白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量控制性能研究*

張浩強(qiáng)，羅相巧，黃鴻濱，韋美良，蔡 柳，盧森幸

(河池學(xué)院，廣西 宜州 546300)

0 引言

傳統(tǒng)白酒釀制工藝歷史悠久，灌裝主要靠人工，隨著現(xiàn)代化發(fā)展，機(jī)械自動化灌裝逐步成熟[1,2]，因此對白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)的輸出酒量控制要求越來越高，其輸出酒流量精準(zhǔn)控制是提高灌裝效率的關(guān)鍵所在。

目前對白酒釀制的學(xué)術(shù)研究主要集中在釀制工藝方面，例如：徐娜等[3]利用單因素和正交試驗分析了梨渣和混合谷物比例、發(fā)酵時間等因素對發(fā)酵液品質(zhì)及風(fēng)味的影響；陳申習(xí)等[4]基于傳統(tǒng)分離方法和現(xiàn)代分子技術(shù)分離了酒醅優(yōu)勢微生物，并研究了清香型小曲酒機(jī)械化釀造過程中微生物數(shù)量變化情況。

檢索近期最新文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量控制方面的研究存在較大空白，基于此對其進(jìn)行研究，可為白酒釀造系統(tǒng)輸出酒流量精準(zhǔn)控制提供理論參考。

本文基于白酒蒸餾輸出酒流量精準(zhǔn)控制要求，對其輸出酒流量控制特性展開科研工作，給出了白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量控制機(jī)理，建立酒流量、壓力、反饋元件數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出系統(tǒng)輸出酒流量開環(huán)傳遞函數(shù)，基于果蠅和Ziegler-Nichols兩種算法優(yōu)化PID控制器參數(shù)，得出了不同信號的輸出酒流量優(yōu)化規(guī)律，并歸納了兩種算法對輸出酒流量響應(yīng)性能的優(yōu)化情況。

1 白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量閉環(huán)控制原理及其數(shù)學(xué)模型

圖1為白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路酒流量控制布置圖。

圖1 白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出管路酒流量控制布置圖

白酒蒸餾輸出酒流量控制直接影響瓶裝灌裝速度，基于酒流量閉環(huán)控制原理對其實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量閉環(huán)控制機(jī)理如圖2所示。

圖2 白酒蒸餾輸出酒流量閉環(huán)控制機(jī)理

白酒蒸餾輸出酒流量通過酒流量調(diào)節(jié)開關(guān)調(diào)節(jié)過流開度x，并將輸出酒流量通過酒流量傳感器反饋至輸入端進(jìn)行比較，最終通過PID控制器精準(zhǔn)調(diào)整其響應(yīng)性從而使輸出酒流量逼近目標(biāo)值。

蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量Q(L/min)滿足：

(1)

其中：C為酒流量系數(shù)；W為流量調(diào)節(jié)開關(guān)面積梯度；ρ為酒精密度，kg/cm3；p為輸出管路壓力，MPa ；x為酒流量調(diào)節(jié)開關(guān)開度，mm。

酒流量傳感器數(shù)學(xué)模型為：

U=KQout.

(2)

其中：K為酒流量反饋增益，為單位流量對應(yīng)的電壓信號，V/(L·min-1)；U為反饋電壓，V；Qout為輸出酒流量，L/min。

本文選用工控機(jī)控制的位置式PID控制器，其輸出為：

(3)

蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量Q對酒流量調(diào)節(jié)開關(guān)開度x的傳遞函數(shù)為：

(4)

其中：KQ為開環(huán)增益系數(shù)；s為復(fù)變量；A為酒流量開關(guān)閥面積，mm2；wh為頻率，Hz；ξh為系統(tǒng)阻尼比。

基于圖3的PID控制器參數(shù)優(yōu)化框圖，首先采用果蠅算法優(yōu)化PID三參數(shù)。

圖3 PID控制器參數(shù)優(yōu)化框圖

圖4為基于果蠅算法優(yōu)化PID控制參數(shù)的流程圖。

圖4 基于果蠅算法進(jìn)行PID控制器參數(shù)尋優(yōu)流程圖

尋優(yōu)參數(shù)前，設(shè)置優(yōu)化種群數(shù)量為20，進(jìn)行100次迭代尋優(yōu)。酒流量調(diào)節(jié)開關(guān)PID控制參數(shù)Kp、Ti和Td暫取14、0.4和0.2，尋優(yōu)區(qū)間為(0，50)，基于ITAE(Integral of Time and Absolute Error)誤差時間積分準(zhǔn)則為適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，ITAE公式如下：

(5)

其中：Q(a)為適應(yīng)度函數(shù)；t為優(yōu)化迭代時間，s；e(t)為單位時間實(shí)際輸出酒流量與目標(biāo)酒流量差值。

迭代100次輸出PID控制器最優(yōu)參數(shù)，如表1所示。

表1 基于果蠅算法的PID控制器最優(yōu)參數(shù)

