本發(fā)明涉及煙草行業(yè)，特別是一種基于預(yù)測(cè)pi控制系統(tǒng)的片煙含水率控制方法。

背景技術(shù)：

在片煙生產(chǎn)過(guò)程中，預(yù)處理工藝是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，該生產(chǎn)工藝段實(shí)現(xiàn)的最主要功能是對(duì)打葉復(fù)烤葉前的煙葉進(jìn)行增穩(wěn)正式處理，使片煙的溫度，濕度值達(dá)到規(guī)定的工藝技術(shù)指標(biāo)。

滾筒式潤(rùn)葉機(jī)控制目前最大的問(wèn)題就是出口水分不夠穩(wěn)定，潤(rùn)葉過(guò)程的大滯后和不確定性使得對(duì)片煙含水率難以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的智能調(diào)節(jié)。在早期的控制中，主要依賴人工的手動(dòng)調(diào)節(jié)—手動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽閥門(mén)開(kāi)度控制水分的變化。這樣煙葉的潤(rùn)葉質(zhì)量直接與操作員有關(guān)，手操作員經(jīng)驗(yàn)、疲勞程度、主觀因素影響較大，因此在潤(rùn)葉過(guò)程中常常出現(xiàn)煙葉質(zhì)量不穩(wěn)定現(xiàn)象，控制效果因人而異?，F(xiàn)階段主要采用的控制方式為傳統(tǒng)的pid控制，pid控制時(shí)過(guò)程控制中最為經(jīng)典的控制方法，pid調(diào)節(jié)器或其改進(jìn)型在化工、冶金、機(jī)械和電力等工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域中普遍應(yīng)用。但是，在片煙含水率控制過(guò)程當(dāng)中，由于片煙來(lái)料的牌號(hào)變化、滯后性、檢測(cè)干擾、環(huán)境參數(shù)變化以及水、料流量波動(dòng)的影響，仍然會(huì)造成控制精度偏低，控制效果往往還不急人工操作效果，因此傳統(tǒng)的pid控制算法亟待改善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)所提到的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于預(yù)測(cè)pi控制系統(tǒng)的片煙含水率控制方法，步驟包括：

1)所述預(yù)測(cè)pi控制系統(tǒng)獲取潤(rùn)葉筒內(nèi)片煙的水分值、進(jìn)料流量信號(hào)和潤(rùn)葉筒內(nèi)溫度值；

2)所述預(yù)測(cè)pi控制系統(tǒng)根據(jù)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)進(jìn)行比較分析，調(diào)節(jié)水閥、蒸汽閥的開(kāi)度以使所述潤(rùn)葉筒出口水分值滿足要求，所述調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)為：

其中具有pi控制器的結(jié)構(gòu)特征，為在τ時(shí)刻系統(tǒng)的輸出預(yù)期值是基于時(shí)間區(qū)域(t-τ，t)的控制作用，e(s)為偏差信號(hào)，k為初始增益，t為時(shí)間常數(shù)，e^-τs為延遲環(huán)節(jié)。

優(yōu)選方案是：所述預(yù)測(cè)pi控制系統(tǒng)由潤(rùn)葉筒、排潮系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、儲(chǔ)水罐、管路系統(tǒng)組成。

優(yōu)選方案是：所述潤(rùn)葉筒的前后區(qū)域分別設(shè)置水閥和蒸汽閥，所述儲(chǔ)水罐中的水經(jīng)過(guò)所述管路系統(tǒng)及所述水閥噴入所述潤(rùn)葉筒內(nèi)，對(duì)片煙加濕。

優(yōu)選方案是：預(yù)測(cè)pi控制系統(tǒng)算法模型包括：

1)設(shè)定預(yù)測(cè)pi控制器的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

其中g(shù)c(s)為預(yù)測(cè)pi控制器的傳遞函數(shù)；gp(s)為被控對(duì)象的傳遞函數(shù)；

2)設(shè)定所述被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為：

其中k為初始增益，t為時(shí)間常數(shù)，e^-τs為延遲環(huán)節(jié)；

3)設(shè)定所述預(yù)測(cè)pi控制器的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

其中α為可調(diào)參數(shù)，t為時(shí)間常數(shù)，e^-τs為延遲環(huán)節(jié)；

4)將公式2和公式3帶入公式1中，得出預(yù)測(cè)pi控制器的傳遞函數(shù)：

其中u(s)為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，e(s)為偏差信號(hào)，k為初始增益，t為時(shí)間常數(shù)，e^-τs為延遲環(huán)節(jié)；

