專利名稱：一種對(duì)煙葉復(fù)烤機(jī)水分、溫度的模型預(yù)測(cè)控制方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煙草加工領(lǐng)域，特別是涉及打葉復(fù)烤生產(chǎn)線對(duì)煙片復(fù)烤機(jī)水分、溫度 的一種先進(jìn)的控制方法。
背景技術(shù)：
煙葉復(fù)烤是煙葉從農(nóng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)變到工業(yè)生產(chǎn)原料的一個(gè)整理和準(zhǔn)備性的加工過(guò)程， 是煙草加工“第一車間”，它是在烤煙生產(chǎn)的基礎(chǔ)上形成的，同時(shí)煙葉復(fù)烤作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)并 逐步發(fā)展到規(guī)?；凸I(yè)化，為卷煙工業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)片煙投料奠定支撐基礎(chǔ)。煙片復(fù)烤機(jī)是打葉復(fù)烤生產(chǎn)線中的主要設(shè)備，其用途是調(diào)整煙片中的水分，去除 煙片中的雜氣，殺滅煙片中的害蟲(chóng)和病菌，使煙片更適合于存儲(chǔ)與醇化。其工作過(guò)程是物料 通過(guò)網(wǎng)帶輸送進(jìn)入復(fù)烤機(jī)，采用傳導(dǎo)、對(duì)流等熱交換方式，分別進(jìn)行烘烤、冷卻、回潮工藝處 理，使葉片的水分、溫度達(dá)到規(guī)定的工藝技術(shù)指標(biāo)。烘烤一般是四個(gè)單獨(dú)的烘烤區(qū)(部分廠家有五個(gè)烤區(qū))，利用上下交替熱風(fēng)烘烤 煙葉，通過(guò)排潮系統(tǒng)排走濕熱氣體，去除煙片中自由水，殺死部分煙葉病蟲(chóng)。控制目標(biāo)干燥 區(qū)出口處煙片水分達(dá)到8-10 %。冷卻煙片從干燥區(qū)出來(lái)后，進(jìn)入冷卻區(qū)。在冷卻區(qū)，利用較低溫度的循環(huán)風(fēng)使煙 片溫度降至35-45%之間，穩(wěn)定烘烤水分，為煙片回潮提供工藝條件?；爻币话阌袃蓚€(gè)單獨(dú)的回潮區(qū)(部分廠家增加過(guò)渡間)，利用物料與濕熱汽體的 壓力差、溫度差，混合水汽、霧化水上下交替回潮煙片，物料充分吸收熱量與水汽，水分逐漸 增加直至達(dá)到工藝目標(biāo)煙片水分11% -13%，溫度< 55°C，送至出料端至下工序。目前復(fù)烤生產(chǎn)線主要采用PLC控制系統(tǒng)中的PID單回路(PID，比例積分微分控 制)對(duì)復(fù)烤機(jī)的生產(chǎn)進(jìn)行控制，現(xiàn)場(chǎng)配置了操作站。部分生產(chǎn)線同時(shí)建立了中央監(jiān)控系統(tǒng)。 盡管國(guó)內(nèi)多數(shù)打葉復(fù)烤企業(yè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平較高，但在一些控制環(huán)節(jié)上仍存在一定的 問(wèn)題一是烘烤溫度與流量設(shè)置、網(wǎng)面風(fēng)速與網(wǎng)帶速度不能自動(dòng)匹配，熱風(fēng)不能有效穿透葉 片層，烘烤后水分不均勻；二是因?yàn)镻ID單回路只考慮一個(gè)回路本身(流量、或者單一位置 的溫度等)，復(fù)烤水分控制目前大部分依賴人工形成閉環(huán)調(diào)節(jié)，其控制依賴操作人員的水 平高低及熟練程度，出口煙葉水分受操作員工對(duì)設(shè)備熟悉程度、操作經(jīng)驗(yàn)多少、來(lái)料流量波 動(dòng)、設(shè)備工況(動(dòng)能擾動(dòng))等因素干擾而容易處于波動(dòng)失控，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。與其他工業(yè)過(guò)程比較，煙葉復(fù)烤過(guò)程具有其明顯的特點(diǎn)，是一個(gè)多干擾、強(qiáng)耦合、 大滯后、非線性、不確定的大熱容過(guò)程。在生產(chǎn)過(guò)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(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生熱交換作用，從而達(dá)到煙葉的 干燥、冷卻、回潮工藝目的。不同流量、網(wǎng)帶速度及不同過(guò)程的任一區(qū)段溫度、濕度的變化， 都會(huì)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。問(wèn)題的癥結(jié)在于每個(gè)PID回路單獨(dú)運(yùn)行，沒(méi)有考慮相關(guān)被控指標(biāo)(水分，溫度等) 的變化，需要由操作員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)去實(shí)現(xiàn)人工閉環(huán)控制，如附圖1，其缺點(diǎn)是依賴于人的操作習(xí)慣、經(jīng)驗(yàn)等，勞動(dòng)強(qiáng)度大。