專利名稱：基于模型預(yù)測(cè)的烘絲機(jī)出口水分控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及烘絲機(jī)出口水分的自動(dòng)控制技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
卷煙廠制絲線的煙葉經(jīng)過(guò)葉預(yù)處理工序后進(jìn)入烘絲工序，烘絲工序的主要目的之一就是對(duì)烘絲筒出口煙絲水分進(jìn)行控制，烘絲筒采用飽和蒸汽和熱風(fēng)對(duì)煙絲進(jìn)行加熱，將煙絲中的水分蒸發(fā)，同時(shí)通過(guò)熱風(fēng)將煙絲蒸發(fā)的水分帶走，從而達(dá)到控制煙絲水分的目的。目前的烘絲水分控制采用簡(jiǎn)單PID算法并加以一些順序邏輯進(jìn)行控制，各個(gè)控制回路之間相對(duì)獨(dú)立，協(xié)調(diào)性差，難以做到真正的閉環(huán)自動(dòng)控制。由于在烘絲過(guò)程中影響煙絲出口水分的干擾因素多，如進(jìn)料煙絲水分、進(jìn)料煙絲流量、蒸汽壓力、排潮量、熱風(fēng)溫度、風(fēng)速等，而且該控制過(guò)程存在較強(qiáng)的非線性、不確定性、耦合性和滯后，存在主要問(wèn)題在煙絲頭、尾段會(huì)出現(xiàn)水分控制波動(dòng)相對(duì)較大，控制品質(zhì)的好壞和操作人員的經(jīng)驗(yàn)、素質(zhì)以及責(zé)任心有關(guān)；在中間階段受外部干擾的影響大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、控制波動(dòng)大，需要人工干預(yù)，這樣的水分控制系統(tǒng)很難保證較高的控制精度要求和控制平穩(wěn)性，同時(shí)系統(tǒng)的改進(jìn)和維護(hù)比較困難。出口水分波動(dòng)影響了煙絲的內(nèi)在品質(zhì)，降低整體煙絲的質(zhì)量

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種基于模型預(yù)測(cè)的烘絲機(jī)出口水分控制方法，以解決上述背景技術(shù)中的缺點(diǎn)。本發(fā)明包含一種適用于烘絲機(jī)過(guò)程控制的智能集成優(yōu)化控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)烘絲過(guò)程的綜合最優(yōu)化及自動(dòng)化，針對(duì)不同階段的生產(chǎn)過(guò)程及不同的生產(chǎn)工藝模式，構(gòu)建能描述依存于進(jìn)料量與進(jìn)料水分的過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的各類模型及其優(yōu)化方法，并以此模型為基礎(chǔ)開發(fā)出能適應(yīng)進(jìn)料量與進(jìn)料水分變化、并具有克服烘絲過(guò)程中變量間相互干擾及各種不確定性因素影響的、具有自適應(yīng)、自調(diào)節(jié)功能的優(yōu)化控制算法。以達(dá)到滿足對(duì)于不同生產(chǎn)階段出口煙絲水分的嚴(yán)格要求的目標(biāo)。一種基于模型預(yù)測(cè)的烘絲機(jī)出口水分控制方法，將烘絲機(jī)出口水分控制系統(tǒng)分為三個(gè)過(guò)程干頭過(guò)程，中間過(guò)程和干尾過(guò)程，使出口水分盡快進(jìn)入設(shè)定值±0. 5%的穩(wěn)定狀態(tài)，加快水分上升的速度，減少干頭部分“干煙絲”的量；在中間階段，保持出口水分穩(wěn)定在設(shè)定值附近；在干尾階段前期，盡量使煙絲穩(wěn)定在設(shè)定值上，不要使煙絲的出口水分過(guò)早地下降，減少干尾部分“干煙絲”的量，步驟如下
(1)、針對(duì)頭部生產(chǎn)過(guò)程無(wú)出口水分檢測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，基于煙草物料干燥機(jī)理，采用非參數(shù)模型建模的思想，通過(guò)對(duì)幾條輸入曲線采樣得到若干個(gè)點(diǎn)，從而將一段曲線的影響轉(zhuǎn)化為若干個(gè)采樣點(diǎn)的影響，構(gòu)建依存于進(jìn)料量與進(jìn)料水分的筒溫、風(fēng)溫、排潮風(fēng)門、入口流量等工藝變量的基于RBF-ARX模型的設(shè)定模型；
