采用預(yù)測(cè)函數(shù)控制法降低烘絲機(jī)排潮負(fù)壓變異系數(shù)的研究

張宏巍 劉加樹(shù) 周宇

(安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司蚌埠卷煙廠,安徽蚌埠 233010)

0 引言

KLD-2型是德國(guó)HAUNI公司滾筒式薄板烘絲機(jī),采用蒸汽加熱的滾筒式薄板烘絲機(jī),采用新的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),在兩個(gè)不同的加熱區(qū)域設(shè)有不同的蒸汽接口,將一個(gè)滾筒分為不同的溫度反應(yīng)區(qū)域,根據(jù)工藝需求進(jìn)行分區(qū)溫度控制,以達(dá)到不同分組模塊采用不同處理溫度的目的。通過(guò)筒壁的薄板和熱風(fēng)對(duì)煙絲進(jìn)行加熱,排潮系統(tǒng)將蒸發(fā)出來(lái)的水份帶走,實(shí)現(xiàn)烘烤的目的,提高了煙絲的品質(zhì)和吸味,達(dá)到烘烤工藝所要求的含水率和溫度。

1 排潮系統(tǒng)工作原理

在薄板烘絲機(jī)出料口有排潮汽罩(卸料罩),排潮汽罩上方的排潮管道遠(yuǎn)端連接有排潮除塵風(fēng)機(jī),排潮管道上裝有氣動(dòng)節(jié)流閥,排潮汽罩底部區(qū)域裝有壓力檢測(cè)點(diǎn),壓力檢測(cè)點(diǎn)的壓力通過(guò)軟管連接到壓力變送器,由壓力變送器檢測(cè)該點(diǎn)的壓力大小值,正常生產(chǎn)時(shí)排潮汽罩處于微負(fù)壓狀態(tài),壓力值一般在-15μbar,在干燥機(jī)的出口處必須吸入少量的大氣空氣[1]。料頭、料尾時(shí)為了減少水分喪失,一般處于微正壓狀態(tài),以便減少煙絲干頭、干尾量。在微負(fù)壓狀態(tài)下,為了清潔檢測(cè)點(diǎn)上沾上或吸入的煙末,微負(fù)壓檢測(cè)系統(tǒng)裝有10分鐘定期壓縮空氣反吹壓力檢測(cè)點(diǎn)的功能[2]。排潮系統(tǒng)由壓力檢測(cè)反饋給主電控PLC,由PLC控制氣動(dòng)節(jié)流閥的開(kāi)度控制排潮汽罩內(nèi)的壓力,其以常規(guī)PID算法閉環(huán)控制為主[3]。云南昆船設(shè)計(jì)研究院楊少華利用排潮風(fēng)門(mén)自適應(yīng)PID專家控制策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)排潮量的控制過(guò)程[4]。

2 現(xiàn)存問(wèn)題

KLD-2型滾筒式薄板烘絲機(jī)交付后,正常生產(chǎn)時(shí)微負(fù)壓波動(dòng)較大,用變異系數(shù)來(lái)衡量,變異系數(shù)一般在50%左右,達(dá)不到《中華人民共和國(guó)煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》要求薄板烘絲機(jī)排潮負(fù)壓變異系數(shù)滿分值為10%,薄板烘絲機(jī)排潮負(fù)壓波動(dòng)較大,直接影響薄板烘絲機(jī)烘后水分的穩(wěn)定性,對(duì)產(chǎn)品工藝質(zhì)量造成了一定的影響。

造成變異系數(shù)過(guò)高主要因素有多種,有排潮風(fēng)速過(guò)快,進(jìn)料廢氣滾筒篩壓空吹掃周期影響,最主要因素的還是每隔10分鐘負(fù)壓檢測(cè)系統(tǒng)管路反吹影響。由于吹掃時(shí)間短,和排潮氣罩整體排氣量相比,比例非常小,而實(shí)際排潮氣罩負(fù)壓并不受影響。但負(fù)壓檢測(cè)管路在反吹時(shí)、吹掃清潔時(shí)和電池閥切換時(shí),吹掃壓縮空氣會(huì)對(duì)壓力檢測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生一定沖擊,進(jìn)而影響了壓力變送器檢測(cè)值,影響到了設(shè)備運(yùn)行考核工藝指標(biāo)變異系數(shù)質(zhì)量。集控系統(tǒng)每隔5秒進(jìn)行對(duì)排潮壓力值采集,按照規(guī)則對(duì)所采集數(shù)據(jù)的計(jì)算變異系數(shù),以此來(lái)判別工藝指標(biāo)的質(zhì)量。

