专利名称：一种基于预测pi算法控制系统的烟叶复烤机水分控制方法
技术领域：
本发明涉及打叶复烤技术领域，具体涉及一种基于预测PI算法控制系统的烟叶复烤机水分控制方法。
背景技术：
烟叶复烤过程是一个多干扰、强耦合、大滞后、非线性、不确定的大热容过程。在生产过程中，始终存在着具有一定温度、湿度、压力、流速的传热介质(热气体)与烟叶在相对运动过程中发生热交换作用，从而达到烟叶的干燥、冷却、回潮等目的。不同过程的任一区段温度、湿度的变化，都会影响到其后各区段参数的变化和出口烟叶水分含量的变化，这就使建立系统的机理模型变得相当复杂，具体表现在以下几个方面
I)干扰因素多入口烟叶的水分、温度、产地、品种、等级对出口水分都有非常重要的影响；加热蒸汽和回潮蒸汽的压力、温度以及饱和程度直接影响出口烟叶的水分和温度；环境空气的温度、湿度对冷却阶段的烟叶水分和温度也有较大的间接影响。2)测量仪表存在一定的问题，特别是红外水分仪精度受外界的影响较大，基准值易发生漂移，冷房水分仪表测量值受电噪声的污染，测量值波动频繁，严重的影响了闭环控制的性能。3)生产过程特性多变受前部打叶过程的影响，烟叶进料流量、烟叶喂料机的速度有时需要进行调整来满足生产的连续，这样就导致了过程的特性参数发生改变；同时，烟叶复烤在高温、高湿和粉尘等环境下工作，设备也会发生异常，在这种情况下，操作人员需要随时改变工艺操作 ，使过程特性具有多样性，难以实现稳定的PID闭环控制。4)水分的控制是一个大滞后过程往往在出口水分发生变化后，再对其进行控制是不及时的，造成的直接后果是水分在设定值上下波动，不能稳定。以上原因的存在增加了复烤出口水分控制的难度，而PID控制算法本身具有很多的局限性，如其为具有反向特性的非最小相位系统、具有严重频繁干扰的过程系统、多变量强耦合系统、带有约束的控制系统和大滞后系统，运用简单的PID控制算法进行的闭环控制甚至不能保证系统的稳定，更谈不上控制的精度。在经典控制系统，其更注重于设备的单体运转以及设备之间的连锁运行，针对特定的控制回路仍采用传统的PID算法，而且这些控制回路自成独立，忽视了多因素之间的“合力作用”，例如烤片出口烟叶的含水率很大程度受各个控制回路的共同影响。以干燥区温度控制为例，对于如图1所示的一个控制系统的响应曲线来说当实际温度低于设定值时，加大蒸汽阀门开度，反之实际温度高于设定值时就关小蒸汽阀门。根据设定值与测量值之间的偏差来调节控制的输出，这就是传统PID算法的思想。但是由于实际过程中遇到的系统都具有惯性，当蒸汽阀门开大到一定开度并保持，使实际温度上升至设定值附近(如图1中OA段)，由于惯性作用，势必会出现超调(图1中AB段)。此时再关小蒸汽阀门，则温度下降(图1中BC段)，又由于惯性原因，出现反向超调(图1中⑶段)……经过一段时间的反复调节后，最终使温度稳定在设定值的上下。PID参数整定的好坏，决定了曲线最后达到稳定所需的时间。而若是由人工手动控制，由于经验差异，不同水平的操作工控制线的稳定时间长短不一，经验丰富的操作工经常放弃计算机自动PID调节而完全凭自己的经验来控制，如图1所示，在温度上升过程中(图1中OA段)，当实际值接近设定值而未达到时，即提前开始逐渐减小蒸汽阀门的开度，这样即使是出现超调(图1中AB段)，其量也比较小，并且实际值很快又再次调头向下，往设定值方向逼近。整个过程中，操作工依靠自己的经验判断，提前对蒸汽阀门进行了开大、减小控制。。然而，在现场生产过程中，往往受各种因素的影响(如蒸汽压力、设定值改变、烟叶流量水分大小等)，控制将变得复杂的多。况且在整个烤片机控制系统中，需要控制的回路有十个之多(甚至更多)，仍然依靠人工经验调控，其难度是可想而知的，准确度是无法保证的。因此要生产出高质量的成品，必须对生产加工过程做全盘考虑，除了分析单个回路对成品的影响还必须建立生产模型分析出多个回路之间的相互影响、外部干扰对控制的影响和生产工况条件约束等。只有通过创建出精准的生产模型，把各种因素及其相关性都纳入整个系统综合考虑，才能实现优秀的控制效果。
发明内容
本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种对烟叶复烤过程进行水分和温度的自动控制，能够提升控制精度的基于预测PI算法控制系统的烟叶复烤机水分控制方法。为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下
一种基于预测PI算法控制系统的烟叶复烤机水分控制方法，所述预测PI算法控制系统通过预测PI控制器实现，所述方法包括如下步骤
