PID控制在卷煙加工工藝中的應(yīng)用探討

康妮

摘 要：國家煙草專賣局針對我國卷煙加工工藝提出了特殊要求，要形成具有獨(dú)特工藝特色的中式卷煙，以此來有效提升中國卷煙企業(yè)的核心競爭力，在這種形勢下，就必須要扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)制絲工藝中過分注重結(jié)果而嚴(yán)重忽略過程的弊端。在本文的研究過程中，為了能夠充分保障煙絲制造的均質(zhì)化，在卷煙加工工藝中充分利用了PID控制模式，并通過參數(shù)優(yōu)化實現(xiàn)了對煙絲制造工藝過程中品質(zhì)的波動現(xiàn)象的有效控制。

關(guān)鍵詞：PID控制;卷煙加工;制絲工藝

中圖分類號：TS43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）01-0084-02

0 引言

我國的制煙企業(yè)在中國全面加入WTO之后面臨著巨大的競爭壓力，為了能夠全面實現(xiàn)中國卷煙行業(yè)的科學(xué)發(fā)展，我國煙草專賣局全面提出了大力發(fā)展中式烤煙型卷煙的提議，而這一工作是一項系統(tǒng)性的工程，在整個過程中卷煙工藝是非常重要的一個環(huán)節(jié)，其工藝技術(shù)水平對卷煙產(chǎn)品的成本以及質(zhì)量都會產(chǎn)生巨大影響。目前我國煙草行業(yè)中過分注重外觀而忽略物理指標(biāo)以及產(chǎn)品質(zhì)量的現(xiàn)象比較普遍。充分利用PID控制方式，能夠在充分保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，將水分、溫度等不穩(wěn)定因素對煙絲結(jié)構(gòu)以及品質(zhì)產(chǎn)生的影響控制在最低程度。

1 系統(tǒng)概述

比例、積分、微分等三個部分是PID控制的主要組成部分，而在實際應(yīng)用過程中PID控制就可以進(jìn)一步劃分為PI以及PD控制[1]。PID控制器在實際的應(yīng)用過程中主要是在結(jié)合系統(tǒng)誤差的基礎(chǔ)上，充分利用比例積分微分計算來最終得出控制量。

1.1 比例（P）控制

比例控制是非常簡單的一種控制方式。這種控制器在實際應(yīng)用過程中輸入信號以及輸出信號的誤差呈現(xiàn)出比例關(guān)系。如果整個系統(tǒng)僅僅利用了單一的比例控制方式，那么整個系統(tǒng)實際輸出的信號存在一個穩(wěn)定的誤差。

1.2 積分（I）控制

積分控制模式在實際應(yīng)用過程中，控制器實際輸出與輸入信號之間的誤差積分呈現(xiàn)出正比例關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在實際運(yùn)行過程中如果處在穩(wěn)態(tài)后不可避免的會產(chǎn)生一定的穩(wěn)態(tài)誤差，那么就可以將這個自動控制系統(tǒng)稱為是穩(wěn)態(tài)誤差或者是有差系統(tǒng)。為了能夠?qū)⒃撟詣涌刂葡到y(tǒng)存在的穩(wěn)態(tài)誤差有效消除，就必須要將“積分項”引入到這個控制器中。積分項可以針對穩(wěn)態(tài)誤差的時間進(jìn)行積分，在時間不斷推移的過程中，積分項也會相應(yīng)的增加。在此情況下，即使穩(wěn)態(tài)誤差非常小，也會在時間不斷增加的前提下使得積分項也隨之增加，在這種作用下會使得控制器輸出進(jìn)一步增大，進(jìn)而使得穩(wěn)態(tài)誤差逐漸縮小，最終穩(wěn)態(tài)誤差會達(dá)到零值。由此可見，將比例控制以及積分控制進(jìn)行有效結(jié)合后形成的控制器，能夠充分保證系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后不會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差。

