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摘要： 根据蛋粉加工生产过程特点和控制要求，对核心工艺蛋粉干燥电气控制结构进行设计，从实际应用的角度出发，选择温度控制喷雾压力的最佳协调控制方案，提出采用前馈和反馈复合控制结构，以实现高性能的蛋液压力调节。
关键词： 蛋粉加工核心工艺；蛋粉干燥电气控制结构；前馈+反馈复合控制
中图分类号：TP122文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0620104－02
0 引言
将蛋液加工成蛋粉，其过程是：将蛋液加压后在干燥柜中喷出而呈雾状，利用柜中热干燥空气的高温挥发掉蛋液中的水分，形成蛋粉，其核心工艺流程如图1所示：
图1所示的喷雾干燥过程工艺流程，主要模块有“蛋液储存、热交换蛋液升温、高压均质、温度检测与反馈、雾化喷干、蛋粉收集与外运”。
在该蛋粉生成工艺中，控制蛋粉质量和出粉率的核心问题，是对干燥柜出风口处温度的控制。由于蛋粉加工过程中存在着时滞[1]，原系统中应用的闭环控制回路温度控制器所采用的PID算法在实际运行时，有较大的超调量，动态跟随特性不理想。原因在于系统进风口温度的变化要经过一段较长时间才会反应在出风口温度的变化上来，此时反馈控制器才起作用，而后，还要经过热交换过程的惯性，经过较长时间才会使控制作用在出风口上，这就是导致出风口温度产生较大动态偏差、跟随性能不好、不易稳定的原因。本文的压力温度跟随系统结构设计正是为了解决蛋粉烘干过程工艺的蛋粉干燥度、出粉率以及能耗三元性能指标的最佳协调控制，准确快速实现该控制效果而设计，以提高产品质量。
1 压力跟随温度控制过程
1）出风口温度稳定在Tg，若进风口温度也稳定，其值是170ºC，高压均质机M3输出某一转速N0，喷管中蛋液对应某一固定压力值Pd，蛋液喷出流量Qd一定，蛋液水分蒸发所吸收的热量和进风口空气通过热交换器补充进的热能保持收支平衡，单位时间内出粉量（出粉率）保持恒定。
2）进风口温度高于或低于170ºC时，系统及时自动调节蛋液压力和流量，高压均质机M3转速相应地升高或减少，使蛋液压力Pd和流量Qd跟踪干燥柜温度的变化，以使蛋液水分蒸发所吸收的热量与干燥柜所能提供的热能趋向于平衡，使出粉率增加，使出风口的温度稳定在Tg。
3）当进风口温度稳定在170ºC，而出风口温度偏离设定值Tg时，系统亦及时自动调节蛋液压力和流量，使出风口温度尽快恢复在设定值Tg。
蛋粉加工工艺对控制系统的要求：蛋液压力快速跟随干燥柜温度变化，系统最终控制目标是保持干燥柜出风口温度保持恒定不变，以获得最经济的出粉率和稳定的蛋粉质量。
2 系统控制结构的确定
如果直接根据进风口的温度变化，通过一个前馈调节器立即控制蛋液压力Pd，使蛋液流量Qd产生相应的变化，即在出风口温度尚未变化时，及时对进风口温度变化这个主要干扰[2]进行补偿，使蛋液在干燥柜中，ΔQd所对应的蛋液水分蒸发所需能量和干扰引起的能量变化保持平衡，最终使干燥柜出风口温度保持不变。于是我们采用前馈控制。
同时，我们保留原系统温度、压力双闭环回路[2]，使所有干扰（包括前馈控制剩余误差）对被控变量的综合影响由反馈控制来克服。因此，系统结构图如图2所示。
图2蛋粉加工核心控制系统结构
我们知道，蛋粉加工工艺对控制系统提出的高控制要求，意味着被控变量（出风口温度）在受到主要干扰（进风口温度）后的过程也要始终保证使偏差尽量小，考虑到控制通道的时间常数由于变频器和高压均质机的加入而大于干扰通道的时间常数，于是我们采用动态前馈控制方案。
另外，原系统温控器采用的PID算法，当生产开工、停工时，由于短时间内出现的大偏差，加上系统本身的迟延，在积分项作用下，将引起系统过量的超调和不停地振荡，为此对PID算法采取积分分离的对策，例如，在系统启动的开始阶段偏差较大时，暂时取消积分作用，一旦实测出风口温度接近给定值，偏差小于某一设定值时，再投入积分作用，这样可有效的减小系统过量的超调和不停地振荡。系统框图如图3所示：
图3压力跟随温度控制系统框图
→GC（S）积分分离式PID反馈温控器传递函数；
Gff（S）前馈控制器传递函数；Gp1（S）由变频器、高压均质机构成的交流变频调速系统传递函数；Gp2（S）干燥柜传递函数；Gp3（S）干扰通道传递函数。