(2)、根據(jù)所設(shè)置的各輸入量(排潮風(fēng)門，筒溫，風(fēng)溫和入口流量)的起點(diǎn)、終點(diǎn)的限制值和期望的出口水分的輸出曲線，計(jì)算出各輸入量的最優(yōu)設(shè)定曲線，使干頭過(guò)程中的操作變量按照優(yōu)化設(shè)定曲線變化。并根據(jù)來(lái)料情況自校正工藝變量設(shè)定模型的模型參數(shù)、提高其對(duì)于頭部烘絲過(guò)程的自適應(yīng)能力，設(shè)計(jì)自調(diào)整模糊跟蹤控制算法使頭部烘絲過(guò)程出口水分快速達(dá)到設(shè)定值，以減少干頭葉絲、達(dá)到滿意的跟蹤控制效果及對(duì)不同來(lái)料流量及含水率的自適應(yīng)能力；
(3)、對(duì)于中間連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，本發(fā)明采用RBF-ARX模型結(jié)構(gòu)，建立依存于來(lái)料煙絲流量與水分的烘絲過(guò)程動(dòng)態(tài)特性模型，以所構(gòu)建的烘絲過(guò)程RBF-ARX模型為預(yù)測(cè)模型，考慮到不同工藝模式、不同操作模式的要求，設(shè)計(jì)出口煙絲水分的在線智能預(yù)測(cè)優(yōu)化控制算法;
(4)、RBF-ARX預(yù)測(cè)控制器通過(guò)對(duì)出料端水分儀檢測(cè)的水分值與設(shè)定水分值比較在線計(jì)算出熱風(fēng)風(fēng)量和排潮風(fēng)量的最優(yōu)值；熱風(fēng)風(fēng)量風(fēng)門以RBF-ARX預(yù)測(cè)控制輸出的熱風(fēng)風(fēng)量最優(yōu)值為設(shè)定值，自動(dòng)控制伺服氣缸調(diào)節(jié)熱風(fēng)風(fēng)量風(fēng)門開啟度的大??；排潮風(fēng)量風(fēng)門以RBF-ARX預(yù)測(cè)控制輸出的排潮風(fēng)量最優(yōu)值為設(shè)定值，自動(dòng)控制伺服氣缸調(diào)節(jié)排潮風(fēng)量風(fēng)門開啟度的大??；筒溫蒸汽閥根據(jù)筒體設(shè)定溫度值與溫度傳感器檢測(cè)的筒體溫度值比較，自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥開啟度的大小，控制蒸汽流量，并最終穩(wěn)定在筒體設(shè)定溫度值附近；加熱系統(tǒng)上伺服氣缸根據(jù)熱風(fēng)設(shè)定溫度值與溫度傳感器測(cè)量的熱風(fēng)溫度值比較，自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)，并最終穩(wěn)定在熱風(fēng)設(shè)定溫度值附近；
(5)、針對(duì)尾部生產(chǎn)過(guò)程無(wú)入口來(lái)料即時(shí)信號(hào)但有歷史來(lái)料量及水分信號(hào)的特點(diǎn)，基于煙草物料干燥機(jī)理，構(gòu)建依存于進(jìn)料量與進(jìn)料水分的筒溫、風(fēng)溫、排潮風(fēng)門、筒體轉(zhuǎn)速等工藝變量的設(shè)定模型；
(6)、根據(jù)所設(shè)置的各輸入量(排潮風(fēng)門，筒溫，風(fēng)溫和筒體電機(jī)頻率)的起點(diǎn)、終點(diǎn)的限制值和期望的出口水分的輸出曲線，計(jì)算出各輸入量的最優(yōu)設(shè)定曲線，使干尾過(guò)程中的操作變量按照優(yōu)化設(shè)定曲線變化，并根據(jù)來(lái)料情況自校正工藝變量設(shè)定模型的模型參數(shù)、提高其對(duì)于尾部烘絲過(guò)程的自適應(yīng)能力，采用自調(diào)整模糊跟蹤控制算法使尾部烘絲過(guò)程出口水分盡可能維持在設(shè)定值，以減少干尾葉絲、達(dá)到滿意的跟蹤控制效果及對(duì)不同來(lái)料流量及含水率的自適應(yīng)能力；
(7)、干頭、中間過(guò)程以及干尾過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性建模采用RBF-ARX模型結(jié)構(gòu)。各模型利用歷史數(shù)據(jù)、通過(guò)離線方式進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化；
(8)、基于所構(gòu)建的干頭、干尾過(guò)程動(dòng)態(tài)特性模型，在線優(yōu)化干頭、干尾過(guò)程中的筒溫、排潮風(fēng)門等各工藝變量的設(shè)定值模型，以適應(yīng)來(lái)料情況的變化；