3 控制優(yōu)化

3.1 現(xiàn)有控制

在開(kāi)始過(guò)料時(shí),排潮氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是10%開(kāi)度的定量控制,此時(shí)排潮氣罩出料段壓力檢測(cè)點(diǎn)處于微正壓狀態(tài),壓力值在20μbar左右,目的是減少煙絲水分散失,減少煙絲干頭量。料頭結(jié)束后,由10%定量控制轉(zhuǎn)化為-15μbar控制目標(biāo)值的PID控制。經(jīng)過(guò)PID控制微正壓20μbar到穩(wěn)態(tài)值-15μbar大約在11分鐘。由于10分鐘定期壓縮空氣反吹檢測(cè)管路造成負(fù)壓檢測(cè)生產(chǎn)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù),錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)而影響了PID控制器對(duì)負(fù)壓的調(diào)節(jié)。

如圖1所示,這是一批次的開(kāi)始過(guò)料時(shí)到穩(wěn)態(tài)時(shí)部分的負(fù)壓采集點(diǎn),從圖中可以看出,微正壓在達(dá)到目標(biāo)控制值-15μbar過(guò)程中有一次負(fù)壓檢測(cè)管路反吹,達(dá)到穩(wěn)態(tài)值-15μbar后,每隔10分鐘就會(huì)有一次反吹,一個(gè)小時(shí)會(huì)有6次的負(fù)壓檢測(cè)管路反吹,壓力值明顯突然上升,這些壓力值一是會(huì)干擾到PID正常的調(diào)節(jié),使得PID調(diào)節(jié)混亂,二是非正常壓力值采樣點(diǎn)進(jìn)行變異系數(shù)計(jì)算時(shí)造成變異系數(shù)的失真。

圖1 改進(jìn)前的烘絲機(jī)壓力值連續(xù)采樣圖Fig.1 Continuous sampling diagram of the pressure value of the dryer before the improvement

圖2 排潮壓力PID控制圖Fig.2 PID control diagram of tidal pressure

圖3 排潮壓力程序流程圖Fig.3 Flow chart of the tidal pressure program

3.2 優(yōu)化方法

由于在負(fù)壓檢測(cè)反吹過(guò)程中,排潮氣罩的壓力實(shí)際并不受影響。設(shè)計(jì)出一個(gè)預(yù)測(cè)函數(shù),由預(yù)測(cè)函數(shù)計(jì)算壓力值替代在反吹時(shí)檢測(cè)點(diǎn)壓力值反饋給PID輸入,PID控制器正常調(diào)節(jié),45s反吹結(jié)束后檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)值恢復(fù)正常后,重新由檢測(cè)點(diǎn)壓力值反饋給PID輸入,如圖2所示。

非穩(wěn)態(tài)預(yù)測(cè)函數(shù)研究:負(fù)壓料頭結(jié)束后,壓力值由最大值20μbar到-15μbar左右時(shí),大約在11分鐘左右。這個(gè)預(yù)測(cè)函數(shù)可以采用兩種方式。

3.2.1 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)函數(shù)法

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)函數(shù)法,就是給料頭結(jié)束后非穩(wěn)態(tài)下降過(guò)程分解成很小一段,由于每段很小,每段可以看成直線,這時(shí)候可以使用線性函數(shù)來(lái)模型預(yù)測(cè)。線性函數(shù)的選擇,只要有兩個(gè)點(diǎn)就可以生產(chǎn)線性函數(shù)求出k、b值,但是由于壓力變送器在測(cè)量值時(shí)存在一定量的波動(dòng),必須采樣多點(diǎn)壓力值進(jìn)行平均,進(jìn)而產(chǎn)生良好的數(shù)據(jù)濾波效果。由于采樣是5s周期,采樣時(shí)間點(diǎn)5s、10s、15s、20s、25s......對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的壓力值為p1、p2、p3、p4、p5......pi。預(yù)測(cè)壓力值為y1、y2、y3、y4、y5......yi。為了預(yù)測(cè)提高精度,10個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)為一組,再分前半組和后半組,連續(xù)生成預(yù)測(cè)函數(shù)模型。預(yù)測(cè)函數(shù)為:Yi+1=ki(i+10)+bi。