根据经验设定润叶机入口加湿蒸汽阀的初始开度值，预测PI算法控制系统根据润叶机出口水分和开度极限值对入口蒸汽阀和出口蒸汽阀的开度进行调节；
采集进料流量信号，利用预测PI算法控制系统根据进料流量信号调节混合喷嘴加湿
量;
在预测PI算法控制系统中预先设定烟叶控制温度和热风控制温度，采集热交换器输出的热风温度和润叶机出口处的烟叶温度反馈回预测PI算法控制系统对润叶筒的筒壁温度进行控制。优选地，所述方法还包括
利用预测PI算法控制系统以热蒸汽的流量控制烤片机中干燥区的温度；
利用预测PI算法控制系统以烤片机中冷区出口的水分值为目标，调整干燥区的温度设定值。优选地，所述方法还包括
利用预测PI算法控制系统根据烤片机中回潮区的加热蒸汽控制回潮区的温度；
利用预测PI算法控制系统以回潮区出口的烟叶温度为目标，自动调整回潮区的温度设定值；
利用预测PI算法控制系统根据回潮区出口水分值调节加水量。优选地，所述方法还包括
利用预测PI算法控制系统将冷区出口水分和链车速度作为回潮区控制的扰动变量进行前馈控制。优选地，冷区出口水分值和回潮区出口水分值通过数值滤波方法进行除噪。与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是
(I)本发明中的预测PI算法控制系统采用预测PI控制算法对烟叶复烤过程进行控制，和普通的PID算法相比，其具有预测大滞后过程的输出信号与抑制测量噪声的优点，适合于大滞后对象的平稳控制。(2)本发明采用预测PI算法控制系统实现烟叶复烤整线的水分和温度的自动控制，包括对一润、二润和烤片三个重点工艺段的水分、温度联合控制，提高现场工艺控制能力，整体提升烟叶复烤加工质量。
图1为利用现有技术对干燥区温度进行控制的响应曲线示意图。图2为本发明具体实施例的流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。本发明的实施例中主要是在润叶和烤片两个重点工艺段建立上下游联动的复烤加工过程质量控制方法。在本实施例中，将热风润叶工段的水分先进控制作为打叶复烤中的第一道烟叶水分、温度控制环节，其水分、温度指标的稳定控制对后续打叶风分、复烤等大量的加工过程中烟叶的抗破碎性能起主要作用，稳定的润叶出口水分为提高复烤水分精度创造条件。其次，进行复烤工段的水分先进控制，实现干燥区温度带精准控制，为特色复烤创造基础条件，真正做到低温慢烤，而且实现干燥区、冷区和回潮联合调控，以达到出口水分长时间稳定及精度高，从而建立润叶和烤片全线水分自动化控制。如图1所示，为本具体实施例的流程图，一种基于预测PI算法控制系统的烟叶复烤机水分控制方法，其中预测PI算法控制系统通过预测PI控制器实现，所述方法其具体包括如下步骤
(SI)对润叶出口水分进行控制
(Sll)根据经验设定润叶机入口加湿蒸汽阀的初始开度值，预测PI算法控制系统根据润叶机出口水分和开度极限值对入口蒸汽阀和出口蒸汽阀的开度进行调整。现有烟叶复烤的润叶机入口和出口都布置了加湿蒸汽喷嘴，而这两个喷嘴对润叶机出口水分的调节作用是不同的出口喷嘴的调节作用比较明显、反应较快，便于控制；但从工艺角度看，入口加湿的润湿作用时间更长，更有利于提高烟叶的润透率。因此，预测PI算法控制系统在对润叶出口水分的控制策略设计中，其优先考虑采用入口蒸汽阀进行水分控制。为防止出现水溃烟，由操作人员根据经验设定入口加湿蒸汽阀的开度极限值。预测PI算法控制系统根据开度极限值优先调整入口蒸汽阀的开度，在入口加湿蒸汽阀开度达到设定的开度极限值时，润叶机出口水分仍不能满足工艺要求，此时，润叶机出口加湿蒸汽阀才参与水分控制过程。对生产头部阶段，由于检测仪表无法正常检测出口水分，预测PI算法控制系统不能投入闭环控制，因此设计一个合理的阀位设定值进行预测控制，达到最大限度地减少不合格烟叶的产生。(S12)采集进料流量信号，利用预测PI算法控制系统根据进料流量信号调整混合喷嘴加湿量；其中，混合喷嘴是复烤机的一部分，用于将蒸汽和水混合雾化喷入，可以避免大水滴。进料流量的波动对润叶机出口水分的影响也是不可忽视的一个扰动因素，因此，采集进料流量信号来调整混合喷嘴的加湿量。此外，润叶机的转速直接影响烟叶在润叶机内的停留时间，进而引起出口水分的变化，并影响烟叶的润透率，预测PI算法控制系统还将润叶机转速作为水分控制的前馈变
量之一。( S2 )对润叶出口温度进行控制
在预测PI算法控制系统中预先设定烟叶控制温度和热风控制温度，采集热交换器输出的热风温度和