模糊PID控制在乳酸精制工艺中的应用与研究

吴金祥，李锡文

（华中科技大学机械科学与工程学院，湖北 武汉430074）

0 引言

乳酸是化工、轻工、食品和医药产品的重要原料。乳酸可以通过化工合成或发酵法获得。乳酸的提纯与精制有多种方法，如活性碳脱色法、乳酸钙结晶法、酯化法、萃取法、离子交换法和蒸馏法等［1］。但是以上方法均存在各种各样的限制，不能满足工业生产的要求。

1 控制目标

双蒸馏法即刮膜蒸馏和短程蒸馏联用的方法［1］。刮膜蒸馏需要用到刮膜蒸发器，刮膜蒸发系统如图1所示。在图1中，出料泵将原料罐内的原料乳酸输送到刮膜蒸发器内，通过控制出料的调节阀CV100来控制出料的流量。在刮膜蒸发器进料之前，通过液环真空泵将刮膜蒸发器内气压抽到3 kPa以内。进入刮膜蒸发器的乳酸原料被旋转刮膜器刮成薄膜，在重力的作用下沿刮膜蒸发器内壁向下流动。由于刮膜蒸发器内壁温度较高且刮膜蒸发器内气压非常低，所以乳酸原料中的水分快速蒸发成水汽，被液环真空泵抽走，这样就达到了蒸发水分的效果。

图1 刮膜蒸发工艺设备布置

在稳定工作状态下，工艺要求刮膜蒸发器夹套蒸汽压力保持恒定，刮膜蒸发器内液位保持恒定。蒸汽压力保持恒定比较容易控制，采集P100压力传感器的压力信号，进行反馈PID控制蒸汽调节阀CV101的开度，就可以满足蒸汽压力控制的要求。刮膜液位的控制受到进料流量的波动、原料含水量不同和蒸汽夹套压力波动等因素的影响，较难控制。课题的目标是找到一种控制方法，通过控制刮膜蒸发器的进料流量，使三浓刮膜蒸发器内的液位保持稳定，保证整个乳酸精制的生产过程平稳进行。

2 控制系统设计

2．1 控制系统结构

项目来自于湖北汉川某大型乳酸厂，需要设计的是一整套乳酸精制工段的控制系统，而非单独控制刮膜蒸发器系统。考虑到项目需要采集控制的资源较多，涉及各种传感器共127支，控制开关阀、调节阀和电机等85台，故应选用运行速度较快，内存较大的CPU。同时为了保证系统的可靠性，最好采用能够实现双机热备冗余的系统。经过最终的权衡，选择西门子 S7－400 412－5H CPU 套件，套件包含2组CPU。2组CPU之间通过光纤进行高速通讯，使运行CPU里面的运行数据即时同步到备份CPU里。当运行CPU发生故障时，系统能够切换到备份CPU上继续运行，切换时间达到毫秒级。

为了能够方便地设置各种工艺参数，以及直观地监控乳酸精制工艺过程，系统采用工业触摸屏作为人机交互终端。工业触摸屏通过工业以太网与CPU模块通讯。

由于现场各控制点较为分散，总共分布在5层钢结构平台上，所以采用分布式控制系统是一种较为合理的方式。经过选择最终采用PROFIBUS－DP总线，在每一层钢结构平台上布置一个分站，通过PROFIBUS－DP总线将各分站与主备CPU连接起来。通过菊花链的连接形式将5个分站串接成2条PROFIBUS－DP总线。由于CPU采用冗余形式，故每个分站里应包含2个PROFIBUS－DP的接口模块。接口模块型号为IM153－2，此接口模块可以接最多12个PLC模块。具体的系统结构如图2所示。

图2 乳酸精制工段控制系统

2．2 液位传感器的选择

由于需要控制刮膜蒸发器的液位，故应通过安装液位传感器测量其液位。刮膜蒸发器液位测量工况属于密闭容器并且包含真空环境。常见的液位传感器种类有静压型、差压型、超声波型和导波雷达型。唯一能够应用在这种工况的是差压型液位传感器。差压型液位传感器是通过测量两取压点之间的压力差来测量液位。当容器上部空气压力发生变化时，两取压点的压力也发生变化，但是两取压点的压力差不发生变化。只有在液位发生变化时，两取压点压力差才发生变化。但是当液位超过了上取压点位置时，两取压点之间压力差不再随液位变化而变化，故差压液位传感器液位测量的最大范围是上下两取压点高度差。从控制角度来考虑，应将液位控制在上取压点之下，否则液位测量就不准确了。

