一种超临界萃取过程温度和压力的精准控制方法

摘要

本发明公开了一种超临界萃取过程温度和压力的精准控制方法，该方法针对二氧化碳超临界萃取过程温度和压力具有非线性、强耦合及干扰不可测，且对温度和压力控制精度要求高的特点，在深入分析萃取过程机理的基础上，建立了萃取过程的部分数学模型，基于模型，采用多变量推理控制方法控制萃取过程中萃取釜内的温度和压力，该方法不但实现了萃取过程温度和压力之间的解耦，而且实现了设定值扰动下的完全跟踪和不可测扰动下的完全补偿，提高了萃取过程温度和压力控制精度和物质的萃取率，提高了经济效益。

主权项

一种超临界萃取过程温度和压力的精准控制方法，该方法是：(一)、针对萃取釜的温度和压力进行控制，首先对其进行精确提取；根据工艺要求，测量萃取釜内温度的传感器安装在萃取釜循环热水夹套内；测量萃取釜内压力的传感器安装在超临界二氧化碳流体进入萃取釜入口处管道内；(二)、萃取斧内温度的升降所需的热量是通过萃取釜夹套里的循环热水提供的，而循环热水则由热水箱里电热管加热，再通过热力循环泵提供萃取釜夹套里的热水并进行循环的，加热管用固态继电器控制通断，根据温度传感器测量的实时数据，通过控制器对加热管的加热时间进行自动调节；萃取釜内压力是通过变频器控制柱塞泵转速对二氧化碳加压来进行控制，当压力传感器测量得到压力数据后，将这些数据输送到控制器中，与预先设定好的压力值比较后做分析运算处理，经过运算输出信号来控制变频器，进而控制柱塞泵电机转速，从而达到增压或减压的目的；(三)、整个系统由计算机自动控制，系统由多变量推理控制部分、过程部分、过程部分数学模型及不可测扰动部分组成，其中的多变量推理控制部分采用V规范型推理控制器G_iv(s)；过程部分是由加热管通断时间m₁对萃取釜温度的影响关系通道、加热管通断时间m₁对萃取釜压力的影响关系通道、泵转速m₂对萃取釜内温度的影响关系通道以及泵转速m₂对萃取釜内压力的影响关系通道构成；过程部分数学模型是由加热管通断时间m₁对萃取釜温度的影响关系通道的数学模型、加热管通断时间m₁对萃取釜压力的影响关系通道的数学模型、泵转速m₂对萃取釜内温度的影响关系通道的数学模型以及泵转速m₂对萃取釜内压力的影响关系通道的数学模型构成；不可测扰动部分由二氧化碳汽化吸收热量或液化放出的热量d₁和电网电压波动对泵转速的影响d₂构成。系统引入萃取过程中加热管通断时间m₁对萃取釜温度和压力的影响关系通道及增压泵转速m₂对萃取釜温度和压力的影响关系通道的数学模型传递函数矩阵为：$\hat{G}\left(s\right)=\left[\begin{array}{cc}{\hat{g}}_{11}\left(s\right)e^{-{\hat{\tau }}_{11}s}& {\hat{g}}_{12}\left(s\right)e^{-{\hat{\tau }}_{12}s}\\ {\hat{g}}_{21}\left(s\right)e^{-{\hat{\tau }}_{21}s}& {\hat{g}}_{22}\left(s\right)e^{-{\hat{\tau }}_{22}s}\end{array}\right]$设计多变量V规范型推理控制器为：$G_{i\bar{\nu }}\left(s\right)=\left[\begin{array}{cc}{g}_{iv11}\left(s\right)& g_{iv12}\left(s\right)\\ g_{iv21}\left(s\right)& g_{iv22}\left(s\right)\end{array}\right]$由图1得，$\left\{\begin{array}{c}{m}_1\left(s\right)=\left(e_1\right(s)+g_{iv21}\left(s\right)m_2\left(s\right))g_{iv11}\left(s\right)\\ m_2\left(s\right)=\left(e_2\right(s)+g_{iv12}\left(s\right)m_1\left(s\right))g_{iv22}\left(s\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$整理后，有$m\left(s\right)={\left[\begin{array}{cc}{g^{-1}}_{iv11}\left(s\right)& -g_{iv12}\left(s\right)\\ -g_{iv21}\left(s\right)& {g^{-1}}_{iv22}\left(s\right)\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{e}_1\left(s\right)\\ e_2\left(s\right)\end{array}\right]=G_{iv}^{-1}\left(s\right)e\left(s\right)---\left(2\right)$由图1及式(2)可得Y(s)＝G(s)G^‑1_iv(s)e(s)+d(s)   (3)其中$Y\left(s\right)=\left[\begin{array}{c}{y}_1\left(s\right)\\ y_2\left(s\right)\end{array}\right]$$m\left(s\right)=\left[\begin{array}{c}{e}_1\left(s\right)\\ e_2\left(s\right)\end{array}\right]$$d\left(s\right)=\left[\begin{array}{c}{d}_1\left(s\right)\\ d_2\left(s\right)\end{array}\right]$由图1和式(3)可得：当所建数学模型完全准确，即并且时，在设定值r₁和r₂作用下输出Y(s)＝r(s)，即，y₁＝r₁、y₂＝r₂，实现了设定值扰动作用下的完全跟踪；在过程不可测扰动d₁和d₂作用下，输出Y(s)＝0，即，y₁＝0,y₂＝0，实现了不可测扰动作用下的完全补偿；此时，推理控制器$G_{iv}\left(s\right)=\hat{G}\left(s\right),$即$\left\{\begin{array}{c}{g}_{iv11}\left(s\right)=1/g_{11}\left(s\right)e^{-{\tau }_{11}s}\\ g_{iv12}\left(s\right)=-g_{12}\left(s\right)e^{-{\tau }_{12}s}\\ g_{iv21}\left(s\right)=-g_{21}\left(s\right)e^{-{\tau }_{21}s}\\ g_{iv22}\left(s\right)=1/g_{22}\left(s\right)e^{-{\tau }_{22}s}\end{array}\right.$因此，针对二氧化碳超临界萃取生产工艺过程，采用多变量推理控制方法控制萃取釜内温度和压力，不但实现了超临界萃取过程中温度和压力的解耦，而且可以实现设定值扰动作用下的完全跟踪和不可测扰动作用下的完全补偿；其中：——多变量V规范型推理控制器矩阵(2*2矩阵)；——超临界萃取过程数学模型矩阵(2*2矩阵)；G(s)——超临界萃取过程矩阵(2*2矩阵)；——加热管的通断时间m₁对萃取釜内温度的影响关系通道数学模型；——增压泵泵转速m₂对萃取釜内温度的影响关系通道数学模型；——加热管的通断时间m₁对萃取釜内压力的影响关系通道数学模型；——增压泵转速m₂对萃取釜内压力的影响关系通道数学模型；——加热管的通断时间m₁对萃取釜内温度的影响关系通道；——增压泵泵转速m₂对萃取釜内温度的影响关系通道——加热管的通断时间m₁对萃取釜内压力的影响关系通道；——增压泵转速m₂对萃取釜内压力的影响关系通道r₁——系统温度设定值；r₂——系统压力设定值；e₁——系统温度偏差值；e₂——系统压力偏差值；y₁——萃取釜内实际温度；y₂——萃取釜内实际压力；d₁——二氧化碳气化吸收或液化放出的热量；d₂——电网电压波动对泵转速的影响；m₁——加热管通断时间；m₂——增压泵转速。