压力、温度跟踪系统各环节的传递函数：
1）温控器。采用PID反馈调节器，其传递函数为：
Gc1（s）=K1*[1+1/（Ti1*S）+Td1*S] （1）
2）变频器、高压均质机交流变频调速系统。变频器采用华为TD2000系列变频器，它采用优化的空间电压矢量控制方案，该控制方案使交流变频调速性能的静、动态性能基本上能够与直流调速系统相媲美，其机械特性如图4为：
图4机械特性
因此，我们可以将“变频器、高压均质机交流变频调速系统”看成一个近似的比例环节，如图5所示：
图5特性曲线
其传递函数为：Gp1（S）=K2
3）干燥柜：为一大纯滞后惯性环节，其传递函数为：
Gp2（S）=K3*e-τ3*s/（T3*S+1）
4）干扰通道：
由蛋粉加工工艺环境可知，进风口温度干扰几乎要经过整个干燥柜才会作用在出风口温度的变化上来，因此，干扰通道的传递涵数可近似认为：
Gp3（S）≈ Gp2（S）=K3*e-τ3*s/（T3*S+1）
5）前馈控制器：
→据系统框图，则系统在干扰作用下的系统传递函数为：
由不变性条件：F（S）≠0，To≡0，则得：
Gff（S）=-Gp3（S）/[Gp1（S）*Gp2（S）]=-1/K2
这说明我们只需设计一个比例调节器作为前馈控制器即可，但实际上，我们在推导上式时，成立的前提是Gp1（S）=K2，而这个结论是在作了一定的假设、忽略了一定的参数之后得出的，并且要求该串级控制的“变频器、高压均质机交流变频空间电压矢量控制副回路”的随动性能良好，因此，我们在实际应用中，采用一个带有三个可调参数的“动态前馈控制器”，以提高其控制精度和调试成功率，其传递函数为：
Gff（S）=-K4*（T4*S+1）/（T5*S+1）
综上所述，系统的控制结构如图6所示：
图6系统的控制结构
由上图可见，原前馈串级控制转化为前馈反馈控制系统。
3 结论
通过对蛋粉加工核心工艺压力跟随温度控制系统的结构设计，实际运行效果良好，很好地解决了蛋粉烘干过程系统的蛋粉干燥度、出粉率以及能耗三元性能指标的最佳协调控制，提高了产品质量，实现高效节能。
参考文献：
[1]薛美盛等，工业过程的先进控制[J].化工自动化及仪表，2002，Vol.29（2）.
[2]宋延民，蛋粉加工的电气控制系统[J].天津：电气传动，2002（4）.
关键词： 蛋粉加工核心工艺；蛋粉干燥电气控制结构；前馈+反馈复合控制
中图分类号：TP122文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0620104－02
0 引言
将蛋液加工成蛋粉，其过程是：将蛋液加压后在干燥柜中喷出而呈雾状，利用柜中热干燥空气的高温挥发掉蛋液中的水分，形成蛋粉，其核心工艺流程如图1所示：
图1所示的喷雾干燥过程工艺流程，主要模块有“蛋液储存、热交换蛋液升温、高压均质、温度检测与反馈、雾化喷干、蛋粉收集与外运”。
在该蛋粉生成工艺中，控制蛋粉质量和出粉率的核心问题，是对干燥柜出风口处温度的控制。由于蛋粉加工过程中存在着时滞[1]，原系统中应用的闭环控制回路温度控制器所采用的PID算法在实际运行时，有较大的超调量，动态跟随特性不理想。原因在于系统进风口温度的变化要经过一段较长时间才会反应在出风口温度的变化上来，此时反馈控制器才起作用，而后，还要经过热交换过程的惯性，经过较长时间才会使控制作用在出风口上，这就是导致出风口温度产生较大动态偏差、跟随性能不好、不易稳定的原因。本文的压力温度跟随系统结构设计正是为了解决蛋粉烘干过程工艺的蛋粉干燥度、出粉率以及能耗三元性能指标的最佳协调控制，准确快速实现该控制效果而设计，以提高产品质量。
1 压力跟随温度控制过程
1）出风口温度稳定在Tg，若进风口温度也稳定，其值是170ºC，高压均质机M3输出某一转速N0，喷管中蛋液对应某一固定压力值Pd，蛋液喷出流量Qd一定，蛋液水分蒸发所吸收的热量和进风口空气通过热交换器补充进的热能保持收支平衡，单位时间内出粉量（出粉率）保持恒定。
2）进风口温度高于或低于170ºC时，系统及时自动调节蛋液压力和流量，高压均质机M3转速相应地升高或减少，使蛋液压力Pd和流量Qd跟踪干燥柜温度的变化，以使蛋液水分蒸发所吸收的热量与干燥柜所能提供的热能趋向于平衡，使出粉率增加，使出风口的温度稳定在Tg。
