卷煙廠風力平衡系統的快速PID 控制方法

黃 輝，吳 松，王美斌

（江西中煙有限責任公司贛州卷煙廠，江西贛州 341000）

0 引言

隨著科技水平的不斷進步，人們對產品質量要求也不斷提高，精細化生產越來越重要。煙草行業為提高產品質量與節能減排，各大煙廠紛紛引入了集中工藝風力平衡系統，以確保煙支生產過程中系統卷煙機負壓的穩定供應。目前系統負壓主要通過對調節裝置開度的調節來控制負壓大小[1]。裝置開度與負壓成一定比例關系，通常采用PID（Proportion Integration Differentiation，比例、積分、微分）控制調節方式。PID 控制方式具有很強適應性，不受環境以及元器件老化等影響，但也存在響應時間長和超調量大的問題。針對該問題，本文采用了一種自適應PID 快速調節方式，將傳統經驗控制與PID 控制相結合的G-PID 控制算法，縮短系統響應時間、降低系統超調量，以達到快速穩定負壓的目的。

1 PID 控制

PID 控制是最早發展起來的控制策略之一[2]，由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高，被廣泛應用于工業過程控制，尤其適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統。PID 控制的傳遞函數為：

其中，KP為比例系數，Ti為積分時間常數，τ 為微分時間常數，三者都是可調參數。

PID 控制器的輸出信號為：

其中，e（t）為t 時刻u（t）當前值與上一時刻值的差值，系統穩定在e（t）=0。

在實際應用中，通常采用增量式離散PID 控制方式。假設采用時間間隔為T，則在k 時刻：偏差為e（k）；積分為e（k）+e（k-1）+e（k-2）+…+e（0）；微分為（e（k）-e（k-1））/T。其控制方程為：

這樣，就只需確定Kp、Kd、Ki參數即可。Kp、Kd、Ki數值的確定取決于被控量與反饋量。令被控量的最大值為a，反饋量的最大值為b，取Kp=0.618×a/b、Kd=0.3×Kp、Ki=0.5×Kp。

2 傳統經驗控制

經驗控制[3]，也稱為記憶控制，是一種應用廣泛的控制方式。該控制方式把由隨機控制得出的結果用于指導下一次的控制。經驗控制根據以往數據，通過輸入數值，直接輸出控制結果，具有極快的系統響應速度。但系統的自適應性能力差，在系統出現擾動或者干擾時，無法保持控制系統的穩定性。

3 卷煙機負壓控制

卷煙機負壓，即VE 負壓，直接影響煙支空投等工藝指標，穩定合適的VE 負壓，可以提高煙支生產質量。通常選用PID 調節方式來控制負壓的穩定，控制流程如圖1 所示[1，4-5]。

圖1 VE 負壓控制流程

從圖2 可以看出，系統通過PID 調節，VE 負壓可穩定保持在目標值附近。但從初始值到目標值有一段較長的執行時間，大約在第113 步進入穩定區域，響應時間相對較長，且存在較大的超調量。

圖2 改進前VE 負壓的PID 控制曲線

4 G_PID 控制

為了提高系統響應速度，在實際運行過程中，將閥門開度與對應的VE 負壓值進行記錄，當輸入目標VE 負壓值時，系統立即執行相應的閥門開度。此時，實際系統負壓與目標VE 已接近，再啟動PID 調節，進一步控制其達到目標值。具體操作流程如下：

（1）建立數據塊區。數據塊大小根據所需的存儲數據量來決定，通常將數據分為20 等份，數據塊大小設置為80 個字節，即可存儲20 個實數變量。

（2）對目標量及受控量進行歸一化處理，將目標量全量程按等差數列對應數據塊，并在數據塊內存入受控量的數值（初始值均為0）。

（3）運行系統，輸入目標量，確定目標量所對應的受控量，執行機構執行動作。執行機構動作到位后，系統開始執行PID 控制算法，使系統穩定在目標值附近。系統運行過程中，對數據塊內存儲的受控量數值進行更新。

圖3 為G_PID 控制程序的封裝，各參數含義見表1。

表1 G_PID 參數

圖3 G_PID 控制程序

5 G_PID 控制結果

5.1 仿真結果

以某卷煙機為例，負壓Pve為目標值，被控量負壓調節閥開度為K。數據塊命名為DB10，大小為80 個字節，可存儲20 個實數型開度變量。令Pve的最大值為20 000 Pa，則20 個開度值分別對應1000 Pa，2000 Pa，3000 Pa，……，20 000 Pa。

啟動系統，輸入目標值為20 000 Pa（Pve最大值），20 000 Pa 對應DB10.DBD19 中的開度值（初始值為0），執行器將閥門開度（初始開度為0）執行到位，并記錄此時的負壓值。然后以Pve為目標值執行PID 控制，控制期間閥門會連續動作，負壓隨之連續變化。當負壓從上一檔變為轉變為下一檔時，將此時的開度值存入上一檔負壓值對應的數據地址，直到系統穩定。為了減少系統運行壓力，只有當存儲值與當前值相差超過最大值的2%時才執行存儲操作，否則不執行存儲指令。

將改變目標值大小為實際所需的10 000 Pa，執行器快速將閥門開度穩定到DB10.DBD10 所存儲的開度，然后以10 000 Pa為目標值執行PID 控制，直到系統穩定在目標值。改進后的系統仿真曲線如圖4 所示。

圖4 改進后VE 負壓的G_PID 控制曲線

從圖4 的仿真結果可以看出，在采用G_PID 控制后，系統在第33 步進入系統允許誤差內，達到系統穩定，且調節時間段，沒有出現超調現象。

5.2 應用結果

采用此控制模式對風力平衡系統進行升級改造，通過取2#、3#、4#、5#卷煙機的壓力數據進行前后對比，數據如圖5～圖8 所示。

圖5 2#卷煙機改造前后壓力曲線

圖6 3#卷煙機改造前后壓力曲線

圖7 4#卷煙機改造前后壓力曲線

圖8 6#卷煙機改造前后壓力曲線

從以上結果可以看出，改造前當系統工況發生變化時，機組在10～22 s 才恢復到正常波動范圍內，且波動一般超過300 Pa。改造后系統工況變化時，2～5 s 就可以調節到正常范圍內，且波動一般不超過200 Pa。

6 結論

對傳統PID 控制原理進行分析，在PID 控制的基礎上引入傳統經驗控制。通過Simulink 仿真，結果表明G_PID 控制方式切實可行。通過實際的工程應用，驗證G_PID 控制方式極大地提高了系統響應速度，并有效減少了系統超調量，有利于系統負壓穩定性，技術可以在其他煙廠推廣應用。