负压低温蒸馏装置的温度控制

李 慧, 李秀歌, 王佳增

(长春工业大学 电气与电子工程学院， 吉林 长春 130012)

负压低温蒸馏装置的温度控制

李 慧, 李秀歌, 王佳增

(长春工业大学 电气与电子工程学院， 吉林 长春 130012)

将模糊控制和传统PID控制相结合，设计了PLC控制器并应用于蒸馏过程生产装置。实验结果表明,该模糊智能控制算法稳定可靠，系统运行稳定。

蒸馏; 模糊控制; PID; PLC控制器

0 引 言

分子蒸馏的工艺要求是首先保持蒸馏器内较高的真空度，然后设置蒸馏器内蒸发面与冷凝面之间的间距小于或等于轻组分物料的蒸汽分子的平均自由程[1]。通过加热蒸馏器内的蒸发面，使得蒸馏液体混合物受热，分子就会获得更多的能量，运动就会加剧，当分子获得足够多的能量时，就会从液体混合物液面逸出而成为气相分子，并在蒸发器内扩散，当分子扩散到内部的冷凝面时，分子就会冷凝成液体，便于收集。同时,随着液面上方气相分子的增加，有一部分气体分子受到分子碰撞后也会返回液体。在分子蒸馏器内部的温度和真空度保持不变的情况下，液体混合物最终会达到分子运动的动态平衡，从宏观上看，液体系统达到了平衡[2]。

目前负压低温分子蒸馏工艺的蒸馏效率低，产品合格率不高，蒸馏装置损耗和能耗大，一个主要的原因就是难以对蒸馏装置的温度实现精确控制。由于负压低温分子蒸馏装置工艺对温度要求精度较高，如果在蒸馏过程中无法对蒸馏装置刮膜器的温度实现精确控制，就会造成蒸发面上提纯物中不同类型的分子运动混乱，难以确保目标提纯物分子有效分离，造成产品合格率低，同时,不精确的温度对蒸馏装置蒸发器等部件本身也会造成损耗，过高的蒸馏温度还不利于节能，容易造成电能浪费[3]。因此，设计一种负压低温分子蒸馏装置温度控制系统,对于蒸馏行业提高产品质量，降低能源损耗具有重要意义。

1 系统总体结构

负压低温分子蒸馏装置温度控制系统属于分子蒸馏装置温度控制领域，该系统包括温度检测比较单元、中央温度控制单元、温度调节单元、温度传感器单元和上位机等几个系统单元。其中温度检测比较单元与温度传感器单元连接，中央温度控制单元与温度检测比较单元连接，温度调节单元与中央温度控制单元连接，上位机分别与温度检测比较单元和中央温度控制单元连接。本系统采用闭环控制结构，可以对蒸馏装置的刮膜器温度实现精确控制，使得蒸馏流出过程达到最佳工艺条件，不仅大幅提高了蒸馏效率和产品合格率，同时还有效减小了蒸馏装置对自身的损耗，节约电能。控制系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构框图

2 系统单元功能设计

负压低温分子蒸馏装置温度控制系统，包括温度检测比较单元、中央温度控制单元、温度调节单元、温度传感器单元、上位机等系统单元。各系统模块的连接方式见图1。

系统中各单元模块协同工作，具体的工作原理是：温度传感器单元将自身检测到的蒸馏装置刮膜壁温度值信号传送给温度检测比较单元，温度检测比较单元接收由温度传感器单元传来的蒸馏装置刮膜壁温度值信号,并与自身存储的蒸馏装置刮膜壁温度预期值进行比较运算，温度检测比较单元将比较运算的温度差值结果传送给中央温度控制单元；中央温度控制单元接收温度差值结果，并依据该温度差值结果从自身存储的温度控制方案中选取最佳温度控制方案，然后按照选定的最佳温度控制方案向温度调节单元发出温度调节控制命令；温度调节单元接收温度调节控制命令并按照该控制命令改变自身温度。

