煙草供料成條機導軌滑塊結構離散化滯后控制研究

張紅亮

(河北白沙煙草有限責任公司 保定卷煙廠，河北 保定 074200)

0 引言

煙草供料成條機的功能是將團結在一起、雜亂無章的煙絲進行松散化處理，去除煙草中金屬顆粒、有機雜質、煙草梗以及過短煙絲，將層層篩選好煙絲劃分為規定重量的煙絲束，按照標準規格扭卷為煙支，再經過包裝銷售供消費者使用。煙支是否能夠被市場接受取決于消費者滿意程度，而滿意度被煙支質量優劣左右，去除煙草本身質量偏差，影響煙支質量最重要的因素就是煙草供料成條步驟。如果煙絲長度參差不齊，到達規定重量煙絲束形成煙支會不夠均衡蓬松，口感很差，還極易發生爆口，煙支質量差[1]。

機械制造程度是衡量任意領域的制造業整體水平和能力的重要標志，為提高煙草行業在國際的競爭實力，優化生產效率和煙支質量，本文創新性地對煙草供料成條機結構進行優化，提出煙草供料成條機導軌滑塊結構離散化滯后控制技術?；趯к壔瑝K結構的煙草供料成條機離散化滯后控制技術。導軌滑塊結構的集流過程會產生一定的阻尼，能夠保證煙草在進行松散化過程中的穩定，避免煙支被拋灑出流水線，杜絕浪費。設計離散化滯后控制算法，通過放大卷制前煙絲束瞬時質量信號，精準控制煙束修剪位置，改善煙草供料成條機控制過程的滯后問題，最后利用離散化PID技術控制內部機械振動和外界環境干擾，平衡不同種類煙絲束的密度，實現導軌滑塊結構離散化滯后控制。

1 煙草供料成條機導軌滑塊結構改進設計

煙草供料成條機是現代計算機與機械制造業結合產物，是高穩定性和高效率的自動卷煙設備，主要模塊有：機械動力模塊、煙草供給模塊，煙絲煙梗分離模塊、煙支束重量控制模塊、回絲模塊，液壓成型模塊。煙草供料成條機的組成如圖1所示。

圖1 煙草供料成條機的導軌滑塊結構

現階段的供料成條機都已經形成了相對完善的體系，結構較為統一[2]，但是各國產機型的煙絲松散程度和煙絲束均勻程度都遠遠達不到國際標準。為此本文拆分煙草供料成條機結構，深入研究，分析導軌滑塊結構在其中的應用價值和流程[3]，為實現優化成條機系統模塊提供真實數據，使出產效率和質量達到國際標準。安裝在煙草供料成條機的導軌滑塊結構如圖2所示。

圖2 煙草供料成條機的導軌滑塊結構

如圖2所示，導軌滑塊主要由兩條導軌、一個滑塊和鋼絲連接構成，在成條機機械動態力作用下，導軌滑塊的集流會具有一定的彈性[4]，其振動產生的阻尼能夠降低成條機在煙絲煙梗分離時的共振幅度[5-7]，提高集流煙絲重量精度。該結構解決了由于傳動帶傳輸導致煙絲容易斷折的問題，先簡單地將煙絲團進行初步松散，隨后借助于導軌滑塊裝置將煙絲按照箭頭指示方向輸入集流管道中[8]，分散的煙絲在垂直向上氣流的作用下，重的煙梗、金屬碎屑等會被沉淀于下方，優質且較長的煙絲有足夠體積被氣流輸送至上方，同時，集流管道是由具有大量密集網孔的不銹鋼板構成，還能進一步去除傳統成條機難以去除的灰塵和細碎煙絲，使香煙的口感更加醇厚和優質。

導軌滑塊結構技術原理如下：個體在固定空間內氣流中進行自由運動，氣流速度為v，假設能夠靜止在氣流中，那么該個體的加速度α表示為：

(1)

(2)

進一步求出粒子懸浮速度v0，若R=G，那么：

(3)

可求得：

(4)

煙草的漂浮系數Kq的懸浮速度v0可通過煙草種類和配比進行調節，由于煙絲、煙梗、金屬微粒、其他有機雜質的質量、形狀等特征不同，個體的漂浮性能也不一致，在基于導軌滑塊結構中面對的空氣阻力也不同，所以利用導軌滑塊結構能夠將煙絲和雜質很好地分離出來[9-11]。