5)根據(jù)公式4得出調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)為：

其中具有pi控制器的結(jié)構(gòu)特征，可以解釋為在τ時(shí)刻系統(tǒng)的輸出預(yù)期值是基于時(shí)間區(qū)域(t-τ，t)的控制作用，根據(jù)α的取值不同，得到系統(tǒng)的相應(yīng)曲線不同。

其中α為可調(diào)參數(shù)，t為時(shí)間常數(shù)，e^-τs為延遲環(huán)節(jié)，k為初始增益。

優(yōu)選方案是：α為可調(diào)參數(shù)，調(diào)節(jié)其大小可以調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)的速度。當(dāng)α＝1時(shí)，開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)相同；當(dāng)α＞1時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)慢；當(dāng)α＜1時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)快。

優(yōu)選方案是：在保證系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度以及較小的超調(diào)量的情況下，選擇α為0.25。

優(yōu)選方案是：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)潤(rùn)葉筒的水分模型取

本發(fā)明提供的基于預(yù)測(cè)pi控制系統(tǒng)的片煙含水率控制方法即具有傳統(tǒng)pi控制特性，同時(shí)也具有預(yù)測(cè)功能，用在類(lèi)似于片煙含水率該類(lèi)大滯后變化量中，仿真實(shí)驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)用結(jié)果表明，預(yù)測(cè)pi控制器具有很好的魯棒性和快速跟蹤性能，計(jì)算量小，速度快，控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)pid控制器。

附圖說(shuō)明

圖1為siemensstep7自帶的pid控制塊示意圖；

圖2為單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)示意圖；

圖3為預(yù)測(cè)pi控制器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為潤(rùn)葉筒入口處煙葉水分變化曲線圖；

圖5為潤(rùn)葉筒出口處煙葉水分變化曲線圖；

圖6為潤(rùn)葉筒片煙出口含水率控制實(shí)際效果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說(shuō)明書(shū)文字能夠據(jù)以實(shí)施。

一、滾筒潤(rùn)葉機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

片煙預(yù)處理貫通潤(rùn)葉機(jī)主要由潤(rùn)葉筒、排潮系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、管路系統(tǒng)組成。片煙物料由筒前傳送帶運(yùn)送到筒內(nèi)，依靠簡(jiǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)和筒內(nèi)釘耙的作用，煙葉料在筒內(nèi)翻滾并向后出料室逐步移動(dòng)，出口處設(shè)置出口振篩，物料經(jīng)振篩到下一個(gè)運(yùn)送裝置，在打葉風(fēng)分工藝段前端設(shè)電子皮帶秤，單位為kg/h。

潤(rùn)葉筒的前后區(qū)域分別設(shè)置水閥和蒸汽閥，儲(chǔ)水罐中的水經(jīng)過(guò)管路及水閥噴入筒內(nèi)，對(duì)片煙加濕；蒸汽經(jīng)過(guò)管路及氣閥噴入筒內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)片煙加熱及回潮處理，與物料進(jìn)行熱交換，確保物料溫濕度均勻，處理過(guò)后的熱蒸汽與粉塵經(jīng)排潮風(fēng)機(jī)排到筒外。筒前和筒后分別設(shè)紅外水分儀一臺(tái)，測(cè)定筒前和筒后物料的實(shí)際水分值。

