CN106950832A - 一种利用空化强度反馈的超声分散控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用空化强度反馈的超声分散控制装置及方法，其中装置部分，包括控制器、超声波电源、超声空化强度测量仪、换能器和超声振子；所述的控制器的控制信号端与超声波电源的控制信号输入端连接，超声波电源的电源输出端与每个换能器的电源输入端连接，每个换能器的信号输出端接超声振动子，超声振动子插入到化学超声反应釜中，超声空化强度测量仪设置在化学超声反应釜中，化学超声反应釜的信号输出端接控制器的信号输入端；本发明更能适应工业现场负荷变化大、干扰多的特点，具有控制效果好，输出产量稳定等优点。同时本技术具有设计合理、操作简单、可靠性高、效率高等优点。

Description

一种利用空化强度反馈的超声分散控制装置及方法

技术领域

本发明属于超声波领域，具体涉及一种利用空化强度反馈的超声分散控制方法。

背景技术

近年来，声化学在诸如中药提取、矿浆浸取、液体处理、分散、乳化等领域有着广泛的应用。国内外的研究成果表明，超声振动系统的频率、振幅、作用时间、作用周期等对声化学的效果有着极大的影响，声化学的空化效果存在着一个最佳的工作状态。此外工业现场的温度、流量、液位、浓度、压力、成份等参数均存在较大的不确定性，以及国内在超声振动材料上存在的工艺稳定性差等问题，传统的声化学控制过程由操作员一次设定超声电源的振幅控制值，并没有与声化学实际控制效果构成反馈，很容易造成能源浪费或产率不稳；且所采用的控制策略无法适应现场负荷变化大的现象，容易造成功率控制不稳定、空化效果波动剧烈等情况，从而导致产品质量不稳定，难以充分发挥声化学的效果。

目前在声化学控制系统中，其控制模式基本采取如图2(a)、图2(b)所示的方式，一般进行的均是与反应指标无关的、开环的、粗放式的控制方案。其主要原因为：1)没有直接的产额检测方法；2)即便是可以通过检测反应装置的声场分布来间接的反映产额，现有的超声振动系统也没有形成闭环的控制方案；仍然集中在超声振动系统自身的振幅控制上；3)现有的超声振动系统在振幅的闭环控制策略也比较粗放，控制精度低。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种利用空化强度反馈的超声分散控制装置及方法；

一种利用空化强度反馈的超声分散控制装置，包括控制器、超声波电源、超声空化强度测量仪、换能器和超声振动子；

所述的控制器的控制信号端与超声波电源的控制信号输入端连接，超声波电源的电源输出端与每个换能器的电源输入端连接，每个换能器的信号输出端接超声振动子，超声振动子插入到化学超声反应釜中，超声空化强度测量仪设置在化学超声反应釜中，化学超声反应釜的信号输出端接控制器的信号输入端；

一种利用空化强度反馈的超声分散控制方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：超声波空化强度检测仪基于水听器的方法进行空化强度的检测，超声波空化强度测量仪将检测出的超声空化强度作为外环反馈信号提供给控制器。

步骤二：控制器基于如下控制算法进行运算，输出设定振幅信号Asp给驱动电源。

E₀＝f(R)-H

Asp＝Kp₀*E₀+Ki₀*Sum(E₀)

其中R为功率超声系统所希望的产率，f为基于离线方式获取的产率与空化强度的关系函数，H为上述的外环反馈信号。Kp₀为比例系数，Ki₀为积分系数。sum(x)为过去一段时间内x的累积和函数，E₀为空化强度偏差，Sum(E₀)为过去一段时间内E₀的累积和。

步骤三：超声驱动电源接收来自控制器的振幅设定信号以及来自换能器的电流反馈和相位反馈信号，依照如下控制算法输出驱动电压的幅值和频率。

频率控制算法如下：

其中，freq_out为输出驱动电压的频率，Kp₁为比例系数，Δ_phase为相位反馈信号。

同时在实施过程中，为避免频率调整幅度过大进入正反馈区域，当连续调整三次频率后，若此时检测出的相位仍没有变小，则将系统输出频率恢复为调整前的值，重新进行跟频。

振幅控制算法如下：

首先从获取的离线数据中基于最小二乘或神经网络获得换能器端电流与振幅的软测量函数g.

然后在线检测换能器端电流I,计算设定振幅与计算振幅的偏差E₁

E₁＝Asp-g(I)

再次根据比例积分方法输出系统占空比U

U＝Kp₂*E₁+Ki₁*sum(E₁)

其中Kp₂为比例系数，Ki₁为积分系数。

步骤四：换能器接收到驱动电源的驱动电压后，产生高频机械振动，从而经振动子在反应装置内产生空化效果，从而使反应产率达到期望的值。

本技术的主要有益效果：

本技术的主要贡献是利用本技术所示的检测和控制方法可以实现对超声波空化效果的实时在线控制，比起传统的开环控制而言，更能适应工业现场负荷变化大、干扰多的特点，具有控制效果好，输出产量稳定等优点。同时本技术具有设计合理、操作简单、可靠性高、效率高等优点。