2 導軌滑塊結構離散化滯后控制算法設計

經過導軌滑塊結構處理后的煙絲束，煙絲重量和體積仍不夠均衡，直接成型為卷，一支煙不同位置的松緊程度各不相同，在燃燒過程中非常容易發生爆口事故，影響吸煙者口感；且不同煙支間的尺寸偏差過大，不利于計量和售賣。為了平衡煙束重量，本文將離散化滯后控制算法分為檢測-控制-平衡三步驟，通過氣-液放大重量裝置，憑借放大卷制前煙絲束瞬時質量信號，控制平準器進行氣-電升降，改變修剪位置，平衡每一支煙的煙絲束密度。煙絲束密度控制流程如圖3所示。

圖3 煙絲束密度控制

2.1 基于超聲波傳感器的卷制前煙絲束瞬時質量信號采集

為了精確采集到卷制前煙絲束瞬時質量信號，需要利用超聲波傳感器采集原始煙絲束瞬時質量信號，并對煙絲束瞬時質量信號進行去噪處理。

超聲測距技術是一種方向性好、測量精度高、可靠性高、抗干擾性好的非接觸式測量技術、具有能夠實時連續測量物體物理距離的優點。它是一種非接觸式測量技術，不會受到煙絲的表面性質及粉塵的影響，尤其適用于在陰暗、多灰、高濕度環境下生產的制絲現場。采用多個超聲波傳感器感知導軌滑塊結構煙絲束瞬時質量信號，因為導軌滑塊結構的煙絲束瞬時質量信號數據量較大，因此選用非線性閾值方法對信號去噪，該方法的優點是操作簡單且計算量較小，可以保證信號中的噪聲被清理干凈。首先小波分解煙絲束瞬時質量信號，根據分層對應系數選取合適的軟硬閾值進行處理，這樣的優點是可避免因噪聲排除對信號的影響，最終在系數的協助下對信號進行逆變換并完成信號的重構序列。

將超聲波傳感器在輸送帶上方垂直安裝，通過超聲探測器將一束超聲脈沖信號發送至輸送帶上的煙絲，通過與煙絲表面相接觸，并將此過程所經過的時間和已知的超聲傳輸速率相組合，得出測量的煙草的長度再將信號反射回去，利用探測器接收信號。通過超聲波傳感器采集到帶有噪聲的煙絲束瞬時質量信號為x(k)：

(5)

式中，N為超聲波傳感器數量，Fj為一束超聲脈沖信號與煙絲束瞬時接觸的回彈信號。

選取煙絲束瞬時質量信號適合的去噪小波基函數，首先小波分解原始煙絲束瞬時質量信號，提取出煙絲束瞬時質量信號對應的尺度與細節系數，則煙絲束瞬時質量信號小波分解的表達式為：

(6)

式中，aj，k為小波分解的尺度系數，dj，k為小波分解的細節系數，h、g為濾波器，j為小波分解層數，k為離散點采樣點數，n為離散點全部數量。

經過閾值處理的細節系數可以留下真實有效的細節系數，將煙絲束瞬時質量信號中因噪聲出現的假性信號排除，閾值處理方法包含硬閾值和軟閾值函數法，其中硬閾值函數法的表達式為：

(7)

式中，W(dj，k)為閾值處理后的小波細節系數。

軟閾值函數表達式為：

(8)

式中，sgn為符號函數，λ為最合理的閾值。

經過軟閾值函數對小波系數進行收縮處理后，即可重構出較光滑性的信號，根據信號的屬性選取合適的閾值函數進行處理。

大部分信號去噪需要預知信號以及噪聲相關的先驗知識作為依據支撐，但實際計算過程中，因先驗知識提取較為困難，導致去噪性能下降，因此選用GCV準則用于選取軟硬閾值，在該準則下不需要再提取先驗知識即可得到理想的去噪結果，其中GCV的函數表達式為：

(9)

逆變換閾值處理后的小波系數，即可重構去噪后的煙絲束瞬時質量信號，得到干凈的且無限接近于原始信號的煙絲束瞬時質量信號，其中小波重構的計算公式為：

(10)

根據上式即可得出去噪后的導軌滑塊結構煙絲束瞬時質量信號。

2.2 基于平準器改變修剪位置

通過氣-液放大重量裝置，計算放大后的卷制前煙絲束瞬時質量信號為：

(11)

式中，x*(k)為放大處理后的信號，χ表示氣-液放大重量裝置計算系數，x(k)0為采集到的原始信號最大值。

控制平準器進行氣-電升降，改變修剪位置，平衡每一支煙的煙絲束密度，方程為：

(12)

