白酒节能蒸馏系统输出酒流量控制性能研究*
时间：2023-06-22 14:10:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
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)
传统白酒酿制工艺历史悠久，灌装主要靠人工，随着现代化发展，机械自动化灌装逐步成熟[1,2]，因此对白酒节能蒸馏系统的输出酒量控制要求越来越高，其输出酒流量精准控制是提高灌装效率的关键所在。
目前对白酒酿制的学术研究主要集中在酿制工艺方面，例如：徐娜等[3]利用单因素和正交试验分析了梨渣和混合谷物比例、发酵时间等因素对发酵液品质及风味的影响；
陈申习等[4]基于传统分离方法和现代分子技术分离了酒醅优势微生物，并研究了清香型小曲酒机械化酿造过程中微生物数量变化情况。
检索近期最新文献，发现白酒节能蒸馏系统输出酒流量控制方面的研究存在较大空白，基于此对其进行研究，可为白酒酿造系统输出酒流量精准控制提供理论参考。
本文基于白酒蒸馏输出酒流量精准控制要求，对其输出酒流量控制特性展开科研工作，给出了白酒节能蒸馏系统输出酒流量控制机理，建立酒流量、压力、反馈元件数学模型，推导出系统输出酒流量开环传递函数，基于果蝇和Ziegler-Nichols两种算法优化PID控制器参数，得出了不同信号的输出酒流量优化规律，并归纳了两种算法对输出酒流量响应性能的优化情况。
图1为白酒节能蒸馏系统输出管路酒流量控制布置图。
图1 白酒节能蒸馏系统输出管路酒流量控制布置图
白酒蒸馏输出酒流量控制直接影响瓶装灌装速度，基于酒流量闭环控制原理对其实现精准控制，白酒节能蒸馏系统输出酒流量闭环控制机理如图2所示。
图2 白酒蒸馏输出酒流量闭环控制机理
白酒蒸馏输出酒流量通过酒流量调节开关调节过流开度x，并将输出酒流量通过酒流量传感器反馈至输入端进行比较，最终通过PID控制器精准调整其响应性从而使输出酒流量逼近目标值。
蒸馏系统输出酒流量Q(L/min)满足：
(1)
其中：C为酒流量系数；
W为流量调节开关面积梯度；
ρ为酒精密度，kg/cm3；
p为输出管路压力，MPa ；
x为酒流量调节开关开度，mm。
酒流量传感器数学模型为：
U=KQout.
(2)
其中：K为酒流量反馈增益，为单位流量对应的电压信号，V/(L·min-1)；
U为反馈电压，V；
Qout为输出酒流量，L/min。
本文选用工控机控制的位置式PID控制器，其输出为：
(3)
蒸馏系统输出酒流量Q对酒流量调节开关开度x的传递函数为：
(4)
其中：KQ为开环增益系数；
s为复变量；
A为酒流量开关阀面积，mm2；
wh为频率，Hz；
ξh为系统阻尼比。
基于图3的PID控制器参数优化框图，首先采用果蝇算法优化PID三参数。
图3 PID控制器参数优化框图
图4为基于果蝇算法优化PID控制参数的流程图。
图4 基于果蝇算法进行PID控制器参数寻优流程图
寻优参数前，设置优化种群数量为20，进行100次迭代寻优。酒流量调节开关PID控制参数Kp、Ti和Td暂取14、0.4和0.2，寻优区间为(0，50)，基于ITAE(Integral of Time and Absolute Error)误差时间积分准则为适应度函数进行参数优化，ITAE公式如下：
(5)
其中：Q(a)为适应度函数；
t为优化迭代时间，s；
e(t)为单位时间实际输出酒流量与目标酒流量差值。
迭代100次输出PID控制器最优参数，如表1所示。
表1 基于果蝇算法的PID控制器最优参数
基于Ziegler-Nichols算法采取同样的逻辑进行参数寻优，Kp、Ti和Td的寻优参数如表2所示。