3）当进风口温度稳定在170ºC，而出风口温度偏离设定值Tg时，系统亦及时自动调节蛋液压力和流量，使出风口温度尽快恢复在设定值Tg。
蛋粉加工工艺对控制系统的要求：蛋液压力快速跟随干燥柜温度变化，系统最终控制目标是保持干燥柜出风口温度保持恒定不变，以获得最经济的出粉率和稳定的蛋粉质量。
2 系统控制结构的确定
如果直接根据进风口的温度变化，通过一个前馈调节器立即控制蛋液压力Pd，使蛋液流量Qd产生相应的变化，即在出风口温度尚未变化时，及时对进风口温度变化这个主要干扰[2]进行补偿，使蛋液在干燥柜中，ΔQd所对应的蛋液水分蒸发所需能量和干扰引起的能量变化保持平衡，最终使干燥柜出风口温度保持不变。于是我们采用前馈控制。
同时，我们保留原系统温度、压力双闭环回路[2]，使所有干扰（包括前馈控制剩余误差）对被控变量的综合影响由反馈控制来克服。因此，系统结构图如图2所示。
图2蛋粉加工核心控制系统结构
我们知道，蛋粉加工工艺对控制系统提出的高控制要求，意味着被控变量（出风口温度）在受到主要干扰（进风口温度）后的过程也要始终保证使偏差尽量小，考虑到控制通道的时间常数由于变频器和高压均质机的加入而大于干扰通道的时间常数，于是我们采用动态前馈控制方案。
另外，原系统温控器采用的PID算法，当生产开工、停工时，由于短时间内出现的大偏差，加上系统本身的迟延，在积分项作用下，将引起系统过量的超调和不停地振荡，为此对PID算法采取积分分离的对策，例如，在系统启动的开始阶段偏差较大时，暂时取消积分作用，一旦实测出风口温度接近给定值，偏差小于某一设定值时，再投入积分作用，这样可有效的减小系统过量的超调和不停地振荡。系统框图如图3所示：
图3压力跟随温度控制系统框图
→GC（S）积分分离式PID反馈温控器传递函数；
Gff（S）前馈控制器传递函数；Gp1（S）由变频器、高压均质机构成的交流变频调速系统传递函数；Gp2（S）干燥柜传递函数；Gp3（S）干扰通道传递函数。
压力、温度跟踪系统各环节的传递函数：
1）温控器。采用PID反馈调节器，其传递函数为：
Gc1（s）=K1*[1+1/（Ti1*S）+Td1*S] （1）
2）变频器、高压均质机交流变频调速系统。变频器采用华为TD2000系列变频器，它采用优化的空间电压矢量控制方案，该控制方案使交流变频调速性能的静、动态性能基本上能够与直流调速系统相媲美，其机械特性如图4为：
图4机械特性
因此，我们可以将“变频器、高压均质机交流变频调速系统”看成一个近似的比例环节，如图5所示：
图5特性曲线
其传递函数为：Gp1（S）=K2
3）干燥柜：为一大纯滞后惯性环节，其传递函数为：
Gp2（S）=K3*e-τ3*s/（T3*S+1）
4）干扰通道：
由蛋粉加工工艺环境可知，进风口温度干扰几乎要经过整个干燥柜才会作用在出风口温度的变化上来，因此，干扰通道的传递涵数可近似认为：
Gp3（S）≈ Gp2（S）=K3*e-τ3*s/（T3*S+1）
5）前馈控制器：
→据系统框图，则系统在干扰作用下的系统传递函数为：
由不变性条件：F（S）≠0，To≡0，则得：
Gff（S）=-Gp3（S）/[Gp1（S）*Gp2（S）]=-1/K2
这说明我们只需设计一个比例调节器作为前馈控制器即可，但实际上，我们在推导上式时，成立的前提是Gp1（S）=K2，而这个结论是在作了一定的假设、忽略了一定的参数之后得出的，并且要求该串级控制的“变频器、高压均质机交流变频空间电压矢量控制副回路”的随动性能良好，因此，我们在实际应用中，采用一个带有三个可调参数的“动态前馈控制器”，以提高其控制精度和调试成功率，其传递函数为：
Gff（S）=-K4*（T4*S+1）/（T5*S+1）
综上所述，系统的控制结构如图6所示：
图6系统的控制结构
由上图可见，原前馈串级控制转化为前馈反馈控制系统。
3 结论
通过对蛋粉加工核心工艺压力跟随温度控制系统的结构设计，实际运行效果良好，很好地解决了蛋粉烘干过程系统的蛋粉干燥度、出粉率以及能耗三元性能指标的最佳协调控制，提高了产品质量，实现高效节能。
参考文献：
[1]薛美盛等，工业过程的先进控制[J].化工自动化及仪表，2002，Vol.29（2）.
[2]宋延民，蛋粉加工的电气控制系统[J].天津：电气传动，2002（4）.