式中，dt為煙絲修剪長度，xt為修剪次數，o表示最優修剪位置。

2.3 基于PID技術的導軌滑塊結構離散化滯后控制

離散化滯后控制作為煙草供料成條機的前反饋系統，煙絲束重量偏差處在一定范圍內能夠正常卷制，煙支產出量高控制系統經多次運算難免出現邏輯混沌，為優化系統細微偏差，本文使用PID(比例-積分-微分控制)完成技術實現離散化滯后控制[12-14]。其中比例用于描述供料成條機歷史數據，積分用于描述現成條機階段運行，去除穩態誤差，微分用于在進行預判的同時調整控制量[15]，通過對成條機運行系統的3種狀態進行評估和判斷，從而實現了導軌滑塊結構滯后輸送自動化控制。

PID是線性組合控制技術，通過對煙絲束偏差Δxt進行比例-積分-微分運算，實現煙草供料成條機對煙絲束密度的離散化控制。

輸入值和輸出值間關系如下：

(13)

式中，Kp表示比例系數，Ti表示對煙絲束偏差Δxt進行積分處理的值，u(t)為控制策略，Ki表示積分系數，Td表示對煙絲束偏差Δxt進行微分處理的值，Kd表示微分系數，且Kd=KpTd。

考慮到實際煙草供料成條機工作過程會受到太多內部機械振動和外界環境干擾[16]，系統的確定性和線性特征模糊，直接使用線性PID技術的控制效果極差，難以滿足正常需求，為此將模糊控制理論和PID結合，實現煙草供料成條機離散化控制[17-19]。離散化模糊PID控制流程如圖4所示。

圖4 離散化模糊PID控制流程

模糊控制器的傳遞函數形式為：

(14)

其中：Us表示模糊化輸入值和輸出值的關系，Es表示模糊控制誤差，s表示被控制主體。

通過離散化模糊PID控制，實現對煙絲束重量偏差的微小控制，具體步驟為：

(15)

步驟2：確定模糊PID控制策略。將公式(15)中煙絲束偏差偏差輸入到模糊規則中，得到煙絲束偏差補償模糊子集[20-22]。利用PID控制算法，以煙絲束偏差補償模糊子集、煙絲束偏差偏差模糊量作為輸入量，計算控制策略：

(16)

式中，u(t)表示煙草供料成條機導軌滑塊結構模糊PID控制策略，K表示模糊PID控制器參數，e(t)表示PID控制器輸入量，即煙絲束偏差補償模糊子集，δ、Td分別表示積分時間常數、微分時間常數，正常情況積分時間常數取值范圍為0～1，微分時間常數取值范圍為0.5～1.5[23-25]。

步驟3：煙絲束偏差控制。根據實際情況對PID控制器參數設定，將u(t)代入公式(13)，對煙絲束偏差補償處理，實現煙絲束偏差的離散化模糊PID控制，解決了控制過程的滯后問題。

3 實驗測試與結果分析

3.1 實驗參數設置

為驗證所提技術實際應用的效果，進行技術性能測試。煙絲結構和長短是影響煙草供料成條的關鍵因數，為此，本文將設計的機器與控制算法下處理好煙絲束再次經過三層篩網進行振動分離，以整絲率和碎絲率作為評價指標，明確控制技術處理的煙草質量。煙草原料和煙支規格如表1所示，篩網規格如表2所示。且安裝在振動分離器上的篩網滿足GB/T5330.2規定。分別為表1煙草原料和煙支規格、表2篩網規格。

表1 煙草原料和煙支規格

表2 篩網規格

3.2 機器性能分析

本文選取超聲波傳感器型號為PS-400超聲波糾偏傳感器，其利用高頻超聲波直線傳播的原理，能夠檢測到卷煙絲束邊緣位置，且不受材料透明度的影響。將基于超聲波傳感器的卷煙高度監控系統安裝在帶式輸送機上，并通過設置在帶式輸送機上的速度編碼器，對其進行跟蹤，并將其輸出到控制系統中。最終由控制器對煙絲的運動高度和輸送帶的轉速進行擬合，將超聲傳感器安裝高度、輸送帶上煙絲寬度、不同等級煙絲的濃度等因素綜合考慮，對通過各個監測點的帶式輸送機上的煙束的高度和傳送帶的轉速進行了實時的測量，利用網絡傳輸裝置將煙絲的瞬時流量進行實時顯示，并將其傳遞給主機，從而實現煙絲的瞬時質量信號可視化顯示、儲存及共享。