(9)、通過(guò)運(yùn)用嵌入式PC技術(shù)的模塊化嵌入式控制器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)烘絲過(guò)程智能集成優(yōu)化控制運(yùn)算，達(dá)到基于模型預(yù)測(cè)的烘絲機(jī)出口水分控制。 有益效果
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、可實(shí)現(xiàn)烘絲過(guò)程控制的自動(dòng)化，避免在生產(chǎn)過(guò)程中的人工干預(yù)；
2、控制精度高且具有很強(qiáng)的克服現(xiàn)場(chǎng)各種干擾的能力，可使頭尾段的出口水分控 制在設(shè)定值的±0. 5%以內(nèi)、中間段的出口水分控制在設(shè)定值的±0. 2%以內(nèi)且標(biāo)準(zhǔn)偏差(0.10%、可快速抑制各種干擾引起的出口水分波動(dòng)；可最大限度地減少頭尾段的干煙絲量，可使頭部干煙絲量小于來(lái)料流量的O. 7%0 (干煙絲為水分< 7%的煙絲)、尾部干煙絲量小于來(lái)料流量的I. 4%o (干煙絲為水分< 7%的煙絲)，可極大地減少煙絲的浪費(fèi)和造碎，能夠適用于不同牌號(hào)的煙絲，可在工業(yè)PLC級(jí)的嵌入式PC控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，可滿足實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的要求。


圖I為烘絲機(jī)過(guò)程變量時(shí)序關(guān)系說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、工作流程、使用方法達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實(shí) 施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。I、烘絲機(jī)過(guò)程變量時(shí)序關(guān)系如圖I所示。煙絲從上一道工序到來(lái)之前，先在距離烘絲機(jī)滾筒較遠(yuǎn)的位置、也就是U4的位置檢測(cè)此時(shí)的煙絲瞬時(shí)流量值；經(jīng)過(guò)NK時(shí)間之后，來(lái)到u5的位置檢測(cè)此時(shí)的入口水分值；再經(jīng)過(guò)nkl的時(shí)間，煙絲才進(jìn)入滾筒，在滾筒中運(yùn)行的過(guò)程，會(huì)在每一個(gè)采樣時(shí)刻檢測(cè)此時(shí)的排潮風(fēng)門、熱風(fēng)溫度、筒體溫度和筒體電機(jī)頻率等；最后經(jīng)過(guò)nk2的時(shí)間，煙絲出筒，檢測(cè)出口水分。煙絲從有流量檢測(cè)值(u4)起到檢測(cè)到出口水分(y)，經(jīng)歷了較長(zhǎng)的時(shí)間，在干頭前期這么長(zhǎng)的時(shí)間段中，整個(gè)系統(tǒng)有輸入變量可被檢測(cè)到，但沒(méi)有輸出量(出口水分)被檢測(cè)到。而在干尾段煙絲斷流之后，系統(tǒng)會(huì)沒(méi)有入口流量、入口水分這兩個(gè)輸入變量，但有輸出變量。因此，就是一個(gè)具有很大時(shí)滯的系統(tǒng)，并可將烘絲過(guò)程分為三個(gè)過(guò)程干頭過(guò)程，中間過(guò)程和干尾過(guò)程。i)干頭過(guò)程從檢測(cè)到入口流量的時(shí)刻起到出口水分基本穩(wěn)定在設(shè)定值時(shí)止。ii)中間過(guò)程當(dāng)出口水分穩(wěn)定后，即進(jìn)入中間過(guò)程。iii)干尾過(guò)程當(dāng)入口流量由正常值變?yōu)镺時(shí)，標(biāo)志著干尾過(guò)程開始，當(dāng)出口水分下降到3%時(shí)，標(biāo)志著整個(gè)烘絲過(guò)程結(jié)束。2、烘絲機(jī)出口水分受到檢測(cè)到這一點(diǎn)的入口水分和入口流量的影響(但存在一個(gè)很大的延遲)，還受到在滾筒中較長(zhǎng)時(shí)間的筒溫、風(fēng)溫、排潮風(fēng)門的影響。為此，采用RBF-ARX建模方法，構(gòu)建干頭、中間過(guò)程及干尾階段的烘絲過(guò)程動(dòng)態(tài)模型。RBF-ARX模型是一種具有線性ARX模型結(jié)構(gòu)的非線性時(shí)變模型。它的自變量是一組表征系統(tǒng)非線性狀態(tài)的信號(hào)量，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線調(diào)整。與線性ARX模型類似，RBF-ARX模型在局部的線性區(qū)間內(nèi)有著優(yōu)越的近似效果，另外它的參數(shù)能自己更新、自調(diào)整。因此，它還有全局適應(yīng)的特性。在本發(fā)明中，采用高斯核的RBF網(wǎng)絡(luò)來(lái)逼近狀態(tài)相依ARX模型中的函數(shù)系數(shù)。3、用于構(gòu)建干頭過(guò)程動(dòng)態(tài)特性模型的高斯核RBF-ARX模型的結(jié)構(gòu)如下
