酒精精餾塔解耦控制研究

孟亞男 王德平

（吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022）

0 引言

酒精精餾塔常用的是多輸入多輸出控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制方式復(fù)雜，且具有強(qiáng)耦合性、時(shí)變性等特點(diǎn)。因此，如何克服該系統(tǒng)的強(qiáng)耦合性，選取合適的解耦方式來完成對酒精精餾塔的解耦工作就顯得尤為重要。由于模糊解耦無需精確的數(shù)學(xué)模型就可完成對系統(tǒng)的控制，從而受到廣大學(xué)者的青睞。因此，本研究對模糊解耦控制與傳統(tǒng)控制進(jìn)行對比研究。

1 酒精精餾塔控制系統(tǒng)

1.1 酒精精餾塔工藝流程

酒精精餾塔工藝流程如圖1 所示。通過該流程可對酒精精餾塔的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。物料F經(jīng)進(jìn)料口的流量控制閥送入精餾塔中，經(jīng)自然運(yùn)動到達(dá)精餾塔塔底，經(jīng)再沸器加熱（再沸器是通過輸入的蒸汽QS對其進(jìn)行加熱），并以提餾段靈敏板溫度T2為控制點(diǎn)。在經(jīng)過再沸器加熱后，物料中易揮發(fā)成分變?yōu)闅庀啵瑓R聚到塔頂，精餾塔塔頂?shù)臍庀嘟?jīng)塔頂冷凝器冷凝后進(jìn)入回流罐，由回流罐采出泵進(jìn)行分流，一部分作為塔頂產(chǎn)品QD產(chǎn)出，一部分回塔頂作為回流QL回到精餾塔中。通過調(diào)節(jié)回流量來控制精餾塔靈敏板的溫度T1，并通過控制塔頂采出量來控制回流罐液位。精餾塔塔底的采出由采出泵控制，塔底液位由塔底產(chǎn)品的采出量控制［1］。

圖1 酒精精餾塔工藝流程

1.2 酒精精餾塔控制方案

搭建酒精精餾塔的溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，可對精餾塔出現(xiàn)的強(qiáng)耦合現(xiàn)象提出解決方案，需要采用模糊控制器搭配解耦控制對其進(jìn)行解耦操作［2］。

相較于傳統(tǒng)的PID 控制方式，模糊解耦控制有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。①解耦控制不需要根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程來推導(dǎo)精確的數(shù)學(xué)模型。對復(fù)雜的生產(chǎn)過程，要獲取精確的數(shù)學(xué)模型是很困難的，尤其是酒精精餾塔采用多輸入多輸出且具有強(qiáng)耦合性的控制方式，而模糊語言是一種很方便的近似方法。②對有一定操作經(jīng)驗(yàn)而非本專業(yè)的工作人員來說，模糊控制方法易于學(xué)習(xí)、掌握。③模糊控制的控制流程動態(tài)響應(yīng)性能要高于傳統(tǒng)的PID 控制系統(tǒng)，且模糊控制對流程數(shù)據(jù)的改變具備很強(qiáng)的適應(yīng)性。

因此，使用模糊控制對酒精精餾塔進(jìn)行解耦控制，能取得良好的解耦效果。

2 模糊控制的工作原理

模糊控制器是模糊控制的關(guān)鍵部分，要根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)來搭建模糊控制器，才能更好地控制現(xiàn)場的酒精精餾塔。模糊控制器框架如圖2 所示。模糊控制算法實(shí)現(xiàn)步驟如下。

圖2 模糊控制器框架

①根據(jù)采樣得到的系統(tǒng)輸出值計(jì)算出模糊控制的輸入值。

②將模糊控制器輸入量的精確值變?yōu)槟：俊?/p>

③根據(jù)輸入變量（模糊量）和模糊控制法則，基于模糊推理組合成的模糊控制法則來求控制變量。模糊推理是一項(xiàng)以模糊推理理論為基礎(chǔ)，利用模糊語言規(guī)則提出的一種有效的、近似的模糊判定結(jié)果的技術(shù)。

