脉冲萃取柱界面控制方法研究

摘    要：为了解决核燃料后处理用脉冲萃取柱原单回路PID控制方法致使界面滞后的问题，提出一种加入延时开关的前馈-反馈控制方法，将萃取柱水相入口流量作为干扰量适时引入前馈通道，改善了界面调节滞后的问题，提升了控制品质。

关键词：前馈-反馈控制;核燃料后处理;脉冲萃取柱;堆栈;

脉冲萃取柱是基于普雷克斯（Purex）流程的核燃料后处理溶剂萃取的最关键设备。柱式萃取具有容易保证临界安全、处理能力大、排污容易、达到平衡时间短、料液停留时间短、占地面积小及封闭性能好等优点。但该厂核燃料后处理用脉冲萃取柱原单回路PID控制方法致使界面控制滞后，为了解决这个问题，笔者基于脉冲萃取柱的界面参数，提出采用改进的前馈-反馈控制方法加以改善。

1 两相界面控制原理

以相界面高度Y为测量值，以指定相界面高度Yr为设定值，控制器的输出设为u，水相出口流量设为Qo，柱相界面上方重相下落流量设为Qi，脉冲萃取柱进料流量设为Qa，当脉冲萃取柱正常运行时，Qi≈Qa。

对于界面控制，存在2个目标函数：1） 界面位置Y的调节;2） 界面移动速度v的调节。界面调节的目标是界面位置Y处于所设定的Yr，且此时界面移动速度v为零，这时，脉冲萃取柱的两相界面将保证恒定。

1.1 界面控制策略的选择

当有机相连续、界面的位置过低（Y<Yr）、v方向向下时，界面位置的运动则远离所设定值。同样，界面位置过高（Y>Yr）、v方向向上时，界面位置的运动也远离所设定值。因此，在界面调节过程时，所采取的策略是应先保证界面位置达到所设定值后，在设定的界面位置附近再进一步对界面移动速度进行调节和控制。

1.2 界面控制原理

在核化工实际生产过程中，脉冲萃取柱水相出口流量的控制一般采用3种方式：1） 对于放射性水平较低的场合，采用远距离控制的计量泵来完成，通过调节计量泵电机的转速和冲程大小来控制流量，一般在其使用范围内，输出流量与控制信号有良好线性关系;2） 可采用气动阀，输出流量与控制信号的关系曲线分为死区、线性区和饱和区3部分，实际应用中只选择在线性区内操作;3） 对于放射性水平较高的场所，选择气体提升泵来完成此项任务，根据以往的研究结果，使用时也选择控制量和输送液体流量的线性操作区进行工作。因此，水相出口流量Qo与控制器输出的信号值u之间的关系为：

Qo=ku+b （1）o=+ （1）

其中：b和k为控制系统常量。

由脉冲萃取柱下澄清段的物料衡算可知：

v=dYdt=Qi−QoS=v¯a−vo （2）=dd=i-o=¯a-o （2）

其中：S为下澄清段的有效截面积;v¯a=Q¯¯¯a/S¯a=¯a/;vo=Qo/S。

由式（1）可知，Qo是u的单调函数，当进入脉冲萃取柱的流量恒定情况下，由式（2）进一步可知v是u的单调函数。根据u（t）和v（t）的单值映射关系，将研究u（t）的问题可转为研究运动学v（t）的问题。

根据界面控制策略，在控制方式上，选择首先对界面位置的调节，达到所设定位置时，确保与开始调节时的初始速度相同;在所设定的界面位置附近，经速度调节后，相界面位置不发生改变。

1.3 非理想系统分析

（1） 控制信号增幅受限

对于控制信号增幅受限，最大增幅等于dumax情况下，对界面位置调节无影响;对于速度调节从vA到0的过程，由于过程需要时间，在这段时间内，相界面将移动一小段距离s，在调节过程中的调节信号总是取最大增幅的情况下，s=v2A/2dumax，在新的位置速度初始为0，再经1次位移调节即可达到并停止在目的位置。即对于控制信号增幅受限的系统，至多只需2次即可达到目的，过程不需设置特别的参数。

