酒精精馏塔解耦控制研究

孟亚男 王德平

（吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林 吉林 132022）

0 引言

酒精精馏塔常用的是多输入多输出控制系统，该系统控制方式复杂，且具有强耦合性、时变性等特点。因此，如何克服该系统的强耦合性，选取合适的解耦方式来完成对酒精精馏塔的解耦工作就显得尤为重要。由于模糊解耦无需精确的数学模型就可完成对系统的控制，从而受到广大学者的青睐。因此，本研究对模糊解耦控制与传统控制进行对比研究。

1 酒精精馏塔控制系统

1.1 酒精精馏塔工艺流程

酒精精馏塔工艺流程如图1 所示。通过该流程可对酒精精馏塔的温度控制系统进行分析。物料F经进料口的流量控制阀送入精馏塔中，经自然运动到达精馏塔塔底，经再沸器加热（再沸器是通过输入的蒸汽QS对其进行加热），并以提馏段灵敏板温度T2为控制点。在经过再沸器加热后，物料中易挥发成分变为气相，汇聚到塔顶，精馏塔塔顶的气相经塔顶冷凝器冷凝后进入回流罐，由回流罐采出泵进行分流，一部分作为塔顶产品QD产出，一部分回塔顶作为回流QL回到精馏塔中。通过调节回流量来控制精馏塔灵敏板的温度T1，并通过控制塔顶采出量来控制回流罐液位。精馏塔塔底的采出由采出泵控制，塔底液位由塔底产品的采出量控制［1］。

图1 酒精精馏塔工艺流程

1.2 酒精精馏塔控制方案

搭建酒精精馏塔的温度控制系统数学模型，可对精馏塔出现的强耦合现象提出解决方案，需要采用模糊控制器搭配解耦控制对其进行解耦操作［2］。

相较于传统的PID 控制方式，模糊解耦控制有以下三个优点。①解耦控制不需要根据工业生产过程来推导精确的数学模型。对复杂的生产过程，要获取精确的数学模型是很困难的，尤其是酒精精馏塔采用多输入多输出且具有强耦合性的控制方式，而模糊语言是一种很方便的近似方法。②对有一定操作经验而非本专业的工作人员来说，模糊控制方法易于学习、掌握。③模糊控制的控制流程动态响应性能要高于传统的PID 控制系统，且模糊控制对流程数据的改变具备很强的适应性。

因此，使用模糊控制对酒精精馏塔进行解耦控制，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关键部分，要根据现场参数来搭建模糊控制器，才能更好地控制现场的酒精精馏塔。模糊控制器框架如图2 所示。模糊控制算法实现步骤如下。

图2 模糊控制器框架

①根据采样得到的系统输出值计算出模糊控制的输入值。

②将模糊控制器输入量的精确值变为模糊量。

③根据输入变量（模糊量）和模糊控制法则，基于模糊推理组合成的模糊控制法则来求控制变量。模糊推理是一项以模糊推理理论为基础，利用模糊语言规则提出的一种有效的、近似的模糊判定结果的技术。

④基于上述得到的控制变量（模糊量）来计算出精确的控制量［3］。

对于多变量多输入多输出的控制系统，可分别在塔顶、塔底搭建模糊控制器，现场数据编撰模糊控制规则如图3、图4所示。

图3 塔顶模糊规则表及控制曲面

图4 塔底模糊规则表及控制曲面

3 模糊控制的仿真

在酒精精馏塔温度控制系统中，由塔顶、塔底温度控制器计算出的控制参数是相互影响、相互作用的，具有较强的耦合性。传统的PID 控制难以达到预期效果，因此，采用何种解耦控制方式至关重要。本研究采用控制方法，将酒精精馏塔的Multi Input Multi Output（MIMO）控制系统分化为两个Single Input Single Output（SISO）控制系统，再对两个SISO控制系统进行模糊解耦操作［4］。

3.1 传统解耦方式

传统方式对实际生产所得的系统参数进行整合，并推导出其数学模型。传统的解耦控制采用前馈解耦搭配PID 控制对系统模型进行调控解耦工作。PID 控制原理如图5 所示，仿真结果如图6 所示。由图6 可知，波形图振荡严重且不稳定，因此，传统的PID 控制方式难以达到试验要求［5］。同时，只采用解耦操作，得到的数据曲线反应较慢，更存在相当大的超调量，不符合预期效果，且难以满足日常生产所需。

图5 PID控制原理

图6 传统解耦仿真结果

3.2 模糊解耦方式

由于传统的解耦难以达到预期效果，因此，本研究采用模糊PID 控制方式对系统模型进行解耦操作。模糊解耦是基于模糊控制器搭建的，模糊控制器会根据现场返回的实际数据产生相应变化及改写，如图7 所示。第一次搭建的模糊控制器是基于相应数据推导出的，第一次糊解耦仿真如图8所示。

图7 模糊控制原理

图8 第一次模糊解耦

由图8 可知，模糊解耦能很好地解决超调现象，前期虽存在数据波动的现象，但曲线反应速度更快，超调更低，后期数据更贴近理想曲线，因此，该方式较为符合预期要求。

本研究先使用传统控制方式进行仿真试验，将得到的结果与模糊解耦的仿真结果进行对比，从而证明模糊解耦方式能在数学模型难以确定的情况下，对实际生产具有多变性且操作复杂的控制系统产生良好的效果。

4 结语

模糊解耦方式不用精确的数学模型就能建立解耦控制，通过现存的实际项目来设计模糊控制器，对酒精精馏塔的强耦合性搭建仿真模型。通过对系统进行仿真试验，证明了模糊解耦对酒精精馏塔的强耦合性具有很好的解耦效果，且模糊控制器设计简明，易于实现。因此，该控制器具有较高的实用价值。