附圖1中過(guò)程干擾變量主要是指進(jìn)料變化等對(duì)復(fù)烤崗位有影響但是復(fù)烤崗位不 能調(diào)節(jié)的變量；被控變量主要是指最終煙葉的水含量，還包括各區(qū)域溫度等；測(cè)量參數(shù)是 指過(guò)程各區(qū)域的溫度、水分等的測(cè)量值。操作員參考進(jìn)料等前饋信息不夠及時(shí)，或者不能充分利用前饋信息；以及進(jìn)行調(diào) 節(jié)的周期比較長(zhǎng)，難以對(duì)過(guò)程中大的波動(dòng)(進(jìn)料變化，或者蒸汽溫度壓力的突變)進(jìn)行及時(shí) 有效的調(diào)整。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種對(duì)煙葉復(fù)烤機(jī)水分、溫度的模型預(yù)測(cè)控制方 法，包括過(guò)程測(cè)試步驟，通過(guò)對(duì)煙葉復(fù)烤機(jī)的PLC進(jìn)行階躍測(cè)試，獲得關(guān)于煙葉復(fù)烤過(guò)程 中的操作變量、前饋?zhàn)兞亢捅豢刈兞康臏y(cè)試數(shù)據(jù)；過(guò)程辨識(shí)步驟，對(duì)所獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行 分析，以辨識(shí)過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，所述動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型包括一系列子模型，每一個(gè)子模型表 示操作變量或前饋?zhàn)兞颗c被控變量之間的數(shù)學(xué)影響關(guān)系；控制器設(shè)計(jì)步驟，根據(jù)工藝原理 和操作經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整得到的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，從而建立模型預(yù)測(cè)控制器；控制器運(yùn)行步驟，運(yùn)行 模型預(yù)測(cè)控制器，在模型預(yù)測(cè)控制器的運(yùn)行中，根據(jù)被控指標(biāo)的要求和所測(cè)量的被控變量 反饋以及前饋?zhàn)兞康淖兓?jì)算操作變量，并將其作用到PLC中的指定PID回路上。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種對(duì)煙葉復(fù)烤機(jī)水分、溫度的模型預(yù)測(cè)控制 系統(tǒng)，包括服務(wù)器，用于運(yùn)行模型預(yù)測(cè)控制器，模型預(yù)測(cè)控制器在運(yùn)行中，根據(jù)煙葉復(fù)烤過(guò) 程中的被控指標(biāo)的要求和所測(cè)量的被控變量反饋以及前饋?zhàn)兞康淖兓?jì)算操作變量，并將 其作用到PLC系統(tǒng)中的指定PID回路上；以及PLC系統(tǒng)，用于通過(guò)PID回路對(duì)復(fù)烤設(shè)備進(jìn)行 控制。


圖1是沒(méi)有實(shí)施模型預(yù)測(cè)控制時(shí)的人工閉環(huán)操作示意圖；圖2是采用本發(fā)明的模型預(yù)測(cè)控制后的系統(tǒng)控制流程圖；圖3是本發(fā)明所用階躍測(cè)試序列波形；圖4是本發(fā)明實(shí)施例子模型示例；圖5是本發(fā)明實(shí)施例PLC底層安全邏輯結(jié)構(gòu)；圖6是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)例的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例要解決的問(wèn)題是提供一種全方位的先進(jìn)的煙葉復(fù)烤機(jī)的控制方法， 將優(yōu)秀操作員的操作經(jīng)驗(yàn)與工藝機(jī)理結(jié)合起來(lái)，具體的做法有過(guò)程有許多操作變量與被 控變量，其數(shù)學(xué)影響關(guān)系廣泛存在，但是工藝操作上某些操作變量只用來(lái)控制某一個(gè)或者 幾個(gè)被控變量，如干燥一區(qū)的溫控閥對(duì)干燥區(qū)溫度是操作變量，而對(duì)回潮區(qū)溫度的影響也 存在，但是工藝操作上習(xí)慣于用回潮區(qū)蒸汽閥來(lái)控制回潮區(qū)溫度，而把干燥一區(qū)的溫控閥 開(kāi)度變化對(duì)回潮區(qū)的影響作為前饋因素。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于充分考慮過(guò)程數(shù)學(xué)模型而又不 拘泥于數(shù)學(xué)模型，用工藝機(jī)理來(lái)調(diào)整數(shù)學(xué)模型，使之更適合于控制需求。
