煙葉模擬烘烤機(jī)的溫濕度控制

任洪波，唐世祥，徐鴻飛，普恩平，劉子儀，李寶樂(lè)，王春林（.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司七五〇試驗(yàn)場(chǎng)，云南省昆明市 65005；.云南省煙草公司煙草處，云南省昆明市 6500；.云南省煙草公司紅河州公司，云南省紅河州 6500；.云南省煙草公司普洱市公司，云南省普洱市 665000）

煙葉模擬烘烤機(jī)的溫濕度控制

任洪波1，唐世祥1，徐鴻飛2，普恩平3，劉子儀4，李寶樂(lè)4，王春林1
（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司七五〇試驗(yàn)場(chǎng)，云南省昆明市 650051；2.云南省煙草公司煙草處，云南省昆明市 650011；3.云南省煙草公司紅河州公司，云南省紅河州 654400；4.云南省煙草公司普洱市公司，云南省普洱市 665000）

為了提高烤煙的質(zhì)量，改善生產(chǎn)設(shè)備，針對(duì)試驗(yàn)區(qū)新型煙葉烘烤特性的不確定性，用電熱管加熱的方式研制了煙葉模擬烘烤機(jī)。這種設(shè)備熱效率高，操作方便。本文主要論述的是一種煙葉模擬烘烤機(jī)的溫濕度控制方法。煙葉模擬烘烤機(jī)采用三組電熱管加熱方式進(jìn)行加熱，通過(guò)對(duì)煙葉模擬烘烤機(jī)建立模糊控制算法，并根據(jù)模糊控制的輸出量對(duì)溫濕度控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組合進(jìn)行了調(diào)節(jié)，很好地解決了煙葉烘烤溫濕度控制中所具有的模型不確定性、非線性和滯后性等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的控制效果，對(duì)試驗(yàn)區(qū)的烤煙試驗(yàn)有很重要的意義。

控制理論與控制工程；電熱管加熱；煙葉模擬烘烤機(jī)；模糊控制。

本文引用格式：任洪波，唐世祥，徐鴻飛，等.煙葉模擬烘烤機(jī)的溫濕度控制［J］.新型工業(yè)化，2016，6（7）：51-55.

0　引言

煙葉模擬烘烤機(jī)又被稱為試驗(yàn)烘烤機(jī)，是一種以模擬實(shí)際密集烤房的烘烤全過(guò)程的小型一體化的設(shè)備，可用于進(jìn)行煙葉烘烤工藝研究或驗(yàn)證以及烘烤實(shí)操培訓(xùn)等，具有裝煙少、試驗(yàn)驗(yàn)證經(jīng)濟(jì)損失小和溫濕度控制精度高等特點(diǎn)。

煙葉模擬烘烤機(jī)主要由裝煙室、加熱室、進(jìn)風(fēng)口、回風(fēng)口、排濕進(jìn)風(fēng)門和排濕窗等構(gòu)成，加熱室里設(shè)置了三組功率不同的電熱管，通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)將電熱管產(chǎn)生的熱能通過(guò)進(jìn)風(fēng)口將熱風(fēng)送入裝煙室中，構(gòu)成了一個(gè)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)。在長(zhǎng)達(dá)170小時(shí)左右的煙葉烘烤過(guò)程中，煙葉逐漸通過(guò)物理與化學(xué)的方式脫水并烘烤干，是一個(gè)時(shí)變的過(guò)程?？刂颇繕?biāo)為裝煙室里的干、濕球溫度，而控制設(shè)備為電加熱管和排濕風(fēng)門，很難建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模型［1］。同時(shí)加熱與排濕兩者之間相互交叉耦合，使得常規(guī)的控制方法難以達(dá)到理想的控制效果，導(dǎo)致最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制和預(yù)測(cè)控制無(wú)法在實(shí)際中得到應(yīng)用。PID控制和模糊控制可以不依據(jù)系統(tǒng)模型進(jìn)行控制，而模糊控制能夠很好地處理烤煙過(guò)程中具有的滯后性、慣性和耦合性［2-5］。本文中將采用模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)煙葉模擬烘烤機(jī)的溫濕度控制。

1　煙葉模擬烘烤機(jī)的溫濕度模糊控制

煙葉模擬烘烤機(jī)中需要對(duì)溫度和濕度兩個(gè)變量來(lái)進(jìn)行控制，兩者之間并不是相互獨(dú)立，比如溫度升高的同時(shí)，濕度會(huì)增大；濕度增大的時(shí)候，溫度會(huì)下降等等，對(duì)溫濕度中某一目標(biāo)的控制，總會(huì)影響到另一個(gè)因子的變化。另一方面，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作也不僅僅影響某一因子，比如風(fēng)機(jī)的動(dòng)作會(huì)同時(shí)影響溫度和濕度的變化［6］［7］?？傊b煙室內(nèi)溫度和濕度這兩個(gè)參數(shù)存在較強(qiáng)的耦合性，溫度和濕度的變化會(huì)相互影響，對(duì)其實(shí)現(xiàn)精確控制有一定難度的，需要系統(tǒng)多方面的有機(jī)配合。由于溫度變量對(duì)濕度變量的影響較大，而濕度對(duì)溫度的影響較小，且濕度變化比溫度變化慢得多，完全可以通過(guò)補(bǔ)償進(jìn)行耦合。因此，我們可以設(shè)計(jì)出煙葉模擬烘烤機(jī)溫濕度模糊控制框圖如圖1所示。