表2 基于Ziegler-Nichols算法的PID控制器参数设置
基于Ziegler-Nichols算法输出最优解如表3所示。
表3 基于Ziegler-Nichols算法的PID控制器最优参数
基于Ziegler-Nichols算法的寻优步骤如下：①将积分、微分系数置零；
②比例系数逐步调大，蒸馏系统振荡时，Kp=Kmax，蒸馏系统振荡周期即Tc；
③比例系数减小至0.65Kmax，积分系数设置为Tc/2.5，微分系数设置为Tc/7.5。
图5为白酒节能蒸馏系统输出酒流量控制性能仿真模型，分别加入基于果蝇和Ziegler-Nichols算法迭代寻优的PID控制器参数。
图5 白酒蒸馏系统输出酒流量控制性能仿真模型
图6为基于两种算法的白酒节能蒸馏系统输出酒流量阶跃响应对比曲线。
图6 白酒节能蒸馏系统输出酒流量阶跃响应对比
基于果蝇和Ziegler-Nichols算法的节能蒸馏系统阶跃响应性能对比如表4所示。
由表4得出：阶跃响应下，基于果蝇算法比基于Ziegler-Nichols算法，节能蒸馏系统超调量减小了1.41%，调整时间降低了0.449 s，稳态误差减小0.003 L/min。
表4 基于果蝇和Ziegler-Nichols节能蒸馏系统阶跃响应对比
对基于两种算法的白酒节能蒸馏系统输出酒流量控制模型施加1 Hz的正弦信号，得到如图7所示的系统输出酒流量跟踪曲线。
图7 1 Hz正弦信号下的系统输出酒流量跟踪曲线
以最大和平均跟踪误差为性能指标，总结了1 Hz正弦信号下基于两种算法的白酒节能蒸馏系统输出酒流量控制性能，如表5所示。
由表5得出：1 Hz正弦信号下，基于果蝇算法与基于Ziegler-Nichols算法相比，节能蒸馏系统输出酒流量最大跟踪误差减小了0.005 L/min，平均跟踪误差减小了0.008 L/min。
表5 1 Hz正弦响应的系统输出酒流量控制性能
由图7和表5得出：输出酒流量正弦信号激励下，基于果蝇算法和Ziegler-Nichols算法优化的系统跟踪性能均较好。
由Simulink平台的Random Number模块产生1 Hz、2 Hz随机信号，得到如图8所示的基于两种算法的白酒节能蒸馏系统输出酒流量跟踪曲线。
图8 随机信号的白酒节能蒸馏系统输出酒流量跟踪曲线
以响应波动范围为性能指标，总结了1 Hz和2 Hz随机信号下基于两种算法的白酒节能蒸馏系统输出酒流量控制性能，如表6所示。
由表6得出：1 Hz随机信号下，基于果蝇算法与基于Ziegler-Nichols算法相比，节能蒸馏系统输出酒流量响应波动范围缩小了0.071 L/min；
2 Hz随机信号下，节能蒸馏系统输出酒流量响应波动范围缩小了0.027 L/min。
表6 随机信号的输出酒流量响应波动范围
针对白酒节能蒸馏输出酒流量高精度要求，给出了白酒节能蒸馏系统输出酒流量控制机理，对酒流量、压力、反馈元件数学模型进行了搭建，推导了系统输出酒流量相对酒流量调节阀开度的开环传递模型，基于果蝇和Ziegler-Nichols算法进行了PID控制器参数寻优操作，得出以下结论：
(1) 阶跃响应下，基于果蝇算法与基于Ziegler-Nichols算法相比，节能蒸馏系统超调量减小了1.41%，调整时间降低了0.449 s，稳态误差减小0.003 L/min。
(2) 正弦信号激励下，基于果蝇算法和Ziegler-Nichols算法优化的系统跟踪性能均较好。
(3) 随机信号频率增加，基于果蝇算法与基于Ziegler-Nichols算法相比输出酒流量的波动范围较小。
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