1.3 微分（D）控制

微分控制在實際應(yīng)用過程中其控制器輸入與輸出信號誤差的微分呈現(xiàn)出正比例關(guān)系。當(dāng)自動控制系統(tǒng)在實際運(yùn)行的過程中，通過調(diào)節(jié)來克服誤差必然會導(dǎo)致出現(xiàn)振蕩，甚至在一些情況下還會出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。這主要是因為在自動控制系統(tǒng)中會存在的慣性比較大的元件，或者是存在滯后性的元件，因此在系統(tǒng)通過調(diào)整來克服誤差的過程中，其調(diào)整的變化過程與誤差的變化過程相比較處于落后位置[2]。而要想有效克服這一問題，就必須要克服誤差的調(diào)整作用實際產(chǎn)生的變化出現(xiàn)超前，也就是說，當(dāng)實際產(chǎn)生的誤差非常接近于零的時候，克服誤差的作用也相應(yīng)的應(yīng)該為零。由此可見，控制器在實際應(yīng)用過程中如果僅僅引入了“比例”項往往不能夠達(dá)到預(yù)定的控制目標(biāo)，比例項在運(yùn)行過程中主要的作用僅僅是將誤差的幅值不放大，而通過在控制器中額外的增加“微分項”，控制器就能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)誤差變化趨勢的有效預(yù)測，在這種情況下，在有效結(jié)合了比例與微分之后，克服誤差的作用就能夠提前達(dá)到零，甚至在一些情況下還能夠出現(xiàn)負(fù)值，這樣就能夠有效避免被控制量在系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)嚴(yán)重沖過頭的現(xiàn)象[3]。在實地針對慣性相對比較大或者是存在滯后性的對象進(jìn)行控制的過程中，通過充分利用比例與微分控制器，能夠讓系統(tǒng)在具體調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性得到有效改善。

2 PID控制在卷煙加工工藝中的應(yīng)用探討

單閉環(huán)控制模式是卷煙加工工藝中最早應(yīng)用的PID控制方式，PID控制在實際的應(yīng)用過程中從調(diào)節(jié)到穩(wěn)定要經(jīng)歷一定的時間，在這種情況下就使得料頭以及料尾的產(chǎn)品質(zhì)量不能夠得到有效保障，而且PID控制在實際應(yīng)用過程中經(jīng)常會受到外界各種干擾因素的嚴(yán)重影響，對于產(chǎn)品本身的質(zhì)量穩(wěn)定性形成巨大影響。在當(dāng)前的卷煙加工工藝中，閉環(huán)控制是利用最為廣泛的一種PID控制方式，通過閉環(huán)控制方式的應(yīng)用使得傳統(tǒng)控制模式下產(chǎn)品本身質(zhì)量不穩(wěn)定的現(xiàn)象得到了有效解決，與此同時，在系統(tǒng)整個運(yùn)行過程中外界各種干擾因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響程度也能夠得到有效控制。

在卷煙加工實際生產(chǎn)過程中，PID工作原理如：由于PID控制在實際運(yùn)行過程中會受到多種外界因素的干擾，為了能夠充分保證，加工現(xiàn)場控制對象能夠始終保持恒定，就必須要實現(xiàn)控制作用的持續(xù)性。如果加工現(xiàn)場控制對象值在外界的干擾因素下產(chǎn)生變化的時候，PID控制器就能夠充分利用加工現(xiàn)場的檢測原件將具體的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行及時記錄，與此同時還能夠?qū)⑦^程變量值進(jìn)行進(jìn)一步改變，通過變頻器就能夠?qū)⒔?jīng)過改變的過程變成是輸送到PID控制器的輸入端，通過將單數(shù)值與給定值進(jìn)行對比后計算出其偏差，這樣調(diào)節(jié)器就能夠充分結(jié)合這一偏差值按照視頻設(shè)定的肯定參數(shù)來發(fā)出相應(yīng)的控制信號，在此基礎(chǔ)上就能夠讓調(diào)節(jié)器的開度實現(xiàn)增加或者是減少，進(jìn)一步使得加工現(xiàn)場控制對象值也發(fā)生相應(yīng)變化，并最大程度保證與給定值的無限接近，從而實現(xiàn)了卷煙加工工藝的控制目的[4]。