附图说明

图1为本发明的装置的结构示意图；

图2(a)为声化学控制系统常规控制方案1；

图2(b)为声化学控制系统常规控制方案2；

图3为本技术的声化学闭环智能控制方案。

具体实施方式

如图1所示，一种利用空化强度反馈的超声分散控制装置，包括控制器、超声波电源、超声空化强度测量仪、换能器和超声振动子；

所述的控制器的控制信号端与超声波电源的控制信号输入端连接，超声波电源的电源输出端与每个换能器的电源输入端连接，每个换能器的信号输出端接超声振动子，超声振动子插入到化学超声反应釜中，超声空化强度测量仪设置在化学超声反应釜中，化学超声反应釜的信号输出端接控制器的信号输入端；

如图3所示，一种利用空化强度反馈的超声分散控制方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：超声波空化强度检测仪基于水听器的方法进行空化强度的检测，超声波空化强度测量仪将检测出的超声空化强度作为外环反馈信号提供给控制器。

步骤二：控制器基于如下控制算法进行运算，输出设定振幅信号Asp给驱动电源。

E₀＝f(R)-H

Asp＝Kp₀*E₀+Ki₀*Sum(E₀)

其中R为功率超声系统所希望的产率，f为基于离线方式获取的产率与空化强度的关系函数，H为上述的外环反馈信号。Kp₀为比例系数，Ki₀为积分系数。sum(x)为过去一段时间内x的累积和函数，E₀为空化强度偏差，Sum(E₀)为过去一段时间内E₀的累积和。

步骤三：超声驱动电源接收来自控制器的振幅设定信号以及来自换能器的电流反馈和相位反馈信号，依照如下控制算法输出驱动电压的幅值和频率。

频率控制算法如下：

其中，freq_out为输出驱动电压的频率，Kp₁为比例系数，Δ_phase为相位反馈信号。

同时在实施过程中，为避免频率调整幅度过大进入正反馈区域，当连续调整三次频率后，若此时检测出的相位仍没有变小，则将系统输出频率恢复为调整前的值，重新进行跟频。

振幅控制算法如下：

首先从获取的离线数据中基于最小二乘或神经网络获得换能器端电流与振幅的软测量函数g.

然后在线检测换能器端电流I,计算设定振幅与计算振幅的偏差E₁；

E₁＝Asp-g(I)

再次根据比例积分方法输出系统占空比U

U＝Kp₂*E₁+Ki₁*sum(E₁)

其中Kp₂为比例系数，Ki₁为积分系数。

步骤四：换能器接收到驱动电源的驱动电压后，产生高频机械振动，从而经振动子在反应装置内产生空化效果，从而使反应产率达到期望的值。

Claims (2)

1.一种利用空化强度反馈的超声分散控制装置，其特征在于：包括控制器、超声波电源、超声空化强度测量仪、换能器和超声振动子；

所述的控制器的控制信号端与超声波电源的控制信号输入端连接，超声波电源的电源输出端与每个换能器的电源输入端连接，每个换能器的信号输出端接超声振动子，超声振动子插入到化学超声反应釜中，超声空化强度测量仪设置在化学超声反应釜中，化学超声反应釜的信号输出端接控制器的信号输入端。

2.根据权利要求1所述的一种利用空化强度反馈的超声分散控制装置的控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：超声波空化强度检测仪基于水听器的方法进行空化强度的检测，超声波空化强度测量仪将检测出的超声空化强度作为外环反馈信号提供给控制器；

步骤二：控制器基于如下控制算法进行运算，输出设定振幅信号Asp给驱动电源；

E₀＝f(R)-H

Asp＝Kp₀*E₀+Ki₀*Sum(E₀)

其中R为功率超声系统所希望的产率，f为基于离线方式获取的产率与空化强度的关系函数，H为上述的外环反馈信号；Kp₀为比例系数，Ki₀为积分系数；sum(x)为过去一段时间内x的累积和函数，E₀为空化强度偏差，Sum(E₀)为过去一段时间内E₀的累积和；

步骤三：超声驱动电源接收来自控制器的振幅设定信号以及来自换能器的电流反馈和相位反馈信号，依照如下控制算法输出驱动电压的幅值和频率；

频率控制算法如下：

其中，freq_out为输出驱动电压的频率，Kp₁为比例系数，Δ_phase为相位反馈信号；

同时在实施过程中，为避免频率调整幅度过大进入正反馈区域，当连续调整三次频率后，若此时检测出的相位仍没有变小，则将系统输出频率恢复为调整前的值，重新进行跟频；

振幅控制算法如下：

首先从获取的离线数据中基于最小二乘或神经网络获得换能器端电流与振幅的软测量函数g；

然后在线检测换能器端电流I,计算设定振幅与计算振幅的偏差E₁

E₁＝Asp-g(I)

再次根据比例积分方法输出系统占空比U

U＝Kp₂*E₁+Ki₁*sum(E₁)

其中Kp₂为比例系数，Ki₁为积分系数；

步骤四：换能器接收到驱动电源的驱动电压后，产生高频机械振动，从而经振动子在反应装置内产生空化效果，从而使反应产率达到期望的值。