摘 要：结合工程设计经验，介绍了带有前馈控制的复合控制系统在淀粉喷射液化上的应用，介绍了算法的理论分析，完成了基于PCS7 V8.1过程控制系统的程序设计和调试。通过实际工程的实施，取得了预期的控制效果。

关键词：淀粉糖；喷射液化；PCS7；复合控制

1 概述

淀粉糖是一种常用的食品原材料和添加剂，其衍生产品多达上百种，日常生活中随处可见。喷射液化是淀粉糖生产线上很重要的工艺段，液化效果的好坏直接影响产品的质量和收益，以及后续工段的生产效率。目前国内的液化控制普遍采用一个标准的闭环负反馈PID调节回路，由于温度响应存在滞后的特性，而且液化系统的物料从喷射器到维持罐的测温点需要十几秒钟，叠加起来整个控制系统的滞后性就更大了。标准的闭环负反馈调节回路应用于喷射液化并不理想，存在如下几个问题：（1）温度控制不精准不稳定，实际温度在设定点附近反复波动，误差较大；（2）从开始生产到温度接近稳定需要的时间较长；（3）前几个调节波形的振幅较大，温度的动态误差值较大；（4）当蒸汽压力不稳定时，系统的调节周期长，温度波动大；（5）当进料流量不稳定时，系统的调节周期长，温度波动大。结合理论和实际工作经验，本人设计了一套带有前馈控制的复合控制系统，结合PCS7平台，应用于淀粉喷射液化工段，对于改善喷射液化控制系统的效果非常显著。下面将具体介绍复合控制系统的设计与实施。

2 淀粉喷射液化工艺流程

如图所示，此系统主要由一台电磁流量计（FT1105A）、一台调节阀（FV1105A）、一台喷射液化器（H1106A）、一台压力变送器（PT3101）、一台温度变送器（TT1106A）和一个维持罐（V1107A）组成。电磁流量计（FT1105A）测量喷射器进淀粉乳的流量，调节阀（FV1105A）调节淀粉乳流量，压力变送器（PT3101）测量蒸汽压力，温度变送器（TT1106A）测量喷射后的物料温度，喷射液化器上的调节器（TV1106A）通过调节蒸汽进气量来控制喷射后的物料温度。温度是判断液化效果的标准，温度越精确稳定，液化效果就越好，因此，准确稳定的温度控制是液化系统的关键。

3 控制方案设计

3.1 控制算法的确定

针对目前控制系统存在的问题，本人设计一套复合控制系统来对当前系统进行优化，改善系统的调节性能。通过导言我们得知目前系统的主要问题是由于系统滞后性大、蒸汽压力波动、淀粉乳进料流量波动引起的，所以我们需要从这三个方面入手来优化。下面，我们通过数学建模的方式对液化系统进行全面的分析。在此系统中，液化喷射器为被控对象，维持罐温度为被控量，淀粉乳进料流量、蒸汽压力等为干扰量，温度变送器（TT1106A）为被控量测量元件，喷射液化器上的调节器（TV1106A）为执行单元，电磁流量计（FT1105A）和蒸汽压力变送器（PT3101）为干扰测量元件、比较运算单元为PID调节器。由于干扰量进料流量和蒸汽压力可测量，所以我们可以设计一个带有前馈控制功能的自动调节系统对温度进行控制。当干扰量进料流量和蒸汽压力发生变化时，我们提前对喷射液化器上的调节器（TV1106A）的开度进行修正，无需等到温度变送器（TT1106A）的测量值发生改变之后再改变调节器（TV1106A）的开度。只要我们能够找出进料流量以及蒸汽压力与调节器（TV1106A）开度之间的关系并进行补偿，就能够大大的加快系统的响应时间、提高系统的稳定性和控制精度，理论上可以完全消除进料流量和蒸汽压力发生变化对被控量温度的影响。通过以上分析并结合自动控制理论，得出系统的原理方框图如图2所示：

