專利名稱：一種基于預(yù)測pi算法控制系統(tǒng)的煙葉復(fù)烤機(jī)水分控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及打葉復(fù)烤技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)的煙葉復(fù)烤機(jī)水分控制方法。
背景技術(shù)：
煙葉復(fù)烤過程是一個多干擾、強(qiáng)耦合、大滯后、非線性、不確定的大熱容過程。在生產(chǎn)過程中，始終存在著具有一定溫度、濕度、壓力、流速的傳熱介質(zhì)(熱氣體)與煙葉在相對運動過程中發(fā)生熱交換作用，從而達(dá)到煙葉的干燥、冷卻、回潮等目的。不同過程的任一區(qū)段溫度、濕度的變化，都會影響到其后各區(qū)段參數(shù)的變化和出口煙葉水分含量的變化，這就使建立系統(tǒng)的機(jī)理模型變得相當(dāng)復(fù)雜，具體表現(xiàn)在以下幾個方面
I)干擾因素多入口煙葉的水分、溫度、產(chǎn)地、品種、等級對出口水分都有非常重要的影響；加熱蒸汽和回潮蒸汽的壓力、溫度以及飽和程度直接影響出口煙葉的水分和溫度；環(huán)境空氣的溫度、濕度對冷卻階段的煙葉水分和溫度也有較大的間接影響。2)測量儀表存在一定的問題，特別是紅外水分儀精度受外界的影響較大，基準(zhǔn)值易發(fā)生漂移，冷房水分儀表測量值受電噪聲的污染，測量值波動頻繁，嚴(yán)重的影響了閉環(huán)控制的性能。3)生產(chǎn)過程特性多變受前部打葉過程的影響，煙葉進(jìn)料流量、煙葉喂料機(jī)的速度有時需要進(jìn)行調(diào)整來滿足生產(chǎn)的連續(xù)，這樣就導(dǎo)致了過程的特性參數(shù)發(fā)生改變；同時，煙葉復(fù)烤在高溫、高濕和粉塵等環(huán)境下工作，設(shè)備也會發(fā)生異常，在這種情況下，操作人員需要隨時改變工藝操作 ，使過程特性具有多樣性，難以實現(xiàn)穩(wěn)定的PID閉環(huán)控制。4)水分的控制是一個大滯后過程往往在出口水分發(fā)生變化后，再對其進(jìn)行控制是不及時的，造成的直接后果是水分在設(shè)定值上下波動，不能穩(wěn)定。以上原因的存在增加了復(fù)烤出口水分控制的難度，而PID控制算法本身具有很多的局限性，如其為具有反向特性的非最小相位系統(tǒng)、具有嚴(yán)重頻繁干擾的過程系統(tǒng)、多變量強(qiáng)耦合系統(tǒng)、帶有約束的控制系統(tǒng)和大滯后系統(tǒng)，運用簡單的PID控制算法進(jìn)行的閉環(huán)控制甚至不能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，更談不上控制的精度。在經(jīng)典控制系統(tǒng)，其更注重于設(shè)備的單體運轉(zhuǎn)以及設(shè)備之間的連鎖運行，針對特定的控制回路仍采用傳統(tǒng)的PID算法，而且這些控制回路自成獨立，忽視了多因素之間的“合力作用”，例如烤片出口煙葉的含水率很大程度受各個控制回路的共同影響。以干燥區(qū)溫度控制為例，對于如圖1所示的一個控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線來說當(dāng)實際溫度低于設(shè)定值時，加大蒸汽閥門開度，反之實際溫度高于設(shè)定值時就關(guān)小蒸汽閥門。根據(jù)設(shè)定值與測量值之間的偏差來調(diào)節(jié)控制的輸出，這就是傳統(tǒng)PID算法的思想。但是由于實際過程中遇到的系統(tǒng)都具有慣性，當(dāng)蒸汽閥門開大到一定開度并保持，使實際溫度上升至設(shè)定值附近(如圖1中OA段)，由于慣性作用，勢必會出現(xiàn)超調(diào)(圖1中AB段)。此時再關(guān)小蒸汽閥門，則溫度下降(圖1中BC段)，又由于慣性原因，出現(xiàn)反向超調(diào)(圖1中⑶段)……經(jīng)過一段時間的反復(fù)調(diào)節(jié)后，最終使溫度穩(wěn)定在設(shè)定值的上下。PID參數(shù)整定的好壞，決定了曲線最后達(dá)到穩(wěn)定所需的時間。而若是由人工手動控制，由于經(jīng)驗差異，不同水平的操作工控制線的穩(wěn)定時間長短不一，經(jīng)驗豐富的操作工經(jīng)常放棄計算機(jī)自動PID調(diào)節(jié)而完全憑自己的經(jīng)驗來控制，如圖1所示，在溫度上升過程中(圖1中OA段)，當(dāng)實際值接近設(shè)定值而未達(dá)到時，即提前開始逐漸減小蒸汽閥門的開度，這樣即使是出現(xiàn)超調(diào)(圖1中AB段)，其量也比較小，并且實際值很快又再次調(diào)頭向下，往設(shè)定值方向逼近。整個過程中，操作工依靠自己的經(jīng)驗判斷，提前對蒸汽閥門進(jìn)行了開大、減小控制。。然而，在現(xiàn)場生產(chǎn)過程中，往往受各種因素的影響(如蒸汽壓力、設(shè)定值改變、煙葉流量水分大小等)，控制將變得復(fù)雜的多。況且在整個烤片機(jī)控制系統(tǒng)中，需要控制的回路有十個之多(甚至更多)，仍然依靠人工經(jīng)驗調(diào)控，其難度是可想而知的，準(zhǔn)確度是無法保證的。