基于預(yù)測(cè)PI 控制器的松散回潮出口水分控制

汪鉦軼，陳文先，金世益

（貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司畢節(jié)卷煙廠，貴州畢節(jié) 551700）

0 引言

在制絲線生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，松散回潮工序是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，該工序?qū)崿F(xiàn)的功能是對(duì)片煙進(jìn)行松散，對(duì)松散后煙葉進(jìn)行增溫、增濕處理，提高煙葉的溫度、水分和韌性，以滿足后續(xù)工序的生產(chǎn)要求。對(duì)松散回潮出口水分控制進(jìn)行研究，無(wú)論是對(duì)松散回潮工序還是對(duì)煙草行業(yè)其它類似設(shè)備都具有重要的意義。

在松散回潮工序生產(chǎn)過(guò)程中，控制系統(tǒng)可檢測(cè)及控制的擾動(dòng)因素主要有：入口煙葉流量、入口水分、補(bǔ)償加水流量、補(bǔ)償加熱蒸汽流量；不可檢測(cè)及控制的擾動(dòng)因素主要有：補(bǔ)償加熱蒸汽的水分、加工工序的環(huán)境濕度，其中入口水分的變化對(duì)出口水分的控制影響最大。采用傳統(tǒng)的PID 控制算法，對(duì)于松散回潮出口水分這種大滯后控制對(duì)象，往往難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的閉環(huán)自動(dòng)控制。為了改善出口水分控制精度，提出預(yù)測(cè)PI 控制器，這種控制器包括PI 控制器和預(yù)測(cè)控制器。

1 問(wèn)題分析

1.1 研究對(duì)象

以WQ3113 滾筒式松散回潮機(jī)為研究對(duì)象，滾筒式松散回潮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。切片后的煙塊進(jìn)入松散回潮筒被松散為煙片，在熱風(fēng)和蒸汽流的作用下，松散后的煙片被軟化并增強(qiáng)了韌性，溫度和水分達(dá)到工藝指標(biāo)要求后輸送到煙葉儲(chǔ)柜暫存。

圖1 滾筒式松散回潮機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 存在問(wèn)題及原因分析

WQ3113 型松散回潮機(jī)出口水分控制方法是傳統(tǒng)的PID 控制，即運(yùn)用PID 控制追蹤出口水分，在該過(guò)程控制中，借助SIEMENS Step 7 自帶的PID 控制器，調(diào)用功能塊FB41 連續(xù)PID 控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)LMN 輸出值的轉(zhuǎn)化，配合水閥的開閉及加水水泵的泵頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水分的控制。

以上方法可以實(shí)現(xiàn)回潮筒出口水分的自動(dòng)控制，但是控制相對(duì)滯后，特別是對(duì)于松散回潮出口水分這種大滯后控制對(duì)象，當(dāng)入口水分變化時(shí)，出口水分不能及時(shí)進(jìn)行響應(yīng)，也就是說(shuō)出口水分過(guò)程控制穩(wěn)定性并未得到解決，所以用傳統(tǒng)PID 控制方法已經(jīng)不能滿足煙草行業(yè)的精確化控制的生產(chǎn)要求。

2 改進(jìn)方法

2.1 預(yù)測(cè)PI 控制器模型

新的出口水分控制方法需要在松散回潮機(jī)入口增加一個(gè)水分儀進(jìn)行水分檢測(cè)，同時(shí)將入口水分加入實(shí)際出口水分的控制系統(tǒng)中，并在原來(lái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，采用預(yù)測(cè)PI 控制模型，具體思路如下：

預(yù)測(cè)PI 控制器包括PI 控制器和預(yù)測(cè)控制器，主要思路是將PI 控制器和預(yù)測(cè)控制器共同作用，能提前響應(yīng)被控參數(shù)的變化，并進(jìn)行精確控制。預(yù)測(cè)PI 控制器能夠有效地應(yīng)對(duì)煙葉水分控制這種大滯后變量，在被控系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)具較好的穩(wěn)定性、魯棒性等。單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)

Gc（s）和Gp（s）分別為控制器和被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，E（s）、U（s）分別為控制器的輸入、輸出，U（s）同時(shí)也是被控對(duì)象的輸入，Y（s）為被控對(duì)象的輸出。