圖1　煙葉模擬烘烤機(jī)溫濕度模糊控制框圖Fig.1　Schematic diagram of fuzzy controller for the tobacco baking machine

在煙葉模擬烘烤機(jī)溫濕度控制系統(tǒng)中，模糊控制器選用溫度的偏差E1及溫度偏差變化率Ec1和濕度的誤差E2及其變化率Ec2作為輸入量，以加熱裝置（三組功率不同的電熱管、風(fēng)機(jī)）和排濕裝置（排風(fēng)口和百葉窗）的控制量作為輸出量。下面對(duì)模糊控制表的設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明［8］。

1.1模糊化處理

這里由于溫度和濕度的模糊集合情況一致，在求取模糊控制表的過(guò)程中，取E和Ec來(lái)代表溫濕度的偏差和偏差變化率，U代表模糊控制器的輸出量。在該模糊控制器的輸入輸出論域上，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)輸入和輸出論域?yàn)槠邆€(gè)基本模糊子集：｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝；即E、Ec和U的論域上的基本模糊子集使用符號(hào)表示為｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝。E 和Ec的量化的論域均取為［-6，-5，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6］，U的量化論域?yàn)椋?7，-6，-5，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7］。用Matlab建立偏差和偏差變化率的模糊集合，如圖2、3所示。

圖2　模糊變量E和Ec的隸屬函數(shù)曲線Fig.2　The membership function of E and Ec

圖3　模糊變量U的隸屬函數(shù)曲線Fig.3　The membership function of U

1.2模糊規(guī)則的建立

表1　模糊控制規(guī)則表Tab.1　The table of fuzzy control rule

選取控制量的原則是，當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇控制量要以防止超調(diào)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主?？偨Y(jié)的模糊控制規(guī)則表列于表1。

1.3模糊控制表的推導(dǎo)

我們事先用計(jì)算機(jī)離線計(jì)算求出模糊控制表，將它加入到控制程序中。在實(shí)際應(yīng)用中，煙葉模擬烘烤機(jī)的控制器將輸入變量E和Ec進(jìn)行模糊化處理，然后可直接查表獲得輸出量U，這樣大大簡(jiǎn)化了烤煙控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了效率。

下面是用MATLAB語(yǔ)言編寫計(jì)算出的模糊控制表［9］［10］。這里采用的解模糊方法是重心法。

表2　模擬煙葉烘烤機(jī)的溫濕度模糊控制表Tab.2　The table of fuzzy control rule for the tobacco baking machine

由于溫濕度之間存在著耦合現(xiàn)象，這里引入?yún)?shù)β1實(shí)現(xiàn)濕度控制模糊解耦后的輸出Uh為：

Uh=（1-β1）U1+β1U2

式中，β1的取值在0～1之間。如果β1取0，則表示的是溫度和濕度是兩個(gè)單獨(dú)的回路控制。β1的值需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。試驗(yàn)方法是在煙葉模擬烘烤機(jī)工作過(guò)程中從0開(kāi)始逐漸增大β1的值，記錄并比較溫濕度的值。取烘烤機(jī)內(nèi)溫濕度變化最小的情況下的β1的值作為耦合的參數(shù)。

1.4煙葉模擬烘烤機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

根據(jù)輸入模糊量，可以得到一個(gè)輸出的模糊量，經(jīng)過(guò)解模糊判決轉(zhuǎn)換成一個(gè)可以執(zhí)行的精確量。煙葉模擬烘烤機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有四個(gè)，分別是電加熱裝置、循環(huán)風(fēng)機(jī)、進(jìn)風(fēng)口、百葉窗。這里加熱裝置由3組功率不同的電熱管組成。電熱管不同組合下對(duì)裝煙室溫度的影響如表3所示（表中↑表示增加，↓表示減小，箭頭的數(shù)量表示的是增加或減小的程度）。循環(huán)風(fēng)機(jī)可以分為高速、低速和停止三種檔位。排風(fēng)口可以分為不打開(kāi)、打開(kāi)一半、完全打開(kāi)。煙葉模擬烘烤機(jī)中各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行對(duì)溫濕度的影響如表4所示（在表中將電加熱裝置、循環(huán)風(fēng)機(jī)和排風(fēng)口簡(jiǎn)化為開(kāi)關(guān)量，其中1表示打開(kāi)，0表示關(guān)閉）。

表3　不同電熱管組合對(duì)溫度的影響Tab.3　The influence of different electric heating tube for temperature

根據(jù)之前模糊控制給出的結(jié)果，選擇合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)組合，即可對(duì)當(dāng)前烤煙機(jī)內(nèi)溫濕度進(jìn)行控制。