為了能夠進(jìn)一步詳細(xì)了解PID控制在卷煙加工工藝中的應(yīng)用過程，針對制絲生產(chǎn)過程的滾筒管板式烘絲機(jī)應(yīng)用PID控制出口水分進(jìn)行了分析，由于烘絲機(jī)滾筒內(nèi)熱空氣的流量低，所以不能把熱空氣溫度作為主要的烘干煙絲的手段，但通過可調(diào)整閥在一定范圍內(nèi)可改變熱空氣的濕容量。在烘干過程中，煙葉中的水分變成了蒸汽被熱空氣吸收并帶走，熱空氣的飽和點在烘絲機(jī)滾筒長度范圍內(nèi)是變化的，熱空氣濕容量大，其飽和點就緊靠烘絲機(jī)滾筒煙葉的出口處，如果熱空氣濕容量較小，其飽和點就接近中心。這樣烘絲機(jī)滾筒內(nèi)的干燥區(qū)就縮短，影響煙絲的烘干效果。這時改變熱空氣的流量則會起到一種快速控制變化，但由于其熱量較低，熱空氣控制范圍是有限的。另外，烘絲機(jī)滾筒內(nèi)壁的熱交換板是一個主要載能裝置，在烘干過程中起主要作用。然而，由于受蒸汽壓力的控制，其反應(yīng)緩慢。所以，熱空氣流量控制與蒸汽壓力系統(tǒng)綜合起來，使煙絲濕度調(diào)整點的每一個偏差都會出現(xiàn)一個空氣流量起作用的控制脈沖。這種雙重作用將引起供能源的強(qiáng)烈改變。

煙絲從烘絲機(jī)滾筒排出以后，水分儀記錄下了水分的最終變化并反饋到控制，由烘絲機(jī)滾筒蒸汽壓力控制系統(tǒng)予以自動校正。整個PID控制過程簡圖如圖1所示。

3 結(jié)語

當(dāng)前整個煙草行業(yè)的技術(shù)水平在不斷進(jìn)步，在實際的煙草生產(chǎn)過程中對卷煙加工工藝提出了更高要求，針對傳統(tǒng)的煙草制品結(jié)果檢驗產(chǎn)品感官質(zhì)量控制方式，逐漸改變成制品過程工藝參數(shù)控制方式，不僅能夠充分保障和基本配方的精確性，而且也能夠讓整個卷煙加工過程的各項工藝參數(shù)實現(xiàn)穩(wěn)定。在當(dāng)前的卷煙加工工藝生產(chǎn)線上通過大量應(yīng)用PID控制。使得卷煙加工過程實現(xiàn)了安全、節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定生產(chǎn)，與此同時也讓煙草行業(yè)的產(chǎn)量以及產(chǎn)品質(zhì)量都得到了全面提升。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉穗君，楊林超，張萍，等.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能混絲摻配PID控制模型研究[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，30（Z1）：39-43.

[2] 周棟，金軍輝，徐鶴兵，等.改進(jìn)型PID在煙草薄片水分控制中的應(yīng)用[J].自動化儀表，2014，35（02）：73-76.

[3] 劉春桂，崔群，邵育蘭，等.卷煙薄絲生產(chǎn)線中潤葉機(jī)控制系統(tǒng)的改進(jìn)[J].安徽工程大學(xué)學(xué)報，2013，28（03）：51-54.

[4] 張良斌，堵勁松，范明登，等.基于分層遞階的片煙干燥智能控制系統(tǒng)[J].煙草科技，2016，49（11）：87-93.