煙草工藝過程中組合積分系統(tǒng)的應(yīng)用探討

王鳳玲 王賓 王長杰

摘要：煙草工藝在以往過程中所應(yīng)用的方法主要是人工智能以及PID等，這些方法具有一定的缺陷無法有效控制組合積分系統(tǒng)，控制的精度也非常低，最低只能將烘絲出口含水率控制在0.5%的范圍。本文在此設(shè)計(jì)了在煙草工藝過程中，如何應(yīng)用組合積分系統(tǒng)，然后對該方法的特點(diǎn)等進(jìn)行分析，以為更好的應(yīng)用該方法提供理論指引。

關(guān)鍵詞：煙草工藝；組合積分系統(tǒng)；含水率

引言

作為一種新型的過程系統(tǒng)，組合積分系統(tǒng)的本質(zhì)是開環(huán)穩(wěn)定且可將被近似成一階對象。比如通常情況下，煙草工藝都可以被認(rèn)為是一階時(shí)滯對象。以往的控制策略雖然在一定程度上可以滿足生產(chǎn)需求，但是伴隨工業(yè)化進(jìn)程的加快，這些控制方式無法較好的控制組合積分對象，實(shí)現(xiàn)的精度非常低，能夠控制的烘絲出口含水率比較有限，在很多情況下都無法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。因此，本文在此探討新的控制方法。

一、煙草行業(yè)的組合積分系統(tǒng)

就組合積分而言，其針對的對象時(shí)開環(huán)穩(wěn)定的對象，所傳遞的函數(shù)主要包括兩個(gè)或以上的積分時(shí)滯對象。通常情況下，組合積分的對象主要有四種類型。在烘絲過程中，其出口含水率的過程可以應(yīng)用組合積分系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進(jìn)行表示。通過傳送帶將煙絲傳送到滾筒時(shí)，滾筒設(shè)有夾套，然后通入中壓蒸汽，對筒內(nèi)的空氣和煙絲進(jìn)行加熱。由于滾筒不斷的旋轉(zhuǎn)，加上熱風(fēng)所產(chǎn)生的作用，使得煙絲不斷的向前移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)脫水的目的。在這一過程中，被控制的變量也就是煙絲的出口含水率。如果把通入的中壓蒸汽的閥位設(shè)計(jì)成一個(gè)躍階，保持出口含水率大約一分鐘以后，就會(huì)緩緩的直線下降，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。而下降的時(shí)間主要和熱風(fēng)的速度以及滾筒的旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)。

對于潤風(fēng)和潤葉而工序而言，其含水率的過程和傳遞函數(shù)比較相似。但是加熱方式有很大不同，各個(gè)系統(tǒng)的加熱方式都會(huì)存在一定的差異。對于膨脹煙絲而言，其出口含水率的過程的傳遞函數(shù)屬于比較典型的類型。在膨脹煙絲的入口點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)的滾筒之間存在一個(gè)高壓水噴頭，該噴頭會(huì)將高壓水以霧狀形式噴出，然后由煙絲所吸收[1]。對于打葉復(fù)烤廠回潮工段，其出口含水率的過程也比較典型，在對其進(jìn)行控制時(shí)主要包含這樣幾個(gè)部分。總流量由一個(gè)調(diào)節(jié)總閥進(jìn)行控制，各個(gè)部分的水流量主要由手動(dòng)進(jìn)行控制。傳送帶會(huì)將煙葉分?jǐn)?shù)輸送到回潮工段的各個(gè)部分，通過對手動(dòng)閥門進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到控制水流量的目的，進(jìn)而滿足該工藝的生產(chǎn)要求。

二、組合積分系統(tǒng)控制算法

組合積分系統(tǒng)即便沒有模型失配，也不管如何整定PID控制器，都經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)階躍響應(yīng)失調(diào)的情況，有可能是響應(yīng)比較慢，也有可能是響應(yīng)無法達(dá)到設(shè)定的點(diǎn)，無法實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速度和魯棒穩(wěn)定性的平衡。假設(shè)并不存在滯后的組合積分系統(tǒng)，也沒有PID控制器。可以采用新的整定方法，整定PID的最優(yōu)參數(shù)。為更好的進(jìn)行比較，可以設(shè)置幾組PID參數(shù)。但是不管如何整定PID參數(shù)，都無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性和響應(yīng)速度的平衡。為更好的解決該問題，并且對積分的特殊性加以考慮，以模型為基礎(chǔ)構(gòu)建一種新的算法，進(jìn)而對控制器的傳遞函數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)。