基于Ziegler-Nichols算法采取同樣的邏輯進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)，Kp、Ti和Td的尋優(yōu)參數(shù)如表2所示。

表2 基于Ziegler-Nichols算法的PID控制器參數(shù)設(shè)置

基于Ziegler-Nichols算法輸出最優(yōu)解如表3所示。

表3 基于Ziegler-Nichols算法的PID控制器最優(yōu)參數(shù)

基于Ziegler-Nichols算法的尋優(yōu)步驟如下：①將積分、微分系數(shù)置零；②比例系數(shù)逐步調(diào)大，蒸餾系統(tǒng)振蕩時，Kp=Kmax，蒸餾系統(tǒng)振蕩周期即Tc；③比例系數(shù)減小至0.65Kmax，積分系數(shù)設(shè)置為Tc/2.5，微分系數(shù)設(shè)置為Tc/7.5。

2 白酒蒸餾系統(tǒng)酒流量控制性能仿真

圖5為白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量控制性能仿真模型，分別加入基于果蠅和Ziegler-Nichols算法迭代尋優(yōu)的PID控制器參數(shù)。

圖5 白酒蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量控制性能仿真模型

圖6為基于兩種算法的白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量階躍響應(yīng)對比曲線。

圖6 白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量階躍響應(yīng)對比

基于果蠅和Ziegler-Nichols算法的節(jié)能蒸餾系統(tǒng)階躍響應(yīng)性能對比如表4所示。

由表4得出：階躍響應(yīng)下，基于果蠅算法比基于Ziegler-Nichols算法，節(jié)能蒸餾系統(tǒng)超調(diào)量減小了1.41%，調(diào)整時間降低了0.449 s，穩(wěn)態(tài)誤差減小0.003 L/min。

表4 基于果蠅和Ziegler-Nichols節(jié)能蒸餾系統(tǒng)階躍響應(yīng)對比

對基于兩種算法的白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量控制模型施加1 Hz的正弦信號，得到如圖7所示的系統(tǒng)輸出酒流量跟蹤曲線。

圖7 1 Hz正弦信號下的系統(tǒng)輸出酒流量跟蹤曲線

以最大和平均跟蹤誤差為性能指標(biāo)，總結(jié)了1 Hz正弦信號下基于兩種算法的白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量控制性能，如表5所示。

由表5得出：1 Hz正弦信號下，基于果蠅算法與基于Ziegler-Nichols算法相比，節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量最大跟蹤誤差減小了0.005 L/min，平均跟蹤誤差減小了0.008 L/min。

表5 1 Hz正弦響應(yīng)的系統(tǒng)輸出酒流量控制性能

由圖7和表5得出：輸出酒流量正弦信號激勵下，基于果蠅算法和Ziegler-Nichols算法優(yōu)化的系統(tǒng)跟蹤性能均較好。

由Simulink平臺的Random Number模塊產(chǎn)生1 Hz、2 Hz隨機(jī)信號，得到如圖8所示的基于兩種算法的白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量跟蹤曲線。

圖8 隨機(jī)信號的白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量跟蹤曲線

以響應(yīng)波動范圍為性能指標(biāo)，總結(jié)了1 Hz和2 Hz隨機(jī)信號下基于兩種算法的白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量控制性能，如表6所示。

由表6得出：1 Hz隨機(jī)信號下，基于果蠅算法與基于Ziegler-Nichols算法相比，節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量響應(yīng)波動范圍縮小了0.071 L/min；2 Hz隨機(jī)信號下，節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量響應(yīng)波動范圍縮小了0.027 L/min。

表6 隨機(jī)信號的輸出酒流量響應(yīng)波動范圍

3 結(jié)論

針對白酒節(jié)能蒸餾輸出酒流量高精度要求，給出了白酒節(jié)能蒸餾系統(tǒng)輸出酒流量控制機(jī)理，對酒流量、壓力、反饋元件數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了搭建，推導(dǎo)了系統(tǒng)輸出酒流量相對酒流量調(diào)節(jié)閥開度的開環(huán)傳遞模型，基于果蠅和Ziegler-Nichols算法進(jìn)行了PID控制器參數(shù)尋優(yōu)操作，得出以下結(jié)論：

(1) 階躍響應(yīng)下，基于果蠅算法與基于Ziegler-Nichols算法相比，節(jié)能蒸餾系統(tǒng)超調(diào)量減小了1.41%，調(diào)整時間降低了0.449 s，穩(wěn)態(tài)誤差減小0.003 L/min。

(2) 正弦信號激勵下，基于果蠅算法和Ziegler-Nichols算法優(yōu)化的系統(tǒng)跟蹤性能均較好。

(3) 隨機(jī)信號頻率增加，基于果蠅算法與基于Ziegler-Nichols算法相比輸出酒流量的波動范圍較小。