3.2 控制方案的实施

3.2.1 控制系统的结构

由于喷射液化为淀粉糖生产线中的一部分，所以其控制回路包含在整个制糖生产线控制系统之中。本制糖生产线采用西门子的PCS7 V8.0，由一套冗余控制器AS410H、3台等同操作员站、一个工程师站、若干I/O卡件、若干测量与执行单元组成。系统结构图如下图3所示：

3.2.2 控制软件的设计

结合PCS7系统以及喷射液化调节回路算法的特点，并考虑到程序的通俗易懂性，本控制算法通过CFC（连续功能图）来实现。

通过对“图2控制系統原理方框图”的分析，得出当控制器在手动模式下运行时，可以以传递函数gz（s）=y（s）/z（s）的形式估计可测量干扰（进料流量和蒸汽压力）的影响，手动模式下PID调节回路输出为固定值，不会导致控制变量TT1106A发生任何变化，因而所有变化均可认为是由干扰（进料流量和蒸汽压力）z（s）所致。因此，理想的传递函数c（s）可由以下要求得出，即对于任何干扰信号z（s），z对y的影响应为零：

gz（s）·z+c（s）·g（s）·z=（gz（s）·g（s））·z=0。为满足此方程，补偿块必须尽可能逼近该方程，即：c（s）=-gz（s）/g（s）。为此，干扰传递函数gz（s）=y（s）/z（s）必须已知，且主受控系统的传递函数g（s）=y（s）/u（s），u=MV必须取反。如果这两个传递函数均可模型化成具有时滞的一阶函数

通过组合基本 CFC 块可在PID控制器外部创建该传递函数，该函数由一个“Differentiator - trapezoid method”、一个“TimeLag”和一个“DeadTime”块构成。“Differentiator - trapezoid method”块和“TimeLag”块并联，两者的值通过加法器“Adder”累加，而“DeadTime”块和乘法器“Multiplier”在前面串联作为增益系数。由于此液化系统的可测量干扰量有两个（进料流量和蒸汽压力），故此系统的前馈控制由两者的动态传递函数之和构成。综上所述，液化控制系统CFC（连续功能图）程序如下图4和图5所示：

3.2.3 系统的调试与实施

一個优秀的控制方案必须在合适的控制参数下才能实现精准稳定的控制，所以程序中的各个参数的正确设置是很重要的，参数的设置需要通过计算以及对响应曲线的分析来确定，在此不做详细的说明。动态响应曲线是判断一个控制系统性能的工具，下面我通过本控制系统的动态响应曲线来分析一下本控制系统是否达到了预期的效果，动态曲线见图6。

如图6所示，1号曲线为蒸汽压力PT3101；2号曲线为被控量TT1106A；3号曲线为进料流量FT1105A；4号曲线为控制器的输出值MV；5号曲线为被控量设定目标值SP；6号曲线为前馈控制的输出值FFwd；7号曲线为系统的偏差。从动态曲线图中我们可以看出前馈控制是在4：07左右投入到调节系统的，前馈控制投入前由于蒸汽压力PT3101的不稳定，引起了被控量TT1106A的值出现了波动，最大的误差值在1.2℃左右；前馈控制投入以后，被控量TT1106A的值明显变得稳定得多，其最大的误差值降为0.2℃左右，系统的响应速度和控制精度也显著提高。由此可知，带有前馈控制的复合控制系统对淀粉喷射液化系统的控制效果是很好的。

4 结束语

本人结合理论知识和实际工作中的案例，向读者展示了带有前馈控制的复合控制系统对淀粉喷射液化的改善，供广大同行在工作中参考。篇幅限制的原因，不能在此向读者展示所有工程细节，如有需要，可以邮箱联系。由于本人的知识水平有限，因此，本文如有不到之处，还望各位不吝指正。

参考文献

[1]程鹏.自动控制原理[D].北京：北京航空航天大学，2002.

[2]过程控制系统[Z].PCS 7 APL库，8.1.