（2） 测量误差的影响

随机误差对位移的影响可以忽略。由于水相出口流量Qo与控制器输出的信号值u之间的线性关系，历史数据中包含的随机误差对线性拟合影响也很小，求得的u较为准确。但随机误差影响最终控制质量，如果不对随机扰动采取措施，相界面频繁波动，将降低最终控制质量。本工作采用模糊控制方式处理最终的随机干扰。由于随机干扰量为小量，模糊控制具备鲁棒性强的特点，将其参数设置成控制器输出对测量量响应较温和，即可有效处理随机干扰，此设置方式不需严格的参数整定。

2 萃取柱存在的问题

目前，后处理厂对脉冲萃取柱界面控制采用的是PID控制负反馈调节方式，控制效果滞后现象严重，超调波动性较大。工艺运行时，多个脉冲萃取柱按照串联的方式布置，在调试过程中，个别萃取柱的界面人工调节困难，稳定性较差会导致后续的调节过程困难，稳定性差，界面波动较大，严重时引起泛液，降低萃取效果。

对工艺运行会有以下影响：

（1）调节误差过大，引起泛液，降低萃取效果；

（2）稳定性差，界面波动较大；

（3）界面波动较大时，需手动干预。

综上所述，考虑到后处理脉冲萃取柱界面控制中可供输入参数的有限性、参数的准确性不足等因素，本文的目的是需要设计一种适合后处理脉冲萃取柱的界面控制方法，从而降低操作员人为干预频次，缩短界面的调节时间，增强界面的稳定性，进而提高元素的传质效率，提升产品合格率，减少人为干预，保证生产进度。

3 一种改进的前馈-反馈控制方法

针对界面控制存在的问题，笔者提出一种新的界面控制方法。

萃取柱上扩大段水相入口进料量的改变是由于水相供料的流量发生变化，而该改变发生时，控制系统可以立刻检测到，因此可以将水相供料流量作为干扰通道，在其影响到主要被控变量———界面之前，预先进行补偿，也即增加前馈通道。

萃取柱内两相的密度不同，有机相密度约为0.8g/cm3，水相密度约为1.1g/cm3，当变化流量的水相进入萃取柱柱体（去除上、下扩大段的窄段）时，柱重将会增大，而一旦柱重增加，表明水相已经从上扩大段下落至柱体部分（正常运行时，没有其他扰动导致柱重增加，因此柱重增加必为水相入口变化导致），设定此时为前馈作用的起始时刻，即延时开关K的接通时刻。

当延时开关K接通时，控制系统实时采集来的萃取柱水相入口二级空气提升流量可能已经发生变化，而前馈控制应该依据的是当初的流量改变，因此须存储一定时间的数据。为保证采样率，控制周期设定为250ms。

此时尚需查找引起柱重变化（延时开关K接通）的二级空气提升流量变化的时间，该流量在控制模型中被定义为干扰，而在实际工况中该干扰是人为施加的（操作员改变萃取柱水相入口二级空气提升流量设定值），因此该值很容易查找到，同时也找到了流量改变对应的时间tm。

系统运行时，反馈控制使用当前测量值，而前馈控制在延时开关K接通时，使用流量改变对应的时间tm开始的堆栈区的流量值。

延时开关K接通后，当平均后的柱重值Wt在一定时间内不再增加、趋于稳定时（判断堆栈区中柱重的变化），将延时开关K断开，即断开前馈通道，等待下一次扰动的来临。

结论

在前馈补偿控制器数学模型与模糊控制器数学模型建立后，离散化数学模型，编制控制程序。由于前馈补偿+模糊控制+反馈控制系统方案没有对原系统的PID控制进行改动，理论上不会引入控制风险。

为确保完成的控制程序的可靠性，可首先在中试厂已经开发完成的乏燃料后处理培训用模拟机中应用。因为模拟机控制程序采用虚拟实物的方式仿真，其结构与算法均与中试厂正在运行的控制系统完全一致。因此，后续可通过验证完成控制程序的可靠性，来确认控制程序的准确性和精确性，以确保程序的安全和可靠。

参考文献

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