當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)后，滾筒需先進(jìn)行10-15分鐘預(yù)熱；當(dāng)來(lái)料檢測(cè)光電管檢測(cè)到有物料送入時(shí)，則自動(dòng)轉(zhuǎn)到啟動(dòng)狀態(tài)；在連續(xù)供料的情況下，入口振篩應(yīng)供給連續(xù)均勻的煙料，在出口水分值小于設(shè)定值的一半時(shí)，水泵以滿頻運(yùn)行，當(dāng)出口水分值達(dá)到設(shè)定值的一半時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入自動(dòng)控制狀態(tài)；在運(yùn)行過(guò)程中，若系統(tǒng)檢測(cè)到進(jìn)料口無(wú)物料進(jìn)入時(shí)，滾筒會(huì)中斷運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間，當(dāng)又有物料進(jìn)入時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入重新啟動(dòng)狀態(tài)；若長(zhǎng)時(shí)間物料中斷，系統(tǒng)則轉(zhuǎn)入快速倒料狀態(tài)；倒料完畢后，系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)熱狀態(tài)：當(dāng)新一批物料及出口含水率正常后，系統(tǒng)又重新啟動(dòng)轉(zhuǎn)入生產(chǎn)狀態(tài)。因此，可以將上述狀況概括的分為空料狀態(tài)(停止?fàn)顟B(tài)、預(yù)熱狀態(tài)、冷卻狀態(tài))和有料狀態(tài)(生產(chǎn)狀態(tài)、高速倒料狀態(tài)、重新啟動(dòng)狀態(tài))兩大類(lèi)

二、片煙預(yù)處理關(guān)鍵設(shè)備概述及片煙出口水分控制常用方法

潤(rùn)葉機(jī)自動(dòng)加水控制方式分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種。自動(dòng)方式下，前后加水流量設(shè)定值自動(dòng)計(jì)算，人工需輸入前加水比例和蒸汽含水量；手動(dòng)方式下，前、后加水流量設(shè)定值均由人工輸入，同時(shí)不必再輸入前加水比例和蒸汽含水量。

加水總流量計(jì)算公式為：加水總流量＝(出口水分設(shè)定值-入口實(shí)際水分值)÷(100-出口設(shè)定水分值)*秤物料流量-蒸汽含水流量；單位kg/h。

在該控制過(guò)程中，借助siemensstep7自帶的pid控制塊，調(diào)用fb41連續(xù)pid控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，其中：

sp_int為設(shè)定值，如水分控制，為加水總量；

pv_in為過(guò)程值，通過(guò)加水流量計(jì)采集輸入；

pv_per為過(guò)程變量外設(shè)，即外圍設(shè)備的實(shí)際數(shù)值；

p_sel為比例分量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定；

i_sel為積分分量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定；

d_sel為微分分量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定；

通過(guò)輸出值的轉(zhuǎn)化，配合水閥的開(kāi)閉及加水水泵的泵頻來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水分的控制。

該種方法可以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)葉筒片煙出口水分的自動(dòng)控制，但是控制相對(duì)滯后，特別是對(duì)片煙含水率變化這種大滯后控制對(duì)象，在煙草行業(yè)中很難達(dá)到精確化生產(chǎn)與管理。

本發(fā)明提出了一種基于預(yù)測(cè)pi控制系統(tǒng)的片煙含水率控制方法，步驟包括：

1)在預(yù)測(cè)pi控制系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置潤(rùn)葉筒出口水分值、被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型、調(diào)節(jié)預(yù)測(cè)pi系統(tǒng)響應(yīng)速度以及較小的超調(diào)量的調(diào)節(jié)參數(shù)值；

2)將采集到的潤(rùn)葉筒入口水分值、進(jìn)料流量信號(hào)、溫度值反饋到所述預(yù)測(cè)pi控制系統(tǒng)；

3)所述預(yù)測(cè)pi控制系統(tǒng)根據(jù)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)為：

其中具有pi控制器的結(jié)構(gòu)特征，為在τ時(shí)刻系統(tǒng)的輸出預(yù)期值是基于時(shí)間區(qū)域(t-τ，t)的控制作用，e(s)為偏差信號(hào)，k為初始增益，t為時(shí)間常數(shù)，e^-τs為延遲環(huán)節(jié)；

4)所述預(yù)測(cè)pi控制系統(tǒng)根據(jù)所述調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)比較分析，調(diào)節(jié)水閥、蒸汽閥的開(kāi)度以使所述潤(rùn)葉筒出口水分值滿足要求。

優(yōu)選方案是：所述預(yù)測(cè)pi控制系統(tǒng)由潤(rùn)葉筒、排潮系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、儲(chǔ)水罐、管路系統(tǒng)組成。

優(yōu)選方案是：所述潤(rùn)葉筒的前后區(qū)域分別設(shè)置水閥和蒸汽閥，所述儲(chǔ)水罐中的水經(jīng)過(guò)所述管路系統(tǒng)及所述水閥噴入所述潤(rùn)葉筒內(nèi)，對(duì)片煙加濕。