依據(jù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制(如附圖2)，以克服進(jìn)料流量、 溫度、水分等對(duì)復(fù)烤過(guò)程的干擾，以實(shí)現(xiàn)高精度、高頻率的調(diào)節(jié)。附圖2與附圖1相比，是把 操作員換成了 DMC控制器，DMC控制器吸取了操作員的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)具有計(jì)算機(jī)控制實(shí)時(shí)性的 優(yōu)點(diǎn)，充分利用前饋信息與過(guò)程測(cè)量值，高頻率的實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案提供一種煙葉復(fù)烤機(jī)的模型預(yù)測(cè)控制 方法，所述方法包括以下步驟過(guò)程測(cè)試，過(guò)程辨識(shí)，控制器設(shè)計(jì)，控制器組態(tài)，PLC底層邏 輯設(shè)計(jì)，控制器運(yùn)行，控制器監(jiān)控與維護(hù)。過(guò)程測(cè)試，建立接口平臺(tái)，收集過(guò)程數(shù)據(jù)。實(shí)施例需要對(duì)裝置作必要的階躍測(cè)試， 做到充分激勵(lì)，以激發(fā)出過(guò)程的各種動(dòng)態(tài)特性。過(guò)程辨識(shí)，采用最小二乘法辨識(shí)或者子空間法辨識(shí)等，對(duì)得到的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析與計(jì)算，以得到過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。模型用有限脈沖響應(yīng)表示。控制器設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)工藝原理以及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)(操作習(xí)慣)，調(diào)整得到的過(guò)程模 型，確定控制器的結(jié)構(gòu)，明確各個(gè)自變量(操作變量、前饋?zhàn)兞?對(duì)各個(gè)因變量(被控變量) 的數(shù)學(xué)影響關(guān)系?？刂破鹘M態(tài)，主要是確定控制器在線運(yùn)行所需要的一些列組態(tài)參數(shù)，并根據(jù)生產(chǎn) 要求確定各個(gè)被控指標(biāo)的優(yōu)先級(jí)、權(quán)重等。PLC底層邏輯設(shè)計(jì)，主要是為了做到預(yù)測(cè)控制器的投用切除能安全無(wú)擾動(dòng)，不會(huì)出 現(xiàn)底層控制回路(PID)控制權(quán)不確定的情況，并監(jiān)控預(yù)測(cè)控制器與PLC的通訊狀態(tài)。控制器運(yùn)行，采用一臺(tái)獨(dú)立于PLC的計(jì)算機(jī)(DMC服務(wù)器)，運(yùn)行模型預(yù)測(cè)控制器， 運(yùn)行中控制器根據(jù)被控指標(biāo)的要求以及前饋?zhàn)兞康淖兓皶r(shí)動(dòng)作，以適應(yīng)被控變量上下限 的變化以及補(bǔ)償前饋?zhàn)兞繉?duì)過(guò)程造成的干擾?？刂破鞅O(jiān)控與維護(hù)，采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)收集過(guò)程數(shù)據(jù)與控制器各種狀態(tài)，以監(jiān)控控 制器運(yùn)行質(zhì)量并根據(jù)過(guò)程工藝狀態(tài)的變化及時(shí)修正模型。模型預(yù)測(cè)控制是針對(duì)大滯后，多變量、存在干擾與耦合過(guò)程的有效控制策略。本實(shí) 施例思路大體可以用模型預(yù)測(cè)控制的以下三個(gè)基本特征來(lái)加以描述預(yù)估模型用模型來(lái)預(yù)估未來(lái)時(shí)刻被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和被控參數(shù)的誤差，以之作為確定當(dāng) 前控制作用的依據(jù)，使控制策略適應(yīng)被控對(duì)象的存儲(chǔ)性、因果性和滯后性，可得到預(yù)想的控 制效果。傳統(tǒng)的PID控制只有P、I、D等有限幾個(gè)參數(shù)，難以概括對(duì)象復(fù)雜的特性，而模型預(yù) 測(cè)控制器中存儲(chǔ)有煙葉復(fù)烤機(jī)的模型，計(jì)算中可以根據(jù)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)當(dāng)前操作序列與干擾 序列下的預(yù)期水分、溫度等變化軌跡。反饋修正利用可測(cè)信息，在每個(gè)采樣時(shí)刻對(duì)被控參數(shù)的預(yù)估值進(jìn)行修正，抑制模型失配和 干擾帶來(lái)的誤差。用修正后的預(yù)估值作為計(jì)算最優(yōu)控制的依據(jù)，使控制系統(tǒng)的魯棒性得到 明顯提高。本實(shí)施例采用有限脈沖響應(yīng)序列來(lái)表達(dá)煙葉復(fù)烤機(jī)的動(dòng)態(tài)模型，是一種線性模 型，實(shí)際過(guò)程具有嚴(yán)重非線性特性，因此模型是一種簡(jiǎn)化與近似，為了彌補(bǔ)模型/對(duì)象不匹 配，需要在計(jì)算的每一周期根據(jù)前一周期對(duì)被控變量當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)測(cè)值與當(dāng)前時(shí)刻的實(shí)際測(cè)量值之間的偏差對(duì)當(dāng)前時(shí)刻作出的預(yù)測(cè)值進(jìn)行校正，以提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。