转轮分子筛升压过程滑模变结构控制

2018-10-31 10:29李新卫
科教导刊·电子版 2018年27期
关键词:仿真分子筛

李新卫

摘 要 转轮浓缩系统中分子筛的再生是利用压力和温度两方面的因素,将纯化器中的吸附质排出去。为了减少热量损耗和机械疲劳,需要精确控制升压、卸压的速度。这对减小吸附剂受到的冲击,延长吸附剂寿命非常重要。设计了滑模变结构控制器来控制升压的速率。结果表明对分子筛优化控制的引入,减少切换过程的波动,增加系统的稳定性,可以使装置运行更加稳定,起到节能降耗的作用,同时降低操作人员的工作强度。

关键词 分子筛 升压 滑模变结构 仿真

转轮分子筛系统在处理大风量低浓度的废气、连续性操作、效率稳定度、废气排放状况均优于固定床系统,转轮同时亦有低压损、无吸附损耗、极少可移动组件的优点。

分子筛切换过程是造成进入气流波动的主要原因。其控制质量直接影响到设备的稳定运行。随着分子筛工艺的发展,分子筛切换控制方式有曲线控制、压力变化PID控制等。本文在分子筛切换过程中,对上下游工况最大的干扰因素一一升压过程的优化控制进行了研究。

通过滑模变结构控制方案的引入,减少切换过程的波动,增加系统的稳定性,起到节能降耗的作用,同时降低操作人员的工作强度。这种控制策略与其他不同之处在于系统的“结构”并不固定,而是可以在动态过程中,根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化,迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。由于滑动模态可以进行设计与对象参数及扰动无关,这就使得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。

1解决方案分析

转轮浓缩系统中分子筛的再生是利用压力和温度两方面的因素,将纯化器中的吸附质排出去。其再生流程包括:高压隔离、卸压、放空、加热、冷吹、低压隔离、升压、并联几个步骤。为了减少热量损耗和机械疲劳,希望分子筛切换的循环周期尽可能长,而升压和降压时间尽可能短,以减少再生后的等待时间。但气流在分子筛内的穿行速度不能超出一定的允许范围,以减少机械损耗。因此需要精确控制升压、卸压的速度。这对减小吸附剂受到的冲击,延长吸附剂寿命非常重要。

升压是通过开启升压阀来平衡工作状态,并使再生后分子筛均压。在升压前期,由于分子筛升压阀前后压差较大,通过升压阀的空气流量随着阀门的开启快速增加,导致分子筛后的空气流量逐渐下降,此时的空压机入口导叶开启缓慢,无法及时补充这部分的空气流量,造成实际的空气流量低于设定值。在升压的后期,虽然升压阀持续增大,但随分子筛压差逐渐减少,通过升压阀的流量快速下降。空压机入口导叶关闭不及时,导致分子筛后的空气流量快速升高。整个过程中空气的流量波动明显,在-7000~+10000Nm3/h左右,对整个系统有着较大影响。

2转轮分子筛升压过程滑模控制器的设计

对于转轮分子筛升压系统,选取升压阀开启速率为控制对象,压差变化为控制变量。基于转轮分子筛升压过程是一个高度非线性系统,许多非线性因素和不确定参数包含于其中,因此选择滑模变结构控制以增强系统对摄动、不确定性及外部扰动的自适应性。

2.1滑模切换面的设计

转轮分子筛的升压过程可以看作是一阶非线性单输入系统。压力控制的目标是寻找升压阀前后压力的变化规律,使得跟踪压差趋近于零。设置为最佳压差变化率,则就是最佳压差变化率对时间的导数。在本次设计中仅考虑外界温度、湿度等条件恒定的情况,则最佳压压差变化率为常数,所以导数为零。控制器的设计目标是使得系统的状态趋向于。

定義滑模函数: (1)

式中:为设计参数;e为状态偏差量。因为转轮分子筛模型为一阶系统,因此,切换函数为: (2)

在广义滑模条件下按等速趋近率设计的滑模控制器,切换函数应满足

(3)

在满足上式时系统就满足了广义滑模的条件,也就满足了滑模切换面的存在性和可达性。

2.2控制器的切换面可达性分析

等效控制的几何意义在于:在控制面s=0的压差变化是间断的,可能为正,也可能为负。用某种意义下的平均值代替此切换控制,此系统沿着s=0的切换面上走,这样才能保证滑动模态的产生。

忽略系统不确定性和上下游设备产生外部扰动,由系统状态沿着滑动面运动的必要条件,可求得等效压力变化:

(4)

式中:为描述分子筛系统方程里的函数。

等效压差确保系统状态到达滑模面后能够保持在滑模面上,系统的运动规律仅由滑动面动态特性决定,当系统状态不在滑模面上或者系统运动店偏离滑模面时,也就是在滑模面s=0以为,则需要加入一个控制项,使得相轨迹朝着滑模面的方向运动。定义压力差的控制规律为: (5)

式中:sgn为符号函数;K为控制增益。

满足切换面的可达性,必须满足,将式带入下式:

(6)

为了确保切换面的可达性,可以取,其中V0是开始时刻的压力变化速度,则有: (7)

既满足了可达性条件。

用Matlab中 的Simulink模块对系统进行仿真。阶跃信号模拟的是最终压力的维持值。滑模变结构控制其响应特性明显优于传统PID控制,具有较好的鲁棒性。

3结论

通过对分子筛升压过程的描述,分析了分子筛升压过程中的流量波动情况及造成波动的原因。通过对几种常见的优化控制方式的描述,分析了其优缺点。通过对分子筛升压过程中阀门流动特性、流量变化情况的研究,采用滑模变结构控制来对控制系统进行了设计。仿真效果表明新设计的控制器无论动态精度还是稳态性能都取得了较好的控制效果。

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