其中函數(shù):Ki=-(mi-ni)/5;bi=mi-3ki;

mi=(pi-9+pi-8+pi-7+pi-6+pi-5)/5;ni=(pi-4+pi-3+pi-2+pi-1+pi)/5。

i=10時(shí)開(kāi)始計(jì)算m10、ni。在i(i>10)時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始反吹時(shí),i+1點(diǎn)PID輸入采用預(yù)測(cè)函數(shù)Yi+1=ki(i+10)+bi計(jì)算值。

11分鐘后,壓力值處于-15±1.5μbar穩(wěn)態(tài)。此時(shí)可以用一個(gè)三角函數(shù)模型計(jì)算出壓力值替代在反吹時(shí)檢測(cè)點(diǎn)壓力值反饋給PID輸入。

預(yù)測(cè)函數(shù)為:Yi+1=1.5*sin(4πt)-15

三角正弦函數(shù)最大值為1,預(yù)測(cè)壓力值在-15±1.5μbar范圍內(nèi)。

如圖3所示可以看出,在程序?qū)嵤┲?5s

圖4 排潮壓力程序流程圖Fig.4 Flow chart of the tidal pressure program

圖5 改進(jìn)后的烘絲機(jī)壓力值連續(xù)采樣圖Fig.5 Continuous sampling diagram of the pressure value of the improved silk dryer

3.2.2 多項(xiàng)式函數(shù)法

多項(xiàng)式函數(shù)法,就是給非穩(wěn)態(tài)過(guò)程下降的曲線看成一個(gè)多項(xiàng)式,根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)值推導(dǎo)出多項(xiàng)式方程及常數(shù)值。哈爾濱工業(yè)大學(xué)任立偉設(shè)計(jì)相應(yīng)地多項(xiàng)式模糊控制器[4]。f(x)=an·x^n+an-1·x^(n-1)+…+a2·x^2+a1·x+a0。Y=0.0033x2-0.669x+20.96即為經(jīng)驗(yàn)值推到出的一種,轉(zhuǎn)化為Yi+1=0.0033i2-0.669i+20.96,如圖4所示。

在使用系數(shù)a1、a2、a0,不同品牌一般有差別,同一品牌不同中系數(shù)a1、a2、a0也需要經(jīng)常調(diào)整,可以利用數(shù)據(jù)平臺(tái),計(jì)算每批次結(jié)束后的新的a1、a2、a0,并按照一定規(guī)則進(jìn)行修正,使設(shè)備具有智能化性質(zhì)。

3.3 函數(shù)預(yù)測(cè)精度

為檢驗(yàn)預(yù)測(cè)函數(shù)效果,在壓力值由最大值20 μbar到-15μbar段,使用函數(shù)和實(shí)際采樣值誤差比較。動(dòng)態(tài)函數(shù)誤差隨著時(shí)間推移誤差越來(lái)越大,平均誤差為-5.64%。多項(xiàng)式函數(shù)誤差分布比較均勻,平均誤差為5.23%,精度等級(jí)差別不是很大。

3.4 程序優(yōu)化后效果

如圖5所示可以看出,采用預(yù)測(cè)函數(shù)控制和PID相結(jié)合的方式,效果十分良好。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究降低薄板烘絲機(jī)排潮負(fù)壓變異系數(shù),變異系數(shù)由50%下降到6.5%左右,超過(guò)了行業(yè)排潮負(fù)壓變異系數(shù)滿分值為10%的工藝要求,提升薄板烘絲機(jī)烘后水分的穩(wěn)定性,提升產(chǎn)品的加工工藝質(zhì)量。