滾動(dòng)優(yōu)化預(yù)估控制是一種最優(yōu)控制策略，其控制目標(biāo)是使某項(xiàng)性能指標(biāo)最小，并采用預(yù)估 偏差來(lái)計(jì)算控制作用序列，但只有第一個(gè)控制作用序列是實(shí)際加以執(zhí)行的。在下一個(gè)采樣 時(shí)刻還要根據(jù)當(dāng)時(shí)的預(yù)估偏差重新計(jì)算控制作用序列。這種控制作用序列的計(jì)算不像最優(yōu) 控制那樣一次計(jì)算出最優(yōu)結(jié)果，而是按采樣時(shí)間周而復(fù)始地不斷進(jìn)行，故被稱為滾動(dòng)優(yōu)化。本實(shí)施例采用的實(shí)施周期為15秒，可以對(duì)過(guò)程的干擾及時(shí)有效的進(jìn)行抑制與補(bǔ) m
te ο下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述，以下實(shí)施 例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明采用一種整套的用于煙葉復(fù)烤機(jī)的模型預(yù)測(cè)控制與監(jiān)控、維護(hù)方法，包括 DMC服務(wù)器、PLC工程師站以及PLC操作站三方面的工作。通過(guò)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)(0PC數(shù)采程序或者實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù))收集控制器相關(guān)的所有生產(chǎn) 數(shù)據(jù)(操作變量、被控變量、前饋?zhàn)兞浚约捌渌c本復(fù)烤過(guò)程相關(guān)的數(shù)據(jù))，確認(rèn)數(shù)據(jù)采集 可靠后實(shí)施階躍測(cè)試。階躍測(cè)試需要滿足兩點(diǎn)要有充分激勵(lì)，以激發(fā)出過(guò)程盡可能多的動(dòng)態(tài)特性，譜分 析角度看，輸入信號(hào)的頻譜必須足以覆蓋過(guò)程的頻譜；其次又不能干擾正常生產(chǎn)，不至于影 響產(chǎn)品質(zhì)量。本實(shí)施例采用M序列(偽隨機(jī)二進(jìn)制序列，廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制中)作為測(cè) 試信號(hào)，具有操作簡(jiǎn)便，而不至于對(duì)過(guò)程造成重大干擾的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)施例所用測(cè)試周期為τ =5min。制定階躍測(cè)試方案，主要內(nèi)容是與工藝人員商討每個(gè)操作變量的測(cè)試幅度。本發(fā) 明實(shí)施例中所有的操作變量測(cè)試時(shí)都是手動(dòng)模式(指PID回路的手動(dòng)模式)，測(cè)試時(shí)直接操 作PID的閥位，幅度都是士5%。按照附圖3的曲線，讓待測(cè)試的操作變量閥位按照曲線變 化，其他操作變量保持不變。階躍測(cè)試的具體步驟如下1)確認(rèn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運(yùn)行和可靠性；2)對(duì)相關(guān)PID回路進(jìn)行參數(shù)整定，確認(rèn)現(xiàn)有的底層控制回路調(diào)節(jié)性能良好，整定 PID參數(shù)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是穩(wěn)準(zhǔn)快(穩(wěn)是指PID回路的過(guò)程值不會(huì)持續(xù)大幅度波動(dòng)，準(zhǔn)是指PID 回路的設(shè)定值變化時(shí)過(guò)程值一定時(shí)間內(nèi)能跟蹤上，不會(huì)有余差，快是指PID回路動(dòng)作及時(shí)， 不會(huì)出現(xiàn)爬行狀態(tài)。)，對(duì)于不需要投用自動(dòng)模式的PID回路，不需要進(jìn)行PID參數(shù)整定；；3)按設(shè)計(jì)的階躍測(cè)試方案中的變動(dòng)幅度(士5% )和持續(xù)時(shí)間(5min的整數(shù)倍)， 按實(shí)施例規(guī)定的動(dòng)作波形(附圖3)，操作某一個(gè)操作變量(MV)(如干燥一區(qū)的溫控閥)，并 保持其它MV(如回潮一區(qū)的蒸汽閥)的穩(wěn)定。觀察所有被控變量(CV)的響應(yīng)；4)對(duì)其它操作變量(MV)，重復(fù)步驟3)?；陔A躍測(cè)試得到的過(guò)程數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型辨識(shí)。