}<β) = Φ + —1> + Φ；>'( — -)- + — no)
+ C^lJi, U(t — I* samph) + B-,U(t ~2* sample) + ... + 5. kU(t — nh * sample)
44 CD
+ u4(t — NK — Kk1 —I* sample) + …+ #4(i — NK - nh — nb * sample)
+ b{u5 (t — Kk1 — I * iiWfpte)+... + (t — nkt — nb* sample)
其中，
權(quán)利要求
1.一種基于模型預(yù)測(cè)的烘絲機(jī)出口水分控制方法，將烘絲機(jī)出口水分控制系統(tǒng)分為三個(gè)過(guò)程干頭過(guò)程，中間過(guò)程和干尾過(guò)程，使出口水分盡快進(jìn)入設(shè)定值±0. 5%的穩(wěn)定狀態(tài)，加快水分上升的速度，減少干頭部分“干煙絲”的量；在中間階段，保持出口水分穩(wěn)定在設(shè)定值附近；在干尾階段前期，盡量使煙絲穩(wěn)定在設(shè)定值上，不要使煙絲的出口水分過(guò)早地下降，減少干尾部分“干煙絲”的量，其特征在于，步驟如下 (1)、針對(duì)頭部生產(chǎn)過(guò)程無(wú)出口水分檢測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，基于煙草物料干燥機(jī)理，采用非參數(shù)模型建模的思想，通過(guò)對(duì)幾條輸入曲線采樣得到若干個(gè)點(diǎn)，從而將一段曲線的影響轉(zhuǎn)化為若干個(gè)采樣點(diǎn)的影響，構(gòu)建依存于進(jìn)料量與進(jìn)料水分的筒溫、風(fēng)溫、排潮風(fēng)門、入口流量等工藝變量的基于RBF-ARX模型的設(shè)定模型； (2)、根據(jù)所設(shè)置的各輸入量的起點(diǎn)、終點(diǎn)的限制值和期望的出口水分的輸出曲線，計(jì)算出各輸入量的最優(yōu)設(shè)定曲線，使干頭過(guò)程中的操作變量按照優(yōu)化設(shè)定曲線變化，根據(jù)來(lái)料情況自校正工藝變量設(shè)定模型的模型參數(shù)、提高其對(duì)于頭部烘絲過(guò)程的自適應(yīng)能力，設(shè)計(jì)自調(diào)整模糊跟蹤控制算法使頭部烘絲過(guò)程出口水分快速達(dá)到設(shè)定值，以減少干頭葉絲、達(dá)到滿意的跟蹤控制效果及對(duì)不同來(lái)料流量及含水率的自適應(yīng)能力； (3)、對(duì)于中間連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，本發(fā)明采用RBF-ARX模型結(jié)構(gòu)，建立依存于來(lái)料煙絲流量與水分的烘絲過(guò)程動(dòng)態(tài)特性模型，以所構(gòu)建的烘絲過(guò)程RBF-ARX模型為預(yù)測(cè)模型，考慮到不同工藝模式、不同操作模式的要求，設(shè)計(jì)出口煙絲水分的在線智能預(yù)測(cè)優(yōu)化控制算法; (4)、RBF-ARX預(yù)測(cè)控制器通過(guò)對(duì)出料端水分儀檢測(cè)的水分值與設(shè)定水分值比較在線計(jì)算出熱風(fēng)風(fēng)量和排潮風(fēng)量的最優(yōu)值；熱風(fēng)風(fēng)量風(fēng)門以RBF-ARX預(yù)測(cè)控制輸出的熱風(fēng)風(fēng)量最優(yōu)值為設(shè)定值，自動(dòng)控制伺服氣缸調(diào)節(jié)熱風(fēng)風(fēng)量風(fēng)門開啟度的大?。慌懦憋L(fēng)量風(fēng)門以RBF-ARX預(yù)測(cè)控制輸出的排潮風(fēng)量最優(yōu)值為設(shè)定值，自動(dòng)控制伺服氣缸調(diào)節(jié)排潮風(fēng)量風(fēng)門開啟度的大??