④基于上述得到的控制變量（模糊量）來計(jì)算出精確的控制量［3］。

對于多變量多輸入多輸出的控制系統(tǒng)，可分別在塔頂、塔底搭建模糊控制器，現(xiàn)場數(shù)據(jù)編撰模糊控制規(guī)則如圖3、圖4所示。

圖3 塔頂模糊規(guī)則表及控制曲面

圖4 塔底模糊規(guī)則表及控制曲面

3 模糊控制的仿真

在酒精精餾塔溫度控制系統(tǒng)中，由塔頂、塔底溫度控制器計(jì)算出的控制參數(shù)是相互影響、相互作用的，具有較強(qiáng)的耦合性。傳統(tǒng)的PID 控制難以達(dá)到預(yù)期效果，因此，采用何種解耦控制方式至關(guān)重要。本研究采用控制方法，將酒精精餾塔的Multi Input Multi Output（MIMO）控制系統(tǒng)分化為兩個(gè)Single Input Single Output（SISO）控制系統(tǒng)，再對兩個(gè)SISO控制系統(tǒng)進(jìn)行模糊解耦操作［4］。

3.1 傳統(tǒng)解耦方式

傳統(tǒng)方式對實(shí)際生產(chǎn)所得的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行整合，并推導(dǎo)出其數(shù)學(xué)模型。傳統(tǒng)的解耦控制采用前饋解耦搭配PID 控制對系統(tǒng)模型進(jìn)行調(diào)控解耦工作。PID 控制原理如圖5 所示，仿真結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，波形圖振蕩嚴(yán)重且不穩(wěn)定，因此，傳統(tǒng)的PID 控制方式難以達(dá)到試驗(yàn)要求［5］。同時(shí)，只采用解耦操作，得到的數(shù)據(jù)曲線反應(yīng)較慢，更存在相當(dāng)大的超調(diào)量，不符合預(yù)期效果，且難以滿足日常生產(chǎn)所需。

圖5 PID控制原理

圖6 傳統(tǒng)解耦仿真結(jié)果

3.2 模糊解耦方式

由于傳統(tǒng)的解耦難以達(dá)到預(yù)期效果，因此，本研究采用模糊PID 控制方式對系統(tǒng)模型進(jìn)行解耦操作。模糊解耦是基于模糊控制器搭建的，模糊控制器會根據(jù)現(xiàn)場返回的實(shí)際數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應(yīng)變化及改寫，如圖7 所示。第一次搭建的模糊控制器是基于相應(yīng)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出的，第一次糊解耦仿真如圖8所示。

圖7 模糊控制原理

圖8 第一次模糊解耦

由圖8 可知，模糊解耦能很好地解決超調(diào)現(xiàn)象，前期雖存在數(shù)據(jù)波動的現(xiàn)象，但曲線反應(yīng)速度更快，超調(diào)更低，后期數(shù)據(jù)更貼近理想曲線，因此，該方式較為符合預(yù)期要求。

本研究先使用傳統(tǒng)控制方式進(jìn)行仿真試驗(yàn)，將得到的結(jié)果與模糊解耦的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，從而證明模糊解耦方式能在數(shù)學(xué)模型難以確定的情況下，對實(shí)際生產(chǎn)具有多變性且操作復(fù)雜的控制系統(tǒng)產(chǎn)生良好的效果。

4 結(jié)語

模糊解耦方式不用精確的數(shù)學(xué)模型就能建立解耦控制，通過現(xiàn)存的實(shí)際項(xiàng)目來設(shè)計(jì)模糊控制器，對酒精精餾塔的強(qiáng)耦合性搭建仿真模型。通過對系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，證明了模糊解耦對酒精精餾塔的強(qiáng)耦合性具有很好的解耦效果，且模糊控制器設(shè)計(jì)簡明，易于實(shí)現(xiàn)。因此，該控制器具有較高的實(shí)用價(jià)值。