模型辨識(shí)的步驟如下1)從過(guò)程數(shù)據(jù)中剔除不適宜辨識(shí)的部分(不適合于辨識(shí)的部分是指間歇性停工、 切換原料以及操作失誤導(dǎo)致溫度濕度失控的部分)，選擇測(cè)試數(shù)據(jù)；2)針對(duì)每一個(gè)子過(guò)程(本實(shí)發(fā)明施例涉及干燥區(qū)冷卻區(qū)、回潮區(qū)兩個(gè)子過(guò)程)，選擇對(duì)應(yīng)的自變量與因變量(自變量包含操作變量與前饋?zhàn)兞?，因變量是指被控變?；3)辨識(shí)子過(guò)程模型。子過(guò)程模型由本子過(guò)程的一系列子模型表示，過(guò)程的子模型 是指控制器中使用的一對(duì)一的影響關(guān)系，一對(duì)一是指自變量對(duì)因變量，比如干燥一區(qū)的溫 控閥對(duì)干燥二區(qū)的溫度的影響關(guān)系；本發(fā)明實(shí)施例采用有限脈沖響應(yīng)來(lái)表示各個(gè)子模型； 附圖4中每個(gè)方格表示一個(gè)子模型的曲線，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示脈沖響應(yīng)(FIR)在 各個(gè)對(duì)應(yīng)時(shí)間的數(shù)值，空白的方格表示對(duì)應(yīng)位置的自變量對(duì)因變量的子模型不存在或者控 制器不考慮；4)合成總過(guò)程模型，在本發(fā)明實(shí)施例中是指將干燥區(qū)冷卻區(qū)、回潮區(qū)兩個(gè)子過(guò)程 合并成為總的模型，包含DMC控制器所有的自變量與因變量。在模型辨識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)?？刂破髟O(shè)計(jì)的目的是根據(jù)工藝機(jī)理，確定每個(gè)子模型是否應(yīng)該存在，以及該存在 的子模型的增益方向與滯后時(shí)間。并根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)與習(xí)慣將自變量分為操作變量與前饋?zhàn)兞俊？刂破髟O(shè)計(jì)的目的是確定預(yù)測(cè)控制所用模型的結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中控制器模型分為 兩段，冷卻區(qū)(含)前為一段，主要控制冷卻區(qū)濕度，并兼顧干燥區(qū)溫度；冷卻區(qū)后為一段， 控制出口水分，兼顧回潮區(qū)溫度。PLC底層組態(tài)與邏輯設(shè)計(jì)。其作用有兩點(diǎn)DMC服務(wù)器與PLC的通信監(jiān)控，通信的內(nèi)容是DMC讀取PLC中DMC控制器的各個(gè)自 變量與因變量，并將控制器的作用直接輸出到各個(gè)操作變量的PID回路閥位上，通信中斷 時(shí)，將各PID控制回路退出DMC服務(wù)器的操作，返回到由操作員控制的常規(guī)控制狀態(tài)；檢查回路當(dāng)前狀態(tài)，判斷是否具備投運(yùn)條件。如具備，將回路狀態(tài)設(shè)置位正確的投 運(yùn)狀態(tài)，如不具備，將回路返回常規(guī)狀態(tài)。DMC服務(wù)器上給每個(gè)操作變量定義了一個(gè)參數(shù)，稱 作L00PST，標(biāo)識(shí)在預(yù)測(cè)控制器中該回路是否被用作操作變量。實(shí)現(xiàn)DMC服務(wù)器到PLC的控制，是指DMC控制器根據(jù)控制器各變量的信息以及控 制器算法，計(jì)算出合適的操作變量當(dāng)前值，并據(jù)此操作PLC中的PID回路。需要在PLC中建 立若干數(shù)值點(diǎn)、開(kāi)關(guān)點(diǎn)、計(jì)時(shí)器、安全邏輯與操作畫(huà)面。并調(diào)試邏輯的可用性。數(shù)值點(diǎn)的作用是在PLC端存儲(chǔ)DMC控制器所有操作變量上下限、所有被控變量目 標(biāo)值等數(shù)值點(diǎn)，以提供給操作員豐富的控制器運(yùn)行信息。開(kāi)關(guān)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于控制器中的控制器 總開(kāi)關(guān)、各操作變量使用開(kāi)關(guān)、各被控變量被控開(kāi)關(guān)。計(jì)時(shí)器(WATCHDOG)與安全邏輯負(fù)責(zé) 監(jiān)控DMC控制器與PLC的通訊，防止長(zhǎng)時(shí)間通訊中斷而底層PID回路又不歸操作員操作，并 實(shí)現(xiàn)常規(guī)操作員操作與預(yù)測(cè)控制的無(wú)擾動(dòng)切換。安全邏輯由梯形圖實(shí)現(xiàn)其功能。其邏輯結(jié) 構(gòu)見(jiàn)附圖5。附圖5中的LOOPST是DMC控制器中用以標(biāo)記某個(gè)操作變量所指向的PID回路是 否能接受DMC控制器作用的狀態(tài)量，如果LOOPST = 1，則表示操作員將此操作變量的投用開(kāi) 關(guān)切換到“投用”模式，DMC控制器可以作用于此PID回路；如果LOOPST = 0，則表示操作員 將此操作變量的投用開(kāi)關(guān)切換到“切除”模式，或者此PID回路有故障，DMC控制器不能作用 于此PID回路?？刂破鹘M態(tài)?？