喬冠寧，孫明革

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

醪液溫度是乙醇發(fā)酵過程的一個(gè)重要參數(shù)，確保溫度在控制要求范圍內(nèi)，對(duì)于乙醇發(fā)酵的效率，有著決定性的影響.在以往的工業(yè)流程中溫度控制具有較大的滯后，會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)不能及時(shí)響應(yīng)、溫度波動(dòng)大、調(diào)節(jié)動(dòng)作頻繁等不良效果，因此溫度控制一直是控制系統(tǒng)中的難點(diǎn).

研究的對(duì)象是某公司30萬(wàn)噸/年燃料乙醇搬遷改造項(xiàng)目中的發(fā)酵溫度控制系統(tǒng).在化工流程工業(yè)的控制中，PID是應(yīng)用最為廣泛的控制策略[1].PID控制具有調(diào)整簡(jiǎn)便、穩(wěn)定好的優(yōu)點(diǎn)，但也存在局限性，當(dāng)工程師將其應(yīng)用于溫度等具有大慣性和純滯后特點(diǎn)的被控對(duì)象時(shí)，結(jié)果通常是不理想的[2-3].同時(shí)PID控制算法不能及時(shí)獲取閥門磨損等器件精度的變化，而對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，因此，使得后期的控制精度下降影響生產(chǎn)效率.與之相比，預(yù)測(cè)控制的基本思想是通過過程模型和控制算法來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的狀態(tài)，并產(chǎn)生當(dāng)前的控制輸出.模型預(yù)測(cè)控制器將過程的測(cè)量值和由過程模型得到的期望響應(yīng)相比較，當(dāng)模型和實(shí)際過程所得出的數(shù)據(jù)有偏差時(shí)，偏差被反饋到控制器中，用以校正下一個(gè)周期的計(jì)算.這使得預(yù)測(cè)控制技術(shù)在理論上解決了較大純滯后的控制過程[4-5].Profit Loop是霍尼韋爾公司針對(duì)SISO控制系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制算法，同時(shí)Profit Loop可直接作用于反向作用、測(cè)量噪音等難以控制的場(chǎng)合，且有著較好的控制效果[6].

1 乙醇發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)

1.1 乙醇發(fā)酵的溫度特性

以發(fā)酵溫度為被控量的溫控系統(tǒng)如圖1所示，要由發(fā)酵罐、換熱器組成，其主要擾動(dòng)是發(fā)酵過程產(chǎn)生的熱量對(duì)醪液溫度的影響.通過將發(fā)酵罐中的醪液利用泵進(jìn)入換熱器，與冷卻水進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到降溫作用.圖中TT1和TT2檢測(cè)發(fā)酵罐中的溫度，TT4檢測(cè)經(jīng)過換熱器醪液的溫度，通過控制冷卻水的閥門開度，控制冷卻水的流量，從而實(shí)現(xiàn)醪液溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié).其中，根據(jù)工藝要求在20 ℃和28 ℃冷卻水中選擇一種作為冷卻水.

圖1 乙醇發(fā)酵的溫控部分

在乙醇發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)中，發(fā)酵過程產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致醪液溫度上升是影響溫度的最主要因素.其中發(fā)酵罐體積大、溫度分布不均勻，溫度調(diào)節(jié)存在滯后，不能及時(shí)在控制范圍內(nèi)調(diào)節(jié)溫度，因此降低了發(fā)酵效率.

1.2 乙醇發(fā)酵溫度控制策略

在乙醇發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)中，PID控制器基本可以滿足生產(chǎn)要求.但Profit Loop控制器對(duì)過分控制和控制不靈敏之間的平衡有著更好的表現(xiàn).Profit Loop的控制方法可使工藝調(diào)節(jié)平衡情況下調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作最小，有效地減少了閥的振動(dòng)和閥桿的反復(fù)摩擦，提高了閥的使用壽命.

乙醇發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)采用了串級(jí)控制系統(tǒng)，如圖2所示，副回路采用傳統(tǒng)的PID控制；主回路針對(duì)溫度控制的非線性和溫度滯后的因素，采用Profit Loop算法進(jìn)行控制[7].

圖2 乙醇發(fā)酵溫度控制方框圖

2 Profit Loop控制器的應(yīng)用

2.1 Profit Loop的控制原理

Profit Loop控制器是內(nèi)嵌在PKS DCS系統(tǒng)中的SISO模型預(yù)測(cè)控制器，它的實(shí)質(zhì)是根據(jù)過去和現(xiàn)在的過程變量，用一個(gè)簡(jiǎn)單的過程模型來(lái)預(yù)測(cè)將來(lái)過程變量的動(dòng)作.當(dāng)Profit Loop控制器滿足操作目標(biāo)時(shí)，內(nèi)置的優(yōu)化器用同一個(gè)模型滿足控制目標(biāo).通過對(duì)被控對(duì)象的實(shí)時(shí)辨識(shí)，得到準(zhǔn)確的被控對(duì)象模型.模型預(yù)測(cè)控制方框圖如圖3所示.

