白酒节能蒸馏系统输出管路压力控制研究*

张浩强，罗相巧，黄鸿滨，韦美良，蔡 柳，卢森幸

(河池学院， 广西 宜州 546300)

0 引 言

中国传统白酒酿制工艺历史悠久，其生产效率低下，很多制酒企业机械化程度低，导致酿制原材料存在较大的原材料浪费和污染排放，因此白酒酿制工艺中的节能蒸馏技术得到重视[1]。

相关白酒酿造过程的节能蒸馏技术已有不少研究：李超等[2]发明了双蒸馏甑白酒的压差蒸馏节能生产装置，降低了生产能耗；张超等[3]给出了白酒酿造耗水量的降低方案，冷酒水选取软水，高温软水既降温循环再利用，又可用于锅炉产蒸汽，冷酒器分段通入低温软水和循环水；黄亚东[4]开发出一种太阳能蒸汽发生系统，基于固态发酵法白酒连续蒸馏装置确定了蒸汽发生系统主要技术参数，改善并提高了水质量；陈玺烨等[5]将溴化锂制冷机组产生的循环冷冻水用于白酒蒸馏降温，通过工业余热达到节能减排的目的。检索已有文献，发现对白酒蒸馏系统输出管路压力控制研究较少，因此开展此方面研究，对白酒酿造系统压力控制技术具有一定理论指导。

基于白酒节能蒸馏系统输出管路压力控制的高精度、快响应要求，笔者以白酒节能蒸馏系统为研究对象，对其输出管路压力控制特性开展了相关研究，首先介绍了白酒节能蒸馏系统输出管路压力闭环控制原理，并搭建关键元件数学模型，控制器选用工控机控制的增量式PID控制器，并采用果蝇和Ziegler-Nichols算法对PID控制器的参数进行了寻优，对压力控制模型施加阶跃信号、1 Hz和2 Hz的正弦信号进行仿真对比分析，在1 Hz和2 Hz正弦信号下，两种控制算法优化的节能蒸馏系统输出管路压力控制跟踪性能均较好，从仿真结果对比得出，果蝇算法优化的压力控制系统对正弦信号的响应性能优于Ziegler-Nichols算法，为白酒节能蒸馏输出管路压力控制提高理论参考。

1 输出管路压力闭环控制原理及其数学模型

白酒节能蒸馏系统输出管路压力传感器布置点示意图如图1所示。

图1 节能蒸馏系统输出管路压力控制布置图

在白酒节能蒸馏系统输出管路压力控制关系到灌装效率，为提升灌装效率，需要严格控制输出管路压力，采用闭环控制原理进行控制，白酒节能蒸馏系统输出管路压力闭环控制原理如图2所示。

图2 节能蒸馏系统输出管路压力闭环控制原理

白酒节能蒸馏系统输出管路压力主要通过蒸汽压力调节器调节阀口开度x、控制器和压力传感器控制。

输出管路流量Q满足：

(1)

式中：C定义为流量系数；W为阀口节流面积梯度；ρ为液压油的密度；p为输出管路压力。

位移传感器数学模型为：

Uf=Kfxp

(2)

式中：Kf为位移反馈增益，V/m；Uf为反馈电压，V；xp为输出位移，m。

控制器选用工控机控制的增量式PID控制器，其表达式为：

(3)

(1) 基于果蝇算法对PID控制器参数进行寻优，其结构框图如图3所示，图中pin为输出管路指定压力，pout为输出管路压力实际值，e为输出管路指定压力和输出管路压力实际值之间的差值。

图3 果蝇算法优化PID控制器

基于果蝇算法进行的优化流程图如图4所示。

图4 果蝇算法优化流程图

设置果蝇初始种群大小为30，迭代次数30。蒸汽压力PID控制器3个参数Kp、Ki和Kd的初始取10、0.5和0.3，搜索范围设置为(0，100)。

优化过程基于时间误差绝对值积分性能指标(ITAE)作为指标函数，如式(4)所示：

(4)

式中：当t→∞，e(t)→0时Q(Kp,Ki,Kd)才具有收敛性。

经过30代迭代，果蝇适应度提高，可获得果蝇算法优化后的三个参数，如表1所列。

表1 果蝇算法结果

(2) 基于Ziegler-Nichols算法优化时，Ki和Kd设置为0，增大Kp，系统产生振荡时，Kp=Kmax，系统振荡周期为Tc，Kp、Ki和Kd的设置见表2所列。

表2 Kp、Ki和Kd设置

经Ziegler-Nichols算法优化三个参数的结果如表3所列。

表3 Ziegler-Nichols算法优化参数结果

3 输出管路压力控制性能分析

基于Simulink的系统构建白酒节能蒸馏输出管路压力控制仿真模型，如图5所示。

图5 节能蒸馏系统输出管路压力控制仿真模型

(1) 节能蒸馏系统输出管路施加阶跃信号，仿真得到阶跃响应对比曲线，如图6所示，图中横坐标为时间，纵坐标为输出管路压力。

图6 节能蒸馏系统输出管路阶跃响应对比曲线

基于Ziegler-Nichols和果蝇算法优化的系统性能对比见表4所列。

表4 阶跃响应仿真结果对比

由表5可知，基于果蝇算法，节能蒸馏输出管路压力响应曲线超调量缩小了39%，调整时间下降了33%，稳态误差降低了17.7%。可见，果蝇算法优化能力强于Ziegler-Nichols算法。

对白酒节能蒸馏输出管路压力施加1 Hz和2 Hz的正弦信号进行仿真，如图7和图8所示。

图7 1 Hz正弦信号压力跟踪特性对比

图8 2 Hz正弦信号压力跟踪特性对比

优化后的控制器性能对比参数选取两个指标：最大跟踪误差Me和平均跟踪误差μ，见方程式(5)和式(6)：

(5)

(6)

1 Hz正弦信号下，白酒节能蒸馏系统输出管路压力跟踪特性对比如表5所示。

表5 1 Hz正弦信号压力跟踪特性对比

由表4可知：在1 Hz正弦信号下，相比较于Ziegler-Nichols算法，果蝇算法的最大跟踪误差缩小了34.1%，平均跟踪误差缩小了46.9%。

2 Hz正弦信号下，白酒节能蒸馏系统输出管路压力跟踪特性对比如表6所列。

表6 2 Hz正弦信号压力跟踪特性对比

由表6可知：在2 Hz正弦信号下，相比于Ziegler-Nichols算法，果蝇算法最大跟踪误差缩小了41.2%，平均跟踪误差缩小了54.6%。

在1 Hz和2 Hz正弦信号下，两种控制算法优化的节能蒸馏系统输出管路压力控制跟踪性能均较好，从仿真结果对比得出，果蝇算法优化的压力控制系统对正弦信号的响应性能优于Ziegler-Nichols算法。

4 结 语

基于白酒节能蒸馏系统输出管路压力控制的高精度、快响应要求，笔者以白酒节能蒸馏系统为研究对象，对其输出管路压力控制特性开展了相关研究，首先介绍了白酒节能蒸馏系统输出管路压力闭环控制原理，并搭建关键元件数学模型，采用果蝇和Ziegler-Nichols算法对PID控制器的参数进行了寻优，对压力控制模型施加阶跃信号、1 Hz和2 Hz的正弦信号进行仿真，在1Hz和2Hz正弦信号下，两种控制算法优化的节能蒸馏系统输出管路压力控制跟踪性能均较好，从仿真结果对比得出，果蝇算法优化的压力控制系统对正弦信号的响应性能优于Ziegler-Nichols算法，为白酒节能蒸馏输出管路压力控制提供理论参考。