刂破鹘M態(tài)設(shè)置控制器運(yùn)行的各種參數(shù)，主要有調(diào)整步幅，上下限， 權(quán)重，優(yōu)先級(jí)等。根據(jù)生產(chǎn)要求設(shè)置。本實(shí)施例中，濕度最重要，因此其優(yōu)先級(jí)最高；同一優(yōu)先級(jí)的被控變量可以設(shè)置不同的權(quán)重，來(lái)區(qū)分重要性，比如冷卻區(qū)的濕度與干燥二區(qū)的溫 度屬于同一優(yōu)先級(jí)，但是冷卻區(qū)濕度的權(quán)重為10，而干燥二區(qū)的溫度的權(quán)重為5，說(shuō)明冷卻 區(qū)濕度的重要性更大。控制器運(yùn)行。上述步驟結(jié)束后，控制器具備上線運(yùn)行條件。在線運(yùn)行時(shí)需要先將 控制器啟動(dòng)，開(kāi)環(huán)運(yùn)行，即DMC只計(jì)算控制器的控制輸出，但是不作用到PLC中的PID回路 上去，觀察前饋?zhàn)兞孔兓约氨豢刈兞磕繕?biāo)變化時(shí)操作變量的動(dòng)作方向是否正確，以及是 否動(dòng)作及時(shí)，據(jù)此進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化組態(tài)參數(shù)。一切就緒后可以將控制器閉環(huán)運(yùn)行，即DMC計(jì) 算控制器的控制輸出，同時(shí)作用到PLC中的PID回路上去，并持續(xù)觀察一段時(shí)間。控制器監(jiān)控與維護(hù)?？刂破魃暇€后需要持續(xù)觀察一周，進(jìn)行操作培訓(xùn)與理論培訓(xùn)， 并優(yōu)化組態(tài)參數(shù)，優(yōu)化的組態(tài)參數(shù)是指優(yōu)先級(jí)與權(quán)重，根據(jù)控制器運(yùn)行效果與生產(chǎn)要求調(diào) 整。所有相關(guān)過(guò)程數(shù)據(jù)(如控制器自變量、因變量等)都收集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便監(jiān)控控 制器性能并在控制器性能下降時(shí)(如出現(xiàn)溫度、濕度等被控變量波動(dòng)大時(shí))重新辨識(shí)過(guò)程 模型。本發(fā)明中的控制方法由獨(dú)立于PLC系統(tǒng)的一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)(稱為DMC服務(wù)器) 實(shí)現(xiàn)，有助于分散風(fēng)險(xiǎn)，在具備優(yōu)良控制其性能的前提下又不至于增加PLC計(jì)算負(fù)荷。本發(fā) 明實(shí)施例的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如附圖6所示。最上層的DMC服務(wù)器運(yùn)行預(yù)測(cè)控制器，并可以 修改組態(tài)參數(shù)；DMC通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)位于PLC系統(tǒng)的OPC接口，實(shí)現(xiàn)通訊，PLC系統(tǒng)中能進(jìn) 行控制器日常操作，并運(yùn)行安全邏輯；PLC系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)復(fù)烤設(shè)備進(jìn)行控制；實(shí) 時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)收集并存儲(chǔ)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)以及預(yù)測(cè)控制器內(nèi)部數(shù)據(jù)，用于監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程與預(yù) 測(cè)控制器性能。相比較于傳統(tǒng)的單回路PID控制，本發(fā)明所采用控制器包含更多的過(guò)程信息(以 過(guò)程模型的形式表達(dá))，包含更多組態(tài)參數(shù)(調(diào)整步幅、優(yōu)先級(jí)、權(quán)重等)，能自動(dòng)關(guān)聯(lián)自變 量與因變量實(shí)現(xiàn)閉環(huán)(類似于一個(gè)多對(duì)多的大串級(jí)回路)，因此能提供比常規(guī)控制更優(yōu)異 的性能?？偠灾?，本發(fā)明提供了一種基于裝置數(shù)學(xué)特性與工藝特性的煙葉復(fù)烤機(jī)的先進(jìn) 的控制框架——在一臺(tái)獨(dú)立于底層控制器的高性能計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制算法，并遠(yuǎn)程 操作底層控制回路，同時(shí)采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)監(jiān)控控制器性能與維護(hù)控制器模型參數(shù)等；在不 脫離本發(fā)明框架的前提下，可以對(duì)其中某一部分做出改進(jìn)與優(yōu)化(如改變控制器算法為自 適應(yīng)控制、內(nèi)?？刂?