2.2 預(yù)測(cè)PI 控制器應(yīng)用前研究

WQ3113 型松散回潮出口水分控制模型是工業(yè)控制中是較常見的純滯后一階模型，對(duì)回潮筒出口水分進(jìn)行研究，得到預(yù)測(cè)PI 控制器的結(jié)構(gòu)為式（1）：

α 的不同取值，得到不同的系統(tǒng)響應(yīng)曲線。要保證系統(tǒng)具有較小超調(diào)量和具有較快的響應(yīng)速度，則α 的取值小于1 是比較合適的，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定具體的取值。

2.3 模擬實(shí)驗(yàn)確定α 取值

根據(jù)控制模型，人為設(shè)定松散回潮入口水分，在13%～17%范圍內(nèi)上下波動(dòng)，為了驗(yàn)證入口水分波動(dòng)較大的前提下，該模型下出口水分的穩(wěn)定性情況，設(shè)計(jì)在t<700 之前，回潮筒入口水分為15.8%；在t=1000 時(shí)，入口水分變成13.2%；在t=2200 時(shí)，回潮筒入口水分又變?yōu)?7.2%，滾筒入口處煙葉水分變化曲線如圖3 所示。

圖3 滾筒入口處煙葉水分變化曲線

滾筒出口處煙葉水分如圖4 所示。從圖4 可以看出，出口水分值控制在16.7%到17.3%之間，波動(dòng)小且跟蹤快。這表明：在系統(tǒng)輸入存在較大擾動(dòng)的情況下，這種控制器能較快地跟蹤出口水分這種大滯后控制量的設(shè)定值，控制穩(wěn)定，超調(diào)量較小。

圖4 滾筒出口處煙葉水分變化曲線

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)際應(yīng)用效果

預(yù)測(cè)PI 控制器在實(shí)際生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用中，在松散回潮出口水分控制過(guò)程時(shí)，選取控制模型為e-50s，試驗(yàn)選取不同的α 值，可以得到不同的系統(tǒng)響應(yīng)曲線，根據(jù)系統(tǒng)所要求的響應(yīng)速度和超調(diào)量，選擇α=0.25，預(yù)測(cè)PI 控制器的結(jié)構(gòu)為式（2）：

該控制器用于生產(chǎn)運(yùn)行后，實(shí)際得到的出口水分趨線如圖5 所示。從圖中可以看到，直線為片煙水分設(shè)定值，曲線為過(guò)程值，在08:00:00—08:00:20 為系統(tǒng)跟蹤時(shí)間，跟蹤時(shí)間較短，超調(diào)量也較小；08:00:20 后為系統(tǒng)控制穩(wěn)定期，即使在存在干擾，出口水分仍然能被控制在標(biāo)準(zhǔn)（17%）范圍內(nèi)，滿足工藝要求。

圖5 回潮筒出口處煙葉水分控制實(shí)際效果

3.2 數(shù)據(jù)分析

改進(jìn)前后各工藝指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比見表1，由表1 可見，改進(jìn)后松散回潮出口水分工藝指標(biāo)均明顯提升。平均出口水分SD（Standard Deviation，標(biāo)準(zhǔn)偏差）值由0.499 6%降低至0.315 2%，出口水分CPK（Process capability index，過(guò)程能力指數(shù)）值由0.862 提升至1.196。提高了松散回潮機(jī)煙葉出口水分的穩(wěn)定性和控制效果，滿足工藝要求。

表1 改進(jìn)前后各工藝指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

以松散回潮工序中煙葉出口水分控制為研究對(duì)象，提出了一種新型控制器——預(yù)測(cè)PI 控制器，其主要思路是將PI 控制和預(yù)測(cè)控制有機(jī)結(jié)合起來(lái)，其中PI 控制項(xiàng)能夠提高系統(tǒng)魯棒性，當(dāng)不同干擾或模型參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，能保持良好控制性能，預(yù)測(cè)部分能夠克服大滯后對(duì)控制品質(zhì)的不利影響。在松散回潮出口煙葉水分控制實(shí)際運(yùn)用的結(jié)果表明，預(yù)測(cè)PI 控制器具有量好的快速跟蹤性能，出口水分的控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)控制方式，出口水分的穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，出口水分標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）和過(guò)程能力指數(shù)（CPK）都得到了大幅改善，值得進(jìn)一步研究和應(yīng)用。