由于比例的作用，控制器會(huì)設(shè)置一個(gè)初始階躍響應(yīng)，并在特定的時(shí)間段內(nèi)保持不變，此后變積分會(huì)發(fā)揮其作用，使得初始躍階不斷上升，再在穩(wěn)定積分的影響下，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的上升[2]。所以，在此情況下，控制器不僅具有PI控制器的典型特征變積分作用，而且可以進(jìn)行預(yù)測，因此可以將其稱為偽預(yù)測PID控制器。該控制器主要有3個(gè)參數(shù)，分別是過程的穩(wěn)態(tài)增益、上升的時(shí)間和純滯后時(shí)間。根據(jù)設(shè)計(jì)程序所具有的相似性，可以對組合積分系統(tǒng)的控制器傳遞函數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)。可以發(fā)現(xiàn)，新的偽預(yù)測PID控制算法使得系統(tǒng)的閉環(huán)階躍響應(yīng)性能得到了極大的改善。在過程對象出現(xiàn)變化的情況下，就會(huì)存在嚴(yán)重的模型失配現(xiàn)象。而就控制性能來說，新的控制算法要優(yōu)于PID控制器。

三、應(yīng)用情況分析

烘絲過程的出口含水率指標(biāo)，具有一定的復(fù)雜性，控制起來比較困難。與中壓蒸汽的閥位相比，可以將其傳遞函數(shù)近似成組合積分系統(tǒng)。為防止中壓蒸汽壓力影響烘絲筒的溫度，可以從中引入溫度控制器回路，然后按照串級控制模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且還應(yīng)設(shè)置前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，對總脫水量發(fā)生變化而導(dǎo)致的干擾進(jìn)行補(bǔ)償。為在控制烘絲含水量的過程中更好的應(yīng)用新的控制算法，需要構(gòu)建新的傳遞函數(shù)模型，無需建立單獨(dú)的含水率模型。

在控制器的輸出上加入一系列躍階信號(hào)，進(jìn)而將中壓蒸汽的閥位而不斷的進(jìn)行調(diào)整。為確保在工藝要求的范圍內(nèi)控制出口含水率，將躍階幅度控制在10以下的水平。在一些情況下，躍階測試的信號(hào)出現(xiàn)不規(guī)則的情況，主要是由于人工進(jìn)行的干預(yù)，目的是預(yù)防出口超出工藝條件。而通常情況下，溫度會(huì)比較快的響應(yīng)，純滯后并不顯著，并且能夠發(fā)現(xiàn)控制器的輸出響應(yīng)呈現(xiàn)出一階特性。然后采用最小二乘法，可以得出相應(yīng)的傳遞函數(shù)。

在卷煙廠實(shí)際應(yīng)用該控制策略時(shí)，發(fā)現(xiàn)控制性能提升的非常明顯。在正常生產(chǎn)條件下，原來的控制方案能夠?qū)Τ隹诤实目刂圃?.5%上下的水平，而在一些不正常的生產(chǎn)條件下，比如在進(jìn)料含水率出現(xiàn)比較大的變化情況時(shí)，能夠控制的精度則是1%上下。為防止出現(xiàn)更大的波動(dòng)，必須要使用新的控制方案，進(jìn)而控制好出口含水率。在此情況下，取得了非常好的控制作用，出口含水率的變化幅度非常小。

結(jié)語

以往煙草工藝中所使用的方法在當(dāng)前時(shí)期已經(jīng)無法滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，必須要應(yīng)用新的算法，本文對此進(jìn)行分析。并且認(rèn)為在新的模式下，取得了非常顯著的控制效果。在實(shí)際應(yīng)用中，還要結(jié)合實(shí)際情況不斷進(jìn)行優(yōu)化，以提升該算法的適用性。

參考文獻(xiàn)：

[1]任正云，鄭達(dá)，羅平.組合積分系統(tǒng)在煙草工藝過程中的應(yīng)用[J].煙草科技，2017，42（11）：23-26.

[2]羅平.組合積分系統(tǒng)研究及應(yīng)用[D].東華大學(xué)，2016.