上位机分别读取温度检测比较单元中的温度差值结果数据和中央温度控制单元中当前选定的最佳控制方案数据，并对上述数据进行存储和显示；上位机能够随时对温度检测比较单元中存储的蒸馏装置刮膜壁温度预期值或中央温度控制单元中存储的温度控制方案进行重新设定。

该负压低温分子蒸馏装置温度控制系统采用闭环控制结构，可以对蒸馏装置的刮膜器温度实现精确控制，使得蒸馏流出过程达到最佳工艺条件，不仅大幅提高了蒸馏效率和产品合格率，同时还有效减小了蒸馏装置对自身的损耗，节约电能。

3 中央温度控制单元智能PID算法研究

分子蒸馏蒸发器内温度具有非线性和滞后性特点，无法建立精确的数学模型。所以传统的PID控制算法不能较好地应用于分子蒸馏过程中的温度控制。文中在传统PID的基础上进行改进，提出了智能模糊PID控制算法，设计智能模糊PID控制器[4]。它根据L.A.Zadeh的模糊控制思想，基于传统的PID控制器，根据分子蒸馏器内温度不同偏差e及温度偏差变化率ec，对PID控制的3个参数Kp,Ki和Kd进行调节，这种调节是基于模糊规则的调节[5]。通过大量的分子蒸馏实验，得到大量的实验数据，根据实验数据建立参数Kp,Ki和Kd与偏差e和偏差变化率ec之间的函数关系，从而达到智能调节PID参数的目的[6]。因此，智能模糊PID控制算法相比于传统的PID控制算法，具有灵活性好、精确性高的特点。

智能模糊PID控制器结构图如图2所示。

图2 智能模糊PID控制器结构图

3.1智能模糊PID控制器的设计

由上述智能模糊控制器结构可知，分子蒸馏过程开始时根据蒸馏物质的特性，设定所需要的蒸馏温度，建立相应的模糊控制规则。将蒸馏温度的偏差e和温度偏差变化率ec送入到模糊控制器，经过模糊推理得到PID控制器的ΔKp,ΔKi,ΔKd3个变量的修正量。这样PID控制就能快速准确地控制蒸馏器的加热系统，实时改变蒸馏的温度[6]。本系统采用二维模糊控制器来完成这个模糊推理过程。其具体的语言变量、基本论域还有模糊子集见表1。

表1 模糊量化表

e,ec,ΔKp,ΔKi,ΔKd的隶属度函数选择灵敏度比较高的三角线形，如图3和图4所示。

图3 e,ec隶属度函数

图4 ΔKp,ΔKi,ΔKd隶属度函数

根据前面所述的PID参数优化的原则，分别建立了ΔKp,ΔKi,ΔKd的模糊控制规则表，见表2～表4。

表2 ΔKp的模糊控制规则表

表3 ΔKi的模糊控制规则表

表4 ΔKd的模糊控制规则表

ΔKp,ΔKi,ΔKd3个参数的模糊规则表建立完成以后，可以利用Mamdani方法进行推理，从而得到每条规则所对应的模糊关系Ri。

模糊条件语句:

ifE=AandEC=BthenY=C

其模糊关系可以表示为：

(1)

A，B维数相同，控制器所有的模糊条件语句可表示为：

(2)

根据合成推理规则和模糊关系，求得与给定输入模糊集合A′和B′及其对应的输出集合：

(3)

模糊控制器的输出要求能够反映输出语言变量各种情况下取值的模糊集合，当被控量仅能接受单一控制量控制的时候，必须从输出子集释放出一个准确的控制值，该过程即为解模糊化处理，文中利用权系数加权平均法来进行该过程的处理[8]。具体计算方法为：

(4)

式中:xi----离散论域中的元素；

μ(xi)----每个论域元素上的隶属度。

由式(4)可以算出在不一样的e和ec情况下PID参数在整定后的输入值，然后就能够获得ΔKp,ΔKi,ΔKd的模糊控制查询表,见表5。

表5 ΔKp模糊查询表

表5即为ΔKp的模糊查询表，同理ΔKi,ΔKd的也可得到，将3张模糊查询表在PLC上按一定规律存到数据区中。PID参数的整定公式:

