基于模糊PID控制器的硫熏中和器的应用研究

秦会敏，秦健南，叶权圣，黄 爽，陈 平，许 江

（广东省生物工程研究所（广州甘蔗糖业研究所） 广东省甘蔗改良与生物炼制重点实验室，广东广州510316）

0 前言

甘蔗糖业是我国农业与工业相结合的传统产业。甘蔗制糖是经提汁、清净、蒸发、结晶、分蜜和干燥等工序制成白砂糖等产品的生产过程。清净工段的澄清效果直接关系到白砂糖的最终质量。亚硫酸法因具有清净效果好、工艺流程短、设备简单等优点，被国内80%以上的糖厂采用[1]。

硫熏中和是亚硫酸法澄清反应的关键阶段。硫熏中和关键技术参数之一是硫熏强度，硫熏中和的主要设备为硫熏中和器。自动控制硫熏中和器具有稳定硫熏强度、稳定生产、提高产品质量、减轻操作人员劳动强度的优势。随着澄清工段生产设备自动化程度的发展，研究设计基于模糊PID控制器的自动控制硫熏中和器来满足甘蔗糖厂生产的需求具有重要意义[1]。本文通过对影响硫熏强度的流量、压力、温度等主要参数进行分析研究，建立自动控制硫熏中和器的 PI&D控制原理图，并采用具有自整定功能的模糊PID器进行控制，通过在糖厂的应用分析其效果。

1 硫熏中和器的控制要求

硫熏中和过程示意图如图1所示。来自压榨车间的混合汁通过混合汁泵泵入到加热器进行一次加热，然后以0.40～0.60 MPa的压力进入硫熏中和器，经过喷嘴形成稳定负压，抽吸来自硫磺炉产生的SO2，吸硫反应后的混合汁经活接进入反应器，进行中和反应，中和反应后为中和汁，进入中和汁箱。

在硫熏中和过程中，混合汁通过喷嘴的速度与硫熏强度有着十分密切的关系。为了保证硫熏强度，要求混合汁通过喷嘴的速度不能太低，而混合汁通过喷嘴的速度又与混合汁的压力有关，通常用下列公式表示[2-3]：

式中：ω：混合汁通过喷嘴的速度，m/s；ψ：摩擦系数，常数；g：重力加速度，m/s2；h：混合汁的压力（用米水柱表示），m。

根据公式可以看出，混合汁通过喷嘴的速度和混合汁的压力有关。同时不同温度对混合汁吸硫效果有一定的影响，在硫熏中和器中影响硫熏强度的因素有混合汁流量。实际生产过程中，混合汁流量又受到混合汁箱液位的影响。温度同样会影响硫熏中和的 SO2的吸收效率。因此自动控制硫熏中和器的控制任务可分成3部分：混合汁流量及混合汁箱液位联锁控制；硫熏压力控制；一次加热温度控制。

图1 硫熏中和系统工艺示意图

1.1 混合汁流量及液位联锁控制

混合汁来自压榨车间。由于压榨工段的波动会引起混合汁来料不均，故设置混合汁箱，混合汁在混合汁箱进行自然缓冲调节。但是混合汁箱的调节能力是有限的。为了稳定生产，当混合汁箱液位高的时候，适当开大硫熏中和器喷嘴喷；当混合汁箱液位底时，适当开小硫熏中和器喷嘴喷。在混合汁泵泵入加热器的管道上安装流量计，直接测量混合汁流量；在混合汁箱底部安装液位变送器，直接测量混合汁箱液位；在硫熏中和器喷嘴安装针阀，控制喷嘴的开度。在稳定生产的前提下，通过调节针阀的开度，实现混合汁流量和混合汁箱液位联锁控制[4]。

1.2 硫熏压力控制

混和汁泵的主要功能是泵送物料，硫熏中和后进入反应器通过自动加灰系统进行中和反应。当压力波动大时候，中和反应后的电极数值就大起大落，波动不定，因此有必要稳定硫熏中和器入口的压力。为保证硫熏压力的稳定，对混合汁泵采用变频控制，增加变频器，通过调节变频器的频率以保证进入硫熏中和器压力的恒定[5]。

1.3 一次加热温度控制

一次加热温度越高，除去胶体越彻底。但是温度太高，会影响硫熏中和的 SO2的吸收效率，高温又会加速蔗糖的转化。混合汁出口温度以糖厂实际生产的经验值控制在60～70℃是最适合的。在混合汁加热出口安装热电阻，直接测量一次加热后温度，在加热蒸汽管道安装调节阀，通过控制加热蒸汽调节阀的开度，对一次加热温度进行控制[5]。

根据混合汁流量及液位联锁控制、硫熏压力和一次加热温度的分析，硫熏中和器 PI&D控制原理如图2所示。

图2 硫熏中和器PI&D图

2 模糊PID控制器研究

模糊控制系统是一种基于语言规则和模糊逻辑的智能化控制系统，模糊控制规则是操作人员对过程控制作用的直观描述和思维逻辑，体现了其人工智能技术。PID控制技术以其结构简单、稳定可靠、容易实现、理论体系成熟等特点，在实际工程中得到了极为广泛的应用。模糊PID控制是由模糊控制和PID控制2部分组成。它既有模糊控制不依赖于被控对象数学模型、对被控对象的非线性和时变性具有一定适应能力等优点，又引入了PID控制稳态性好、无静差的优点，可使控制系统同时获得良好的动态性能与稳态性能[6]。