因此要生產(chǎn)出高質(zhì)量的成品，必須對生產(chǎn)加工過程做全盤考慮，除了分析單個回路對成品的影響還必須建立生產(chǎn)模型分析出多個回路之間的相互影響、外部干擾對控制的影響和生產(chǎn)工況條件約束等。只有通過創(chuàng)建出精準(zhǔn)的生產(chǎn)模型，把各種因素及其相關(guān)性都納入整個系統(tǒng)綜合考慮，才能實現(xiàn)優(yōu)秀的控制效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種對煙葉復(fù)烤過程進(jìn)行水分和溫度的自動控制，能夠提升控制精度的基于預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)的煙葉復(fù)烤機(jī)水分控制方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種基于預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)的煙葉復(fù)烤機(jī)水分控制方法，所述預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)通過預(yù)測PI控制器實現(xiàn)，所述方法包括如下步驟
根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定潤葉機(jī)入口加濕蒸汽閥的初始開度值，預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)根據(jù)潤葉機(jī)出口水分和開度極限值對入口蒸汽閥和出口蒸汽閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)；
采集進(jìn)料流量信號，利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)料流量信號調(diào)節(jié)混合噴嘴加濕
量;
在預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定煙葉控制溫度和熱風(fēng)控制溫度，采集熱交換器輸出的熱風(fēng)溫度和潤葉機(jī)出口處的煙葉溫度反饋回預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)對潤葉筒的筒壁溫度進(jìn)行控制。優(yōu)選地，所述方法還包括
利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)以熱蒸汽的流量控制烤片機(jī)中干燥區(qū)的溫度；
利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)以烤片機(jī)中冷區(qū)出口的水分值為目標(biāo)，調(diào)整干燥區(qū)的溫度設(shè)定值。優(yōu)選地，所述方法還包括
利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)根據(jù)烤片機(jī)中回潮區(qū)的加熱蒸汽控制回潮區(qū)的溫度；
利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)以回潮區(qū)出口的煙葉溫度為目標(biāo)，自動調(diào)整回潮區(qū)的溫度設(shè)定值；
利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)根據(jù)回潮區(qū)出口水分值調(diào)節(jié)加水量。優(yōu)選地，所述方法還包括
利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)將冷區(qū)出口水分和鏈車速度作為回潮區(qū)控制的擾動變量進(jìn)行前饋控制。優(yōu)選地，冷區(qū)出口水分值和回潮區(qū)出口水分值通過數(shù)值濾波方法進(jìn)行除噪。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是
(I)本發(fā)明中的預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)采用預(yù)測PI控制算法對煙葉復(fù)烤過程進(jìn)行控制，和普通的PID算法相比，其具有預(yù)測大滯后過程的輸出信號與抑制測量噪聲的優(yōu)點，適合于大滯后對象的平穩(wěn)控制。(2)本發(fā)明采用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)實現(xiàn)煙葉復(fù)烤整線的水分和溫度的自動控制，包括對一潤、二潤和烤片三個重點工藝段的水分、溫度聯(lián)合控制，提高現(xiàn)場工藝控制能力，整體提升煙葉復(fù)烤加工質(zhì)量。