(5)

{ei,eci}p,{ei,eci}i,{ei,eci}d----Kp,Ki,Kd的模糊集通过模糊控制器后得到的PID修正量，即ΔKp,ΔKi,ΔKd。

把得到的PID修正量代入式(5)即能计算出PID控制量，从而完成热油机的驱动过程，达到有效的温度控制。其工作流程如图5所示。

3.2仿真与分析

通过隶属度函数和模糊规则等建立模糊系统，具体如图6和图7所示。

图5 工作流程

图6 模糊推理系统图

图7 模糊规则编辑图

基于以上分析，利用Matlab中的SIMULINK建立智能模糊PID控制系统仿真模型如图8所示。

图8 系统仿真模型

当分子蒸馏系统一级薄膜蒸发的设定温度为150 ℃时，系统的响应曲线如图9所示。

图9 系统响应曲线

3.3结论与总结

由图9系统响应曲线可以看出，系统没有超调量，响应平稳，调节时间大约为200 s，能够快速达到稳定状态，性能指标明显优于传统的PID控制，控制器设计比较合理。

4 具体实施案例

本设计成功应用于长春工业大学分子蒸馏实验分子蒸馏设备。本系统采用的负压低温分子蒸馏装置是以广州市浩立生物科技有限公司分离纯化技术开发中心的DCH-300刮膜式分子蒸馏装置为控制对象，对其刮膜器温度进行温度控制。

温度检测比较单元采用MC430F14开发板实现温度比较输出控制；

中央温度控制单元采用德国西门子公司的S7-300PLC；

温度调节单元选用广州市浩立生物科技有限公司制造的热油机加热执行系统；

温度传感器单元采用PT100/PT1000高温型铂电阻温度传感器；

上位机采用德国西门子公司的IPC627C双核西门子工控机[9]。

温度检测比较单元、中央温度控制单元、温度调节单元和温度传感器单元共同构成了对温度控制的闭环结构[10]。DCH-300刮膜式分子蒸馏装置和基于PLC的自动控制系统控制柜分别如图10和图11所示。

图10 DCH-300刮膜式分子蒸馏装置

图11 PLC的自动控制系统控制柜

基于PLC控制器的负压低温分子蒸馏设备的成功应用，不仅较好地改善了原有的分子蒸馏设备自动化程度低的现状，而且通过智能模糊控制算法实现了蒸馏温度快速、准确控制，提高了蒸馏效率，改善了蒸馏产品质量。对于蒸馏行业提高产品产量和质量具有重要意义。该研究方法还可进一步在相关行业和企业间推广应用，将在资源利用、环保等方面创造较大的经济和社会效益。

[1] 江和源，段文华，尉蕊仙.分子蒸馏技术及其应用[J].西部粮油科技，2003(3):41-43.

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[5] 蓝岚.船用汽轮机汽封压力控制及仿真研究[D]：[硕士学位论文].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[6] 诸静.模糊控制理论与系统原理[M].北京：机械工业出版社，2005.

[7] 陈武勤.基于模糊PID算法的大功率泵浦激光器温控系统的设计[D]：[硕士学位论文].武汉：武汉理工大学，2009.

[8] 李士勇.模糊控制[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2011.

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Temperature control for a negative pressure low-temperature distillation unit

LI Hui, LI Xiu-ge, WANG Jia-zeng

(School of Electrical & Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Combining fuzzy control with and PID, a PLC controller for the distillation process is designed. Experimental results show that the fuzzy intelligent control algorithm is realizable and the automatic control system operates in a optimized condition.

distillation; fuzzy control; PID; PLC controller.

2014-06-28

国家自然科学基金资助项目(61374138)； 吉林省科技支撑计划基金资助项目(20130206030GX)

李 慧(1973-)，女，汉族，吉林长春人，长春工业大学教授，博士，主要从事复杂系统的建模优化与控制方向研究,E-mail:lihui@mail.ccut.edu.cn.

TQ 028.31

A

1674-1374(2014)05-0516-08