差压传感器的实际安装如图3所示。以图3为例，差压液位测量过程如下所述。

图3 差压传感器实例

设差压传感器左侧压力为P1＝Pi＋ρ1g Hu，差压传感器右侧压力为P2＝Pi＋ρ0g Hv，刮膜蒸发器内液面上方气体压力为Pi，则在抽真空的情况下，Pi的值在3～101 k Pa之间变化。Hv表示差压传感器上下引压口高度差，在传感器安装完成后，此值为固定值。硅油密度为ρ0＝0．96 kg／dm3，乳酸密度为ρ1＝1．25 kg／dm3。

差压传感器两侧的压力差为：

PΔ为一个与Pi无关，与Hu线性相关的量，这样就可以消除真空情况对传感器液位测量的干扰，通过变送器将PΔ变送到4～20 m A信号，并连接到PLC，就可以测量出正确的液位。

3 模糊PID实现

3．1 控制算法分析

根据乳酸精制工艺特征分析，刮膜蒸发器的进料流量应该限定在一定的范围之内，因为刮膜蒸发器的蒸发能力是有上限的。如果进料流量过大，超过刮膜蒸发器的蒸发能力，会造成乳酸原料蒸发不充分，成品中含水量增加。通过控制进料流量来控制刮膜蒸发器的液位。为了提高生产效率并使整个生产过程平稳进行，要求刮膜液位上升快，同时要求液位超调量小，刮膜蒸发器的液位能够快速稳定。

干扰液位控制精度因素有：进料流量的波动、原料含水量不同和蒸汽夹套压力波动等。刮膜蒸发器的液位控制是一个时变、非线性和存在较大时滞的控制对象。项目原本采用PID控制算法来控制液位，但是在实际调试过程中发现，由于受控对象的特性，常常造成超调的现象。在这种情况下又需要人为的调整PID控制的参数，使用过程较为复杂，需要专业的人员才能保证系统稳定运行，而现场工艺师又达不到这样的要求，导致生产出的乳酸成品纯度不佳。在这种情况下，将控制算法改为模糊PID控制，可以满足工艺要求。根据在现场的实际调试情况，设计相应的模糊规则，实现专家系统的智能控制。将模糊控制［2］与PID控制相结合，通过模糊规则控制PID控制器的参数，使系统在不同的状态下，按照既定的规则控制PID控制器的参数，使系统不但具有较快的响应速度以及鲁棒性，更使系统具有较高的稳态精度。

3．2 模糊PID控制算法设计

在模糊PID控制算法中，输入量是液位的偏差e（t），以及偏差的变化率d e（t）／d t，输出量是PID的控制参数KP，KI，KD。模糊PID算法的核心是确定模糊规则。比例系数KP是根据系统当前的偏差值来控制输出，控制KP的大小可以改变系统的响应速度。积分系数KI是根据系统的偏差累积来控制输出，KI的作用是消除系统的稳态误差。微分系数KD是用系统的当前偏差和上一偏差的差值来控制输出，用来提高系统的动态性能。模糊PID控制器的结构如图4所示。

图4 模糊PID控制器结构

根据刮膜蒸发器的液位控制情况，在液位偏差较大时，偏差变化率较小，应增大比例系数KP，同时将积分系数KI变为0，防止出现积分饱和的现象。积分饱和越深，后期的超调量就越大。在液位偏差适中时，可以适当设置一定的积分系数。在液位偏差较小时，应加大积分系数，以减小系统的稳态误差。根据上面的规则，可以基本确定KP，KI，KD的模糊规则表。由于篇幅限制，在此只列出KP的模糊规则如表1所示。

表1 模糊PID参数K P规则

根据模糊规则表，能够确定PID参数的变化规律，然后根据项目的实际情况，调试具体参数。

4 结束语

使用西门子S7－400 PLC作为系统的控制核心，并采用差压式液位传感器测量刮膜蒸发器在真空条件下的液位，通过工业触摸屏设置运行参数以及监测运行状态，提高了系统的自动化程度，能够满足长时间连续生产的要求。使用模糊PID控制刮膜蒸发器液位，响应速度快，提高了系统控制精度与系统鲁棒性，使得产品的质量得到保证。系统在乳酸厂调试通过，运行良好，满足现场工艺要求，创造了巨大的经济价值。

［1］ 吕九琢，徐亚贤，袁 光，等．乳酸精制新工艺——刮膜蒸发和短程蒸馏联用法［J］．现代化工，2001，21（1）：44－46．

［2］ 蔚东晓，贾霞彦．模糊控制的现状与发展［J］．自动化与仪器仪表，2006，（6）：4－7．