圖1為利用現(xiàn)有技術(shù)對干燥區(qū)溫度進(jìn)行控制的響應(yīng)曲線示意圖。圖2為本發(fā)明具體實施例的流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。本發(fā)明的實施例中主要是在潤葉和烤片兩個重點工藝段建立上下游聯(lián)動的復(fù)烤加工過程質(zhì)量控制方法。在本實施例中，將熱風(fēng)潤葉工段的水分先進(jìn)控制作為打葉復(fù)烤中的第一道煙葉水分、溫度控制環(huán)節(jié)，其水分、溫度指標(biāo)的穩(wěn)定控制對后續(xù)打葉風(fēng)分、復(fù)烤等大量的加工過程中煙葉的抗破碎性能起主要作用，穩(wěn)定的潤葉出口水分為提高復(fù)烤水分精度創(chuàng)造條件。其次，進(jìn)行復(fù)烤工段的水分先進(jìn)控制，實現(xiàn)干燥區(qū)溫度帶精準(zhǔn)控制，為特色復(fù)烤創(chuàng)造基礎(chǔ)條件，真正做到低溫慢烤，而且實現(xiàn)干燥區(qū)、冷區(qū)和回潮聯(lián)合調(diào)控，以達(dá)到出口水分長時間穩(wěn)定及精度高，從而建立潤葉和烤片全線水分自動化控制。如圖1所示，為本具體實施例的流程圖，一種基于預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)的煙葉復(fù)烤機(jī)水分控制方法，其中預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)通過預(yù)測PI控制器實現(xiàn)，所述方法其具體包括如下步驟
(SI)對潤葉出口水分進(jìn)行控制
(Sll)根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定潤葉機(jī)入口加濕蒸汽閥的初始開度值，預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)根據(jù)潤葉機(jī)出口水分和開度極限值對入口蒸汽閥和出口蒸汽閥的開度進(jìn)行調(diào)整?，F(xiàn)有煙葉復(fù)烤的潤葉機(jī)入口和出口都布置了加濕蒸汽噴嘴，而這兩個噴嘴對潤葉機(jī)出口水分的調(diào)節(jié)作用是不同的出口噴嘴的調(diào)節(jié)作用比較明顯、反應(yīng)較快，便于控制；但從工藝角度看，入口加濕的潤濕作用時間更長，更有利于提高煙葉的潤透率。因此，預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)在對潤葉出口水分的控制策略設(shè)計中，其優(yōu)先考慮采用入口蒸汽閥進(jìn)行水分控制。為防止出現(xiàn)水潰煙，由操作人員根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定入口加濕蒸汽閥的開度極限值。預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)根據(jù)開度極限值優(yōu)先調(diào)整入口蒸汽閥的開度，在入口加濕蒸汽閥開度達(dá)到設(shè)定的開度極限值時，潤葉機(jī)出口水分仍不能滿足工藝要求，此時，潤葉機(jī)出口加濕蒸汽閥才參與水分控制過程。對生產(chǎn)頭部階段，由于檢測儀表無法正常檢測出口水分，預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)不能投入閉環(huán)控制，因此設(shè)計一個合理的閥位設(shè)定值進(jìn)行預(yù)測控制，達(dá)到最大限度地減少不合格煙葉的產(chǎn)生。(S12)采集進(jìn)料流量信號，利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)料流量信號調(diào)整混合噴嘴加濕量；其中，混合噴嘴是復(fù)烤機(jī)的一部分，用于將蒸汽和水混合霧化噴入，可以避免大水滴。進(jìn)料流量的波動對潤葉機(jī)出口水分的影響也是不可忽視的一個擾動因素，因此，采集進(jìn)料流量信號來調(diào)整混合噴嘴的加濕量。此外，潤葉機(jī)的轉(zhuǎn)速直接影響煙葉在潤葉機(jī)內(nèi)的停留時間，進(jìn)而引起出口水分的變化，并影響煙葉的潤透率，預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)還將潤葉機(jī)轉(zhuǎn)速作為水分控制的前饋變
量之一。( S2 )對潤葉出口溫度進(jìn)行控制
在預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定煙葉控制溫度和熱風(fēng)控制溫度，采集熱交換器輸出的熱風(fēng)溫度和潤葉機(jī)出口處的煙葉溫度反饋回預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)對潤葉筒的筒壁溫度進(jìn)行控制。潤葉機(jī)出口溫度是一項重要質(zhì)量指標(biāo)，目前尚未配置專用的檢測儀表，無法直接測量筒內(nèi)的煙葉溫度，操作工根據(jù)潤葉機(jī)出口處煙葉的顏色、手感以及熱風(fēng)溫度去判斷潤葉溫度是否合適，調(diào)節(jié)的手段是先循環(huán)風(fēng)量再加熱蒸汽，而循環(huán)風(fēng)量則根據(jù)經(jīng)驗值自動設(shè)定；以此實現(xiàn)對潤葉溫度的間接控制，潤葉溫度的波動范圍被控制在±1. (TC以內(nèi)。