為測試用本文方法改造煙草供料成條機導軌滑塊結構離散化滯后控制的效果，采用本文方法對機器進行改進后，獲取控制信號特征結果，查看延遲情況，由于篇幅限制，僅隨機呈現一種控制信號和正常信號，用圖5描述。

圖5 機器改造前后控制信號情況

分析圖5可知，本文方法下的機器工作情況良好，對其進行結構改造后，能夠可靠獲取控制信號信息，并且，清晰呈現不同控制信號結果，為控制過程提供可靠的多態數據依據。并且，本文方法的一階延遲得到了較好的緩沖，信號分布均勻，能夠有效改善煙草供料成條機在控制過程中的延遲滯后問題。分析其原因可知，本文設計的離散化滯后控制算法，能夠通過氣-液信息放大重量裝置，放大卷制前煙絲束瞬時質量信號，再利用精準控制平準器進行氣-電升降改變修剪位置，有效改善了煙草供料成條機導軌滑塊結構控制滯后的問題。

3.3 應用測試實驗指標

1)整絲率：

(17)

其中：TZ表示整絲率，ma、mb表示在a、b篩網上得到的煙絲重量，M表示經過控制技術處理后煙草總重量，二者單位都是g。

2)碎絲率：

(18)

其中：TS表示碎絲率，mc表示在c篩網上得到的煙絲重量，單位是g。

3.4 實驗過程和結果分析

將技術控制下4種不同配比原材料，整絲率和碎絲率和人工分離得到的結果對比，如圖6所示，人工分離結果為設定的理想輸送控制結果，再對比成品的整絲率和碎絲率，圖7所示，成品煙支煙絲指標通過剝離煙紙獲得。

圖6 原材料整絲率和碎絲率對比

圖7 成品煙支整絲率和碎絲率對比

由于煙草內還存在其他雜質，所以整絲率和碎絲率相加結果不為1。分析圖6、圖7結果可知，原材料、成品煙支經所提控制技術和人工分離結果的整絲率和碎絲率值相差較小，所提控制技術下數值相對高。分析器原因在于，在松散化處理過程中，部分碎絲一直游離于煙草上方，沒有接觸過下方篩網進而掉落。值得注意的是，在期望中成品煙支的整絲率和碎絲率應該和人工分離結果更加貼近，但是從圖6中觀察，二者碎絲量都提高了。

為此分別統計原材料和成品煙支碎絲長度，如圖8所示。

圖8中能夠看出，原材料和成品煙支碎絲長度均處于0.8～1.4 mm之間，沒有過大差別，但是這部分煙絲應該在煙絲松散化階段被剔除。為此，本文進行多次實驗后發現，在煙絲成束過程中，為保證煙絲束密度，平衡器通過放大的信號進行上下調節切割器，在切割煙絲過程中，切割器將長煙絲分為短煙絲，短煙絲變成碎絲，提升了碎絲率。

為進一步分析技術優劣，計算所提技術控制下碎絲率和空頭率、煙支質量的關系，如圖9所示，用戶能接受的空頭率為1.5%～2.0%內。

圖9 碎絲率和空頭率、煙支質量的關系

通過圖9能夠看出，在技術控制下碎絲率的范圍在0.04～0.08之間，圖8中的空頭率在1.57～1.68間，煙支質量在0.828～0.865 g間，都滿足煙草供料成條要求，證明技術能夠很好地實現煙草供料成條的離散化滯后控制。分析其原因可得，所提方法利用離散化模糊PID技術，根據模糊度推斷獲取模糊度的集合，模糊化外界環境干擾以及內部機械振動，實現導軌滑塊結構離散化滯后控制，準確控制碎絲率和空頭率滿足煙草供料成條要求，提升了煙支質量。

所提方法有效解決了煙草供料成條機控制過程的延遲滯后問題，可同時滿足不同種類煙草供料的成條需求，提升了煙草供料成條機卷制煙支質量。

4 結束語

為降低煙支空頭率，提升用戶的使用感，本文設計煙草供料成條機導軌滑塊結構的離散化滯后控制技術，利用導軌滑塊結構煙草供料成條機控制穩定性，并放大瞬時煙絲束密度信號值，通過平準器控制切割器，實時調整切割位置，減少控制滯后情況，最后將模糊控制與PID技術結合，利用比例-積分-微分動態調整輸送物料量和速度，實現離散化滯后控制。實驗結果表明，所提技術的碎絲率和空頭率均滿足煙草供料成條要求，能夠提高煙支質量，減少煙支不同位置煙絲松緊程度不一問題。