；筒溫蒸汽閥根據(jù)筒體設(shè)定溫度值與溫度傳感器檢測(cè)的筒體溫度值比較，自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥開啟度的大小，控制蒸汽流量，并最終穩(wěn)定在筒體設(shè)定溫度值附近；加熱系統(tǒng)上伺服氣缸根據(jù)熱風(fēng)設(shè)定溫度值與溫度傳感器測(cè)量的熱風(fēng)溫度值比較，自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)，并最終穩(wěn)定在熱風(fēng)設(shè)定溫度值附近； (5)、針對(duì)尾部生產(chǎn)過(guò)程無(wú)入口來(lái)料即時(shí)信號(hào)但有歷史來(lái)料量及水分信號(hào)的特點(diǎn)，基于煙草物料干燥機(jī)理，構(gòu)建依存于進(jìn)料量與進(jìn)料水分的筒溫、風(fēng)溫、排潮風(fēng)門、筒體轉(zhuǎn)速等工藝變量的設(shè)定模型； (6)、根據(jù)所設(shè)置的各輸入量(排潮風(fēng)門，筒溫，風(fēng)溫和筒體電機(jī)頻率)的起點(diǎn)、終點(diǎn)的限制值和期望的出口水分的輸出曲線，計(jì)算出各輸入量的最優(yōu)設(shè)定曲線，使干尾過(guò)程中的操作變量按照優(yōu)化設(shè)定曲線變化，并根據(jù)來(lái)料情況自校正工藝變量設(shè)定模型的模型參數(shù)、提高其對(duì)于尾部烘絲過(guò)程的自適應(yīng)能力，采用自調(diào)整模糊跟蹤控制算法使尾部烘絲過(guò)程出口水分盡可能維持在設(shè)定值，以減少干尾葉絲、達(dá)到滿意的跟蹤控制效果及對(duì)不同來(lái)料流量及含水率的自適應(yīng)能力； (7)、干頭、中間過(guò)程以及干尾過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性建模采用RBF-ARX模型結(jié)構(gòu)，各模型利用歷史數(shù)據(jù)、通過(guò)離線方式進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化； (8)、基于所構(gòu)建的干頭、干尾過(guò)程動(dòng)態(tài)特性模型，在線優(yōu)化干頭、干尾過(guò)程中的筒溫、排潮風(fēng)門等各工藝變量的設(shè)定值模型，以適應(yīng)來(lái)料情況的變化；(9)、通過(guò)運(yùn)用嵌入式PC技術(shù)的模塊化嵌入式控制器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)烘絲過(guò)程智能集成優(yōu)化控制運(yùn) 算，達(dá)到基于模型預(yù)測(cè)的烘絲機(jī)出口水分控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于模型預(yù)測(cè)的烘絲機(jī)出口水分控制方法針對(duì)煙葉烘絲機(jī)在工作過(guò)程中復(fù)雜的狀態(tài)變化及生產(chǎn)工藝模式多樣性的特點(diǎn),構(gòu)建基于智能預(yù)測(cè)模型和人工智能操作模式的烘絲機(jī)智能集成優(yōu)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)烘絲過(guò)程的綜合最優(yōu)化及自動(dòng)化。針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的不同階段及不同的生產(chǎn)工藝模式，構(gòu)建能描述依存于進(jìn)料量與進(jìn)料水分的過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的模型。以此模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出可同時(shí)或有選擇地調(diào)節(jié)多個(gè)工藝變量、能適應(yīng)進(jìn)料量與進(jìn)料水分變化、具有克服烘絲過(guò)程中變量間相互干擾及各種不確定性因素影響、具有自適應(yīng)、自調(diào)節(jié)功能的在線優(yōu)化控制算法，可滿足不同工況下對(duì)出口煙絲水分的嚴(yán)格要求。
文檔編號(hào)A24B9/00GK102871214SQ20121037626
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月8日
發(fā)明者王小飛, 楊玉波, 彭輝, 楊洪藝, 李中鋒, 郭克松, 張海軍, 彭曉燕, 王文格, 劉斌 申請(qǐng)人:秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司