(S3)對烤片機(jī)水分進(jìn)行控制預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)對烤片機(jī)中水分控制回路共十個，具體為干燥一區(qū)溫度、干燥二區(qū)溫度、干燥三區(qū)溫度、干燥四區(qū)溫度、冷區(qū)水分、冷區(qū)溫度、回潮一區(qū)溫度、回潮二區(qū)溫度、出口水分、出口溫度。由于從烤片機(jī)入口到回潮出口的距離很長，生產(chǎn)過程時間漫長，若根據(jù)回潮區(qū)出口生產(chǎn)出的煙葉實際水分去回調(diào)四個干燥區(qū)的溫度，會形成嚴(yán)重滯后，給水分的控制帶來更大干擾。為進(jìn)一步提高控制精度，在不影響工藝要求的前提下，本發(fā)明對冷區(qū)出口水分進(jìn)行有約束的閉環(huán)控制，并將冷區(qū)出口水分作為回潮區(qū)出口水分控制回路的前饋變量。因此本發(fā)明將生產(chǎn)線看成由干燥區(qū)(冷區(qū))和回潮區(qū)兩個部分組成，具體控制過程如下
(531)利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)以熱蒸汽的流量控制烤片機(jī)中干燥區(qū)的溫度；
(532)利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)以烤片機(jī)中冷區(qū)出口的水分值為目標(biāo)，調(diào)整干燥區(qū)的溫度設(shè)定值。(S33)利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)根據(jù)烤片機(jī)中回潮區(qū)的加熱蒸汽控制回潮區(qū)的
溫度;
(534)利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)以回潮區(qū)出口的煙葉溫度為目標(biāo)，自動調(diào)整回潮區(qū)的溫度設(shè)定值；
(535)利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)根據(jù)回潮區(qū)出口水分值調(diào)節(jié)加水量。在步驟(S31)- (S32)中，其控制目標(biāo)是冷卻出口水分，其以干燥區(qū)溫度作為調(diào)節(jié)手段，構(gòu)成冷區(qū)水分與干燥區(qū)溫度串級控制。首先以熱蒸汽的流量控制四個干燥區(qū)的溫度，在此基礎(chǔ)上，以冷區(qū)出口的水分為目標(biāo)，調(diào)整四個干燥區(qū)的溫度設(shè)定值，使冷區(qū)出口的水分值控制在一個合理的范圍之內(nèi)。在步驟(S33)_ (S35)中，其控制目標(biāo)是回潮區(qū)出口的煙葉水分和溫度。以回潮一區(qū)、二區(qū)溫度以及加水量為調(diào)節(jié)手段，構(gòu)成溫度水分解耦串級控制。回潮區(qū)的加熱蒸汽分別控制兩個回潮區(qū)的溫度，以回潮區(qū)出口的煙葉溫度為目標(biāo)，自動調(diào)整兩個回潮區(qū)的溫度設(shè)定值；并根據(jù)回潮區(qū)出口水分調(diào)節(jié)加水量。由于回潮區(qū)內(nèi)溫度與水分之間存在著較強(qiáng)的耦合，因此采用解耦控制算法，可以有效地將出口的煙葉水分和溫度控制在工藝要求范圍之內(nèi)。而且，為加快控制系統(tǒng)的響應(yīng)，提高最終目標(biāo)的控制精度，本發(fā)明還包括步驟
(S36)
利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)將冷區(qū)出口水分和鏈車速度作為回潮區(qū)控制的擾動變量進(jìn)行前饋控制。同時，回潮區(qū)出口水分和冷區(qū)水分在測量的時候會出現(xiàn)噪聲干擾，嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的正常工作。本發(fā)明采用先進(jìn)的數(shù)值濾波方法來消除噪聲的干擾，改變一般的濾波方法造成的延遲，適應(yīng)回潮出口水分的動態(tài)特性比較快的特點，提高抗干擾的能力，提高濾波效果。在本發(fā)明中，預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)所采用的預(yù)測PI算法其離散化形式為
權(quán)利要求
