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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）ＦｕｚｚｙＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ’ｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｉｎＲｅｆｉｎｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｆｏｒＬａｃｔｉｃＡｃｉｄＷＵＪｉｎ－ｘｉａｎｇ，ＬＩＸｉ－ｗｅｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）摘要：叙述了乳酸精制工段控制系统的框架以及刮膜蒸发器液位传感器的选择，并就模糊ＰＩＤ控制器的设计作了详细分析。针对乳酸精制工艺中的刮膜蒸发器液位控制的非线性，提出了一种模糊ＰＩＤ的控制方法。关键词：刮膜蒸发器；液位；ＰＩＤ控制；模糊ＰＩＤ；ＰＬＣ中图分类号：ＴＰ２７３文献标识码：Ａ文章编号：１００１－２２５７（２０１４）０４－００５４－０３Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｓｃｒｉｂｅｄｔｈｅｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｃｈｏｓｅｎｏｆｔｈｅｌｅｖｅｌｓｅｎｓｏｒ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｆｕｚｚｙＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｄｕｅｔｏｔｈｅｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒｏｆｔｈｅｗｉｐｅｄｅｖａｐｏｒａｔｏｒ’ｓｌｅｖｅｌｃｏｎ－ｔｒｏｌｉｎｒｅｆｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｌａｃｔｉｃａｃｉｄ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｈａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｋｉｎｄｏｆｆｕｚｚｙＰＩＤａｌｇｏｒｉｔｈｍｔｏｃｏｎ－ｔｒｏｌｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｗｉｐｅｄｅｖａｐｏｒａｔｏｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｐｅｄｅｖａｐｏｒａｔｏｒ；ｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌ；ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ；ＰＬＣ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３ｋＰａ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。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。０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。《机械与电子》２０１４（４）控制目标双蒸馏法即刮膜蒸馏和短程蒸馏联用的方１收稿日期：２０１３－１２－１７·５４·模糊ＰＩＤ控制在乳酸精制工艺中的应用与研究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。２．２控制系统设计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２２．１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Ｓ７－４００４１２－５ＨＣＰＵ套件，套件包含２组ＣＰＵ。２组ＣＰＵ之间通过光纤进行高速