表4　煙葉模擬烘烤機(jī)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)組合方案Tab.4　The different control combination scheme of the tobacco baking machine

2　應(yīng)用結(jié)果及結(jié)論

實(shí)際烘烤過(guò)程中的干濕溫?cái)?shù)據(jù)見(jiàn)表5。

從表中可以看出，控制精度符合按國(guó)家烤房技術(shù)規(guī)范的控制精度要求：干溫±1℃濕溫±0.5℃，系統(tǒng)總體穩(wěn)態(tài)性能良好。說(shuō)明模糊控制能滿足煙葉模擬烘烤機(jī)的溫濕度控制要求。

表5　設(shè)定干濕溫與實(shí)測(cè)干濕溫?cái)?shù)據(jù)表Tab.5　The table of set value and actual value

3　結(jié)束語(yǔ)

本文給出了煙葉模擬烘烤機(jī)的一種控制方法。通過(guò)建立模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)了煙葉模擬烘烤機(jī)溫濕度的精確控制。經(jīng)在云南省紅河州、普洱市等烤煙主產(chǎn)煙區(qū)實(shí)際應(yīng)用證明，算法對(duì)烤房溫度濕度的控制精度表現(xiàn)良好，響應(yīng)速度快且穩(wěn)定性高，能夠全面提供煙葉烘烤工藝研究探索和驗(yàn)證研究實(shí)操培訓(xùn)等功能，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

［1］國(guó)家煙草專賣局關(guān)于印發(fā)密集烤房技術(shù)規(guī)范（試行）修訂版的通知.［國(guó)煙辦綜（2009）418號(hào)］.The technical specification of tobacco baking room by China Tobacco Monopoly Bureau［（2009）418］.

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［1］期刊：作者.題名［J］.期刊名，出版年，卷（期）：起始頁(yè)-終止頁(yè).

［2］專著、譯著：著者.書名［M］.第幾版.出版地：出版社，出版年.起始頁(yè)-終止頁(yè).

［3］專著中析出文獻(xiàn)：作者.題名［A］.見(jiàn)：原文獻(xiàn)責(zé)任人.書名［M］.出版地：出版社，出版年.起始頁(yè)-終止頁(yè).

［4］學(xué)位論文：著者.題名［D］.出版地：出版者，出版年.起始頁(yè)-終止頁(yè).

［5］專利文獻(xiàn)：專利所有者.專利題名［P］.專利國(guó)別：專利號(hào)，出版日期.

［6］軟件：著者.軟件名［CP］，版本.出版地：出版者，出版年.

［7］會(huì)議論文：析出責(zé)任者.析出題名［C］//會(huì)議錄責(zé)任者.會(huì)議錄題名.出版地：出版者，出版年：頁(yè)碼.

［8］報(bào)告：著者.題名［R］.出版地：出版者，出版年.

［9］標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)名稱［S］.

［10］電子文獻(xiàn)：主要責(zé)任者.電子文獻(xiàn)題名［電子文獻(xiàn)及載體類型標(biāo)識(shí)］.電子文獻(xiàn)的出處或可獲得地址，發(fā)表或更新日期.

［電子文獻(xiàn)類型標(biāo)識(shí)/載體類型標(biāo)識(shí)］

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The Temperature-Humidity Control of Tobacco Baking Machine

RENG Hong-bo1，TANG Shi-xiang1，XU Hong-fei2，PU En-ping3，LIU Zi-yi4，LI Bao-le4，WANG Chun-lin1
（1.China Ship Heavy Industry Group Company（CSIC）750 Test Range，Kun Ming 650051，China；2.YunNan Tobacco Company，Kun Ming 650011，China；3.YunNan Tobacco Company in HongHe，HongHe 665000，China；4.YunNan Tobacco Company in PuEr，PuEr 652399，China）

The quality of tobacco，the production equipment of tobacco baking machine and the new tobacco baking characteristics are diffcult problems in the production of tobacco baking machine.This tobacco baking machine uses three different electric hearting tubes to improve the tobacco baking machine.This machine has high thermal effciency and it is easy to operate.This paper discusses the temperature-humidity control of tobacco baking machine and uses fuzzy control to solve the temperature-humidity control，s problem of tobacco baking machine.This method has a good control effect in the fact tobacco baking production.This device has a guiding signifcance for baking tobacco production.

Control theory and control engineering；Electric hearting tubes；Tobacco baking machine；Fuzzy Control

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.07.009

RENG Hong-bo，TANG Shi-xiang，XU Hong-fei，et al.The Temperature-Humidity Control of Tobacco Baking Machine［J］.The Journal of New Industrialization，2016，6（7）：51-55.

任洪波，男，工程碩士，主要從事測(cè)控技術(shù)研究；唐世祥，男，工程碩士，主要從事控制技術(shù)研究；徐鴻飛，男，農(nóng)藝師；普恩平，男，農(nóng)藝師；劉子儀，男，農(nóng)藝師；李寶樂(lè)，男，助理農(nóng)藝師；王春林，男，高級(jí)工程師，主要從事信息及自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)研究