2.1 模糊控制器

模糊控制由模糊化、知识库、模糊推理和解模糊化4个过程组成，具有如下特点：无需对被控过程建立数学模型，只需将操作、工艺技术人员的控制经验归纳总结，整理成多条控制规则，就能设计出模糊控制系统，其基本结构框如图3所示。

图3 模糊控制器基本结构框图

模糊化：用于将输入的精确量转化为模糊量。通常将输入的测量信号按偏差e和偏差变化率ec进行模糊化；知识库：由数据库和模糊控制规则库组成，用于存放各语言变量的隶属度函数等和一系列控制规则，其储存着有关模糊控制器的一切知识，它决定着模糊控制器的性能，是模糊控制器的核心；模糊推理：根据模糊逻辑进行推理；解模糊化：将模糊推理得到的模糊输出量转化为实际的控制量。

模糊控制器实现有3种方式，即查表法、硬件模糊控制器和软件模糊推理，应用最为广泛的是查表法。查表法是输入论域上的点到输出论域的对应关系，它已经是经过了模糊化、模糊推理和解模糊的过程，可以离线计算得到，模糊控制器在线运行时，进行查表，因而可以加快在线运行的速度。

2.2 PID控制器

比例积分微分控制器PID控制器是工业生产过程最常用的控制器，它将偏差的比例P、积分I、微分D通过线性组合构成控制量，对过程对象进行控制，其结构如图4所示。常规PID控制具有结构简单、易于实现、对大多数过程都具有良好的控制效果以及鲁棒性显著的优点。但常规PID控制也有不足之处，其整定参数为固定值，无自适应能力[1]。

图4 PID控制原理框图

2.3 模糊PID控制

模糊PID控制器由模糊控制器和PID控制器2部分构成（见图5）。模糊控制器的输入为偏差e和偏差变化率ec，输出为PID控制器的修正量△kp，△ki，△kd。PID控制器参数kp、ki、kd如下式所示[7-8]，其中，kp0、ki0、kd0为PID控制器的初始参数：

模糊PID在线运行时，将检测到的偏差e和偏差变化率ec输入到模糊控制器，经模糊控制器后输出△kp，△ki，△kd，从而实现对PID控制器参数kp、ki、kd进行自整定，更好地满足偏差e和偏差变化率ec的变化要求。

图5 模糊PID控制器结构框图

2.4 硫熏中和器模糊PID控制器

硫熏中和器自动控制分为混合汁流量及液位联锁控制、硫熏压力控制、一次加热温度控制3个回路，每个回路单独基于硫熏中和器模糊PID控制器实现。

混合汁流量及液位联锁控制，输入给定值为根据液位高度给定的流量给定值1和实际生产需要的流量给定值 2。反馈值为流量计测量的实际流量，经过模糊 PID控制器计算后控制针阀开度的输出值，直接控制喷嘴的开度（见图6）。

图6 混合汁液位及流量联锁模糊PID控制框图

混合汁压力控制，输入给定值为压力给定值，反馈值为压力变送器的实际测量值，经过模糊 PID控制器计算变频器频率的输出值，直接控制变频器的频率。具体控制框图如图7所示。

一次加热温度控制，输入给定值为一次加热温度给定值，反馈值为热电阻的实际测量值，经过模糊PID控制器计算加热蒸汽调节阀开度的输出值，直接控制调节阀开度。具体控制框图如图8所示。

图7 硫熏压力模糊PID控制框图

图8 一次加热温度模糊PID控制框图

3 应用效果分析

图9 流量模糊PID控制曲线

基于模糊PID控制器的硫熏中和器已在广西凤糖融安制糖有限责任公司、广西武宣广盛糖业有限公司、中粮屯河北海糖业有限公司等多家制糖企业推广应用。结果表明，基于模糊PID控制器的硫熏中和器的直接控制参数更稳定，混合汁液位控制稳定，硫熏压力控制稳定，一次加热温度控制稳定，保证了硫熏中和器间接控制参数硫熏强度的稳定，硫熏器抽吸效率高，混合汁与SO2气体反应更完全，提高了产品质量。模糊PID控制对流量控制曲线如图9所示，对压力控制曲线如图10所示，对一次加热温度控制曲线如图11所示。

图10 压力模糊PID控制曲线

图11 温度模糊PID控制曲线

4 小结

硫熏强度为清净工段最重要的工艺指标之一，硫熏强度直接关系白砂糖的产品质量。基于模糊PID控制器的硫熏中和器只是对影响硫熏强度的流量、压力、温度进行控制，随着传感器检测技术的发展，可增加硫熏强度直接测量仪表，形成硫熏强度闭环控制系统，更直接地控制硫熏强度的指标，提高产品质量，给糖厂带来经济效益。