，或者模型表達(dá)方式由目前的HR變成傳遞函數(shù)等)，這也屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)煙葉復(fù)烤機(jī)水分、溫度的模型預(yù)測(cè)控制方法，包括過(guò)程測(cè)試步驟，通過(guò)對(duì)煙葉復(fù)烤機(jī)的PLC進(jìn)行階躍測(cè)試，獲得關(guān)于煙葉復(fù)烤過(guò)程中的 操作變量、前饋?zhàn)兞亢捅豢刈兞康臏y(cè)試數(shù)據(jù)；過(guò)程辨識(shí)步驟，對(duì)所獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以辨識(shí)過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，所述動(dòng)態(tài) 數(shù)學(xué)模型包括一系列子模型，每一個(gè)子模型表示操作變量或前饋?zhàn)兞颗c被控變量之間的數(shù) 學(xué)影響關(guān)系；控制器設(shè)計(jì)步驟，根據(jù)工藝原理和操作經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整得到的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，從而建立模型 預(yù)測(cè)控制器；控制器運(yùn)行步驟，運(yùn)行模型預(yù)測(cè)控制器，在模型預(yù)測(cè)控制器的運(yùn)行中，根據(jù)被控指標(biāo)的 要求和所測(cè)量的被控變量反饋以及前饋?zhàn)兞康淖兓?jì)算操作變量，并將其作用到PLC中的 指定PID回路上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的模型預(yù)測(cè)控制方法，還包括控制器組態(tài)步驟，根據(jù)生產(chǎn)要求設(shè)置模型預(yù)測(cè)控制器的組態(tài)參數(shù)，包括各個(gè)被控指標(biāo) 的優(yōu)先級(jí)、權(quán)重，以及操作變量的上下限。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的模型預(yù)測(cè)控制方法，還包括PLC底層組態(tài)與邏輯設(shè)計(jì)步驟，以實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器與PLC之間通信的監(jiān)控，對(duì)將控制器 的操作變量作用到各PID回路上進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)控制與常規(guī)操作員控制的無(wú)擾動(dòng)切換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的模型預(yù)測(cè)控制方法，還包括控制器監(jiān)控與維護(hù)步驟，收集過(guò)程數(shù)據(jù)與控制器的狀態(tài)，以監(jiān)控控制器的運(yùn)行質(zhì)量并 根據(jù)過(guò)程工藝狀態(tài)的變化優(yōu)化模型預(yù)測(cè)控制器的組態(tài)參數(shù)和/或重新辨識(shí)過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù) 據(jù)模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的模型預(yù)測(cè)控制方法，其中，所述控制器設(shè)計(jì)步驟包括根據(jù)工藝機(jī) 理與操作經(jīng)驗(yàn)以及生產(chǎn)線的特點(diǎn)，確定每個(gè)子模型是否應(yīng)當(dāng)存在，并計(jì)算修正應(yīng)當(dāng)存在的 子模型的滯后時(shí)間及增益方向，從而確定模型預(yù)測(cè)控制所用模型的結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的模型預(yù)測(cè)控制方法，其中，所述過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)模型用有限脈沖 響應(yīng)表示。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的模型預(yù)測(cè)控制方法，其中，所述模型預(yù)測(cè)控制器為動(dòng)態(tài)矩陣控制器
8.根據(jù)權(quán)利要求1的模型預(yù)測(cè)控制方法，其中，在獨(dú)立于PLC、并與PLC通信的服務(wù)器 上運(yùn)行模型預(yù)測(cè)控制器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的模型預(yù)測(cè)控制方法，其中，在PLC操作站上操作模型預(yù)測(cè)控制器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模型預(yù)測(cè)控制方法，其中，將控制器獨(dú)立于PLC，且控制器的 算法不局限于模型預(yù)測(cè)控制。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模型預(yù)測(cè)控制方法，其中，該方法與復(fù)烤機(jī)的型號(hào)、制造廠 家無(wú)關(guān)。
