2)

式中：Kf為位移反饋增益，V/m；Uf為反饋電壓，V；xp為輸出位移，m。

控制器選用工控機控制的增量式PID控制器，其表達式為：

(3)

(1) 基于果蠅算法對PID控制器參數進行尋優，其結構框圖如圖3所示，圖中pin為輸出管路指定壓力，pout為輸出管路壓力實際值，e為輸出管路指定壓力和輸出管路壓力實際值之間的差值。

圖3 果蠅算法優化PID控制器

基于果蠅算法進行的優化流程圖如圖4所示。

圖4 果蠅算法優化流程圖

設置果蠅初始種群大小為30，迭代次數30。蒸汽壓力PID控制器3個參數Kp、Ki和Kd的初始取10、0.5和0.3，搜索范圍設置為(0，100)。

優化過程基于時間誤差絕對值積分性能指標(ITAE)作為指標函數，如式(4)所示：

(4)

式中：當t→∞，e(t)→0時Q(Kp,Ki,Kd)才具有收斂性。

經過30代迭代，果蠅適應度提高，可獲得果蠅算法優化后的三個參數，如表1所列。

表1 果蠅算法結果

(2) 基于Ziegler-Nichols算法優化時，Ki和Kd設置為0，增大Kp，系統產生振蕩時，Kp=Kmax，系統振蕩周期為Tc，Kp、Ki和Kd的設置見表2所列。

表2 Kp、Ki和Kd設置

經Ziegler-Nichols算法優化三個參數的結果如表3所列。

表3 Ziegler-Nichols算法優化參數結果

3 輸出管路壓力控制性能分析

基于Simulink的系統構建白酒節能蒸餾輸出管路壓力控制仿真模型，如圖5所示。

圖5 節能蒸餾系統輸出管路壓力控制仿真模型

(1) 節能蒸餾系統輸出管路施加階躍信號，仿真得到階躍響應對比曲線，如圖6所示，圖中橫坐標為時間，縱坐標為輸出管路壓力。

圖6 節能蒸餾系統輸出管路階躍響應對比曲線

基于Ziegler-Nichols和果蠅算法優化的系統性能對比見表4所列。

表4 階躍響應仿真結果對比

由表5可知，基于果蠅算法，節能蒸餾輸出管路壓力響應曲線超調量縮小了39%，調整時間下降了33%，穩態誤差降低了17.7%。可見，果蠅算法優化能力強于Ziegler-Nichols算法。

對白酒節能蒸餾輸出管路壓力施加1 Hz和2 Hz的正弦信號進行仿真，如圖7和圖8所示。

圖7 1 Hz正弦信號壓力跟蹤特性對比

圖8 2 Hz正弦信號壓力跟蹤特性對比

優化后的控制器性能對比參數選取兩個指標：最大跟蹤誤差Me和平均跟蹤誤差μ，見方程式(5)和式(6)：

(5)

(6)

1 Hz正弦信號下，白酒節能蒸餾系統輸出管路壓力跟蹤特性對比如表5所示。

表5 1 Hz正弦信號壓力跟蹤特性對比

由表4可知：在1 Hz正弦信號下，相比較于Ziegler-Nichols算法，果蠅算法的最大跟蹤誤差縮小了34.1%，平均跟蹤誤差縮小了46.9%。

2 Hz正弦信號下，白酒節能蒸餾系統輸出管路壓力跟蹤特性對比如表6所列。

表6 2 Hz正弦信號壓力跟蹤特性對比

由表6可知：在2 Hz正弦信號下，相比于Ziegler-Nichols算法，果蠅算法最大跟蹤誤差縮小了41.2%，平均跟蹤誤差縮小了54.6%。

在1 Hz和2 Hz正弦信號下，兩種控制算法優化的節能蒸餾系統輸出管路壓力控制跟蹤性能均較好，從仿真結果對比得出，果蠅算法優化的壓力控制系統對正弦信號的響應性能優于Ziegler-Nichols算法。

4 結 語

基于白酒節能蒸餾系統輸出管路壓力控制的高精度、快響應要求，筆者以白酒節能蒸餾系統為研究對象，對其輸出管路壓力控制特性開展了相關研究，首先介紹了白酒節能蒸餾系統輸出管路壓力閉環控制原理，并搭建關鍵元件數學模型，采用果蠅和Ziegler-Nichols算法對PID控制器的參數進行了尋優，對壓力控制模型施加階躍信號、1 Hz和2 Hz的正弦信號進行仿真，在1Hz和2Hz正弦信號下，兩種控制算法優化的節能蒸餾系統輸出管路壓力控制跟蹤性能均較好，從仿真結果對比得出，果蠅算法優化的壓力控制系統對正弦信號的響應性能優于Ziegler-Nichols算法，為白酒節能蒸餾輸出管路壓力控制提供理論參考。