優(yōu)選方案是：預(yù)測(cè)pi控制系統(tǒng)算法模型包括：

1)設(shè)定預(yù)測(cè)pi控制器的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

其中g(shù)c(s)為預(yù)測(cè)pi控制器的傳遞函數(shù)；gp(s)為被控對(duì)象的傳遞函數(shù)；

2)設(shè)定所述被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為：

其中k為初始增益，t為時(shí)間常數(shù)，e^-τs為延遲環(huán)節(jié)；

3)設(shè)定所述預(yù)測(cè)pi控制器的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

其中α為可調(diào)參數(shù)，t為時(shí)間常數(shù)，e^-τs為延遲環(huán)節(jié)；

4)將公式2和公式3帶入公式1中，得出預(yù)測(cè)pi控制器的傳遞函數(shù)，：

其中u(s)為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，e(s)為偏差信號(hào)，k為初始增益，t為時(shí)間常數(shù)，e^-τs為延遲環(huán)節(jié)；

5)根據(jù)公式4得出調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)為：

其中具有pi控制器的結(jié)構(gòu)特征，可以解釋為在τ時(shí)刻系統(tǒng)的輸出預(yù)期值是基于時(shí)間區(qū)域(t-τ，t)的控制作用，因此這種控制器被稱為預(yù)測(cè)pi控制器，如圖3所示，根據(jù)α的取值不同，得到系統(tǒng)的相應(yīng)曲線不同，其中α為可調(diào)參數(shù)，t為時(shí)間常數(shù)，e^-τs為延遲環(huán)節(jié)，k為初始增益,。

優(yōu)選方案是：α為可調(diào)參數(shù)，調(diào)節(jié)其大小可以調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)的速度。當(dāng)α＝1時(shí)，開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)相同；當(dāng)α＞1時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)慢；當(dāng)α＜1時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)快。

優(yōu)選方案是：在保證系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度以及較小的超調(diào)量的情況下，選擇α為0.25。

優(yōu)選方案是：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)潤(rùn)葉筒的水分模型取

預(yù)測(cè)pi控制算法主要思想是將pi功能和預(yù)測(cè)功能有機(jī)結(jié)合起來(lái)，該算法既具有預(yù)測(cè)功能，又具有pi控制器功能。通過(guò)大量的試驗(yàn)，表明預(yù)測(cè)pi控制器能夠有效地處理水分控制大滯后問(wèn)題，在被控系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，預(yù)測(cè)pi控制器具有較強(qiáng)的魯棒性與可靠性。如圖2所示。

實(shí)施例

工業(yè)上最常見(jiàn)的模型為一階純滯后模型根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)潤(rùn)葉筒水分模型取進(jìn)行研究，則所述預(yù)測(cè)pi控制系統(tǒng)根據(jù)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)為：

α的取值不同，得到的系統(tǒng)響應(yīng)曲線也不同。在保證系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度以及較小的超調(diào)量的情況下，選擇α為0.25。

如圖4所示，潤(rùn)葉筒入口水分值在21％左右波動(dòng)，取波動(dòng)值3％，即來(lái)料水分值在18％到24％之間，潤(rùn)葉筒出口水分設(shè)定值為19％，在t＜1000之前，潤(rùn)葉筒入口水分值為20.8％，且出口水分已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定；在t＝1000時(shí)，入口水分值編程18.2％；在t＝2200時(shí)，潤(rùn)葉筒入口水分值變?yōu)?3.2％。

如圖5所示，出口水分值在18.8％到19.1％之間，且跟蹤設(shè)定值的速度越快。這表明：在大滯后的控制系統(tǒng)中，即使在系統(tǒng)存在較大干擾，輸出也會(huì)較快地跟蹤設(shè)定值，而且控制作用平穩(wěn)，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

如圖6所示，直線為片煙水分設(shè)定值，曲線為過(guò)程值，在08:00:00-08:00:20為系統(tǒng)跟隨時(shí)間，跟隨時(shí)間較短，小于30s；08:00:20以后為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期，在穩(wěn)定運(yùn)行階段，潤(rùn)葉筒的出口水分輸出比較平滑，波動(dòng)較小，系統(tǒng)的抗干擾能力較強(qiáng)。

盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開(kāi)如上，但其并不僅僅限于說(shuō)明書(shū)和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。