圖3 Profit Loop模型預(yù)測(cè)方框圖

2.2 Profit Loop控制器的實(shí)施

2.2.1 模型的建立

Profit Loop控制器是集成的過程建模工具，其獲得過程模型有4種方式：

1.根據(jù)回路類型直接定義模型參數(shù)，然后再根據(jù)個(gè)體回路類型對(duì)模型進(jìn)行修改；

2.通過階躍測(cè)試獲得系統(tǒng)模型；

3.通過現(xiàn)有的PID參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得出；

4.借助現(xiàn)有的系統(tǒng)拉普拉斯變換模型，也可以采用直接輸入的方式，通過離線辨識(shí)模型的工具軟件，把PKS中的歷史趨勢(shì)導(dǎo)入該軟件中進(jìn)行離線模型辨識(shí)，也可以得到良好的系統(tǒng)模型[8].

在乙醇發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)中進(jìn)行階躍測(cè)試，獲得預(yù)測(cè)模型.通過給溫度傳感器施加階躍信號(hào)，根據(jù)響應(yīng)曲線獲得模型參數(shù).根據(jù)軟件操作步驟，最終通過多次辨識(shí)來(lái)獲取相關(guān)控制參數(shù).

2.2.2 模型的預(yù)測(cè)

通過將Profit Loop所獲取的動(dòng)態(tài)模型放置到控制器中的方法，來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè).把控制器過去的OP值和預(yù)測(cè)得出的將來(lái)的PV值聯(lián)系起來(lái)[9]，其傳遞函數(shù)形式可由式(1)表示出來(lái).

(1)

式(1)中K代表過程增益系數(shù);T為滯后時(shí)間;n和d表示動(dòng)態(tài)模型系數(shù).預(yù)測(cè)PV軌跡如圖4所示.

圖4 預(yù)測(cè)PV軌跡

2.2.3 控制器的建立及運(yùn)行

在Control Builder中，Profit Loop是通過PID-PL邏輯功能塊實(shí)現(xiàn)的.實(shí)現(xiàn)它的過程與實(shí)現(xiàn)其他的控制策略的步驟相同，最基本的就是創(chuàng)建一個(gè)控制模塊，再把PID-PL功能塊添加到控制模塊中.Profit Loop組態(tài)控制邏輯圖如圖5所示.

圖5 Profit Loop組態(tài)邏輯圖

完成測(cè)試評(píng)估后，將模型下載到霍尼韋爾PKS系統(tǒng)的C300控制器中運(yùn)行，一旦計(jì)算出PV(測(cè)量值)將來(lái)的運(yùn)行軌跡，控制器就會(huì)采取相關(guān)的控制動(dòng)作，滾動(dòng)計(jì)算促使PV值靠近SP(設(shè)定值)值減少控制器的偏差[10].運(yùn)行之后在Profit Loop PKS Assistant可以觀測(cè)到實(shí)時(shí)趨勢(shì)和圖表.

3 Profit Loop應(yīng)用效果

在未開工的實(shí)際工程中進(jìn)行控制系統(tǒng)調(diào)試，通過將PID和Profit Loop分別置入乙醇發(fā)酵溫度控制器中，得到如圖6～7所示的兩條控制曲線.

圖6 乙醇發(fā)酵溫度控制PID控制曲線

圖7 乙醇發(fā)酵溫度控制Profit Loop控制曲線

將Profit Loop投入到實(shí)際的乙醇發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)中，由圖5和圖6的比較可以得出，投入PID的溫度控制系統(tǒng)，在運(yùn)行時(shí)溫度變化不平緩，并且存在超調(diào)，達(dá)到設(shè)定溫度的時(shí)間也較長(zhǎng).Profit Loop的實(shí)際控制效果較好，不但溫度穩(wěn)定，而且可以看出變化曲線波動(dòng)平穩(wěn)，變化小.這表明執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行變化頻率降低了，大大減輕了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用壽命得到了延長(zhǎng).

4 結(jié) 論

以乙醇發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用Profit Loop控制器實(shí)現(xiàn)乙醇發(fā)酵溫度的控制，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證.從Profit Loo乙醇發(fā)酵溫度控制曲線，可以看出Profit Loop控制器在乙醇發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)中控制效果良好，有效地降低了溫度控制滯后帶來(lái)的影響，提高了發(fā)酵溫度控制精度，達(dá)到了優(yōu)化節(jié)能的目標(biāo)，具有較為廣闊的應(yīng)用前景.