1.一種基于預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)的煙葉復(fù)烤機(jī)水分控制方法，其特征在于，所述預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)通過預(yù)測PI控制器實現(xiàn)，所述方法包括如下步驟 根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定潤葉機(jī)入口加濕蒸汽閥的初始開度值，預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)根據(jù)潤葉機(jī)出口水分和開度極限值對入口蒸汽閥和出口蒸汽閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)； 采集進(jìn)料流量信號，利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)料流量信號調(diào)節(jié)混合噴嘴加濕量; 在預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定煙葉控制溫度和熱風(fēng)控制溫度，采集熱交換器輸出的熱風(fēng)溫度和潤葉機(jī)出口處的煙葉溫度反饋回預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)對潤葉筒的筒壁溫度進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)的煙葉復(fù)烤機(jī)水分控制方法，其特征在于，所述方法還包括 利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)以熱蒸汽的流量控制烤片機(jī)中干燥區(qū)的溫度； 利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)以烤片機(jī)中冷區(qū)出口的水分值為目標(biāo)，調(diào)整干燥區(qū)的溫度設(shè)定值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)的煙葉復(fù)烤機(jī)水分控制方法，其特征在于，所述方法還包括 利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)根據(jù)烤片機(jī)中回潮區(qū)的加熱蒸汽控制回潮區(qū)的溫度； 利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)以回潮區(qū)出口的煙葉溫度為目標(biāo)，自動調(diào)整回潮區(qū)的溫度設(shè)定值； 利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)根據(jù)回潮區(qū)出口水分值調(diào)節(jié)加水量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)的煙葉復(fù)烤機(jī)水分控制方法，其特征在于，所述方法還包括 利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)將冷區(qū)出口水分和鏈車速度作為回潮區(qū)控制的擾動變量進(jìn)行前饋控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)的煙葉復(fù)烤機(jī)水分控制方法，其特征在于，冷區(qū)出口水分值和回潮區(qū)出口水分值通過數(shù)值濾波方法進(jìn)行除噪。
全文摘要
本發(fā)明具體公開一種基于預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)的煙葉復(fù)烤機(jī)水分控制方法。預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)通過預(yù)測PI控制器實現(xiàn)，所述方法包括如下步驟根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定潤葉機(jī)入口加濕蒸汽閥的初始開度值，預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)根據(jù)潤葉機(jī)出口水分和開度極限值對入口蒸汽閥和出口蒸汽閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)；采集進(jìn)料流量信號，利用預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)料流量信號調(diào)節(jié)混合噴嘴的加濕量；在預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定煙葉控制溫度和熱風(fēng)控制溫度，采集熱交換器輸出的熱風(fēng)溫度和潤葉機(jī)出口處的煙葉溫度反饋回預(yù)測PI算法控制系統(tǒng)對潤葉筒的筒壁溫度進(jìn)行控制。本發(fā)明實現(xiàn)煙葉復(fù)烤整線的水分和溫度的自動控制，提高現(xiàn)場工藝控制能力，整體提升煙葉復(fù)烤加工質(zhì)量。
文檔編號A24B3/10GK103054152SQ20121058261
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者羅巖峰, 劉永強(qiáng), 謝曉斌, 李敏, 陳越立 申請人:廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司