12.—種對(duì)煙葉復(fù)烤機(jī)水分、溫度的模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，包括服務(wù)器，用于運(yùn)行模型預(yù)測(cè)控制器，模型預(yù)測(cè)控制器在運(yùn)行中，根據(jù)煙葉復(fù)烤過(guò)程中的 被控指標(biāo)的要求和所測(cè)量的被控變量反饋以及前饋?zhàn)兞康淖兓?jì)算操作變量，并將其作用到PLC系統(tǒng)中的指定PID回路上；以及PLC系統(tǒng)，用于通過(guò)PID回路對(duì)復(fù)烤設(shè)備進(jìn)行控制。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，其中，所述模型預(yù)測(cè)控制器的組態(tài)參數(shù)包 括各個(gè)被控指標(biāo)的優(yōu)先級(jí)、權(quán)重，以及操作變量的上下限，并能夠根據(jù)生產(chǎn)要求設(shè)置。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，其中，所述PLC系統(tǒng)包括PLC底層組態(tài)與邏 輯裝置，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)模型預(yù)測(cè)控制器與PLC之間通信的監(jiān)控，對(duì)將模型預(yù)測(cè)控制器的操作 變量作用到各PID回路上進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)控制與常規(guī)操作員控制的無(wú)擾動(dòng)切換。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，還包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于收集并存儲(chǔ)生產(chǎn) 過(guò)程數(shù)據(jù)以及模型預(yù)測(cè)控制器的內(nèi)部數(shù)據(jù)，從而使得所述模型預(yù)測(cè)控制器的組態(tài)參數(shù)及其 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)模型能夠根據(jù)所監(jiān)控的控制器的運(yùn)行質(zhì)量以及過(guò)程工藝狀態(tài)的變化進(jìn)行優(yōu)化和 修改。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，其中，所述模型預(yù)測(cè)控制器為動(dòng)態(tài)矩陣控 制器。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，其中，控制器獨(dú)立于PLC，且控制器的 算法不局限于模型預(yù)測(cè)控制。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)與復(fù)烤機(jī)的型號(hào)、制造廠家無(wú)關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種對(duì)煙葉復(fù)烤機(jī)水分、溫度的模型預(yù)測(cè)控制方法及系統(tǒng)，該方法包括過(guò)程測(cè)試步驟，通過(guò)對(duì)煙葉復(fù)烤機(jī)的PLC進(jìn)行階躍測(cè)試，獲得關(guān)于煙葉復(fù)烤過(guò)程中的操作變量、前饋?zhàn)兞亢捅豢刈兞康臏y(cè)試數(shù)據(jù)；過(guò)程辨識(shí)步驟，對(duì)所獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以辨識(shí)過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，所述動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型包括一系列子模型，每一個(gè)子模型表示操作變量或前饋?zhàn)兞颗c被控變量之間的數(shù)學(xué)影響關(guān)系；控制器設(shè)計(jì)步驟，根據(jù)工藝原理和操作經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整得到的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，從而建立模型預(yù)測(cè)控制器；控制器運(yùn)行步驟，運(yùn)行模型預(yù)測(cè)控制器，在模型預(yù)測(cè)控制器的運(yùn)行中，根據(jù)被控指標(biāo)的要求和所測(cè)量的被控變量反饋以及前饋?zhàn)兞康淖兓?jì)算操作變量，并將其作用到PLC中的指定PID回路上。
文檔編號(hào)G05B19/418GK102147613SQ201110091318
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月12日
發(fā)明者孫軍, 黃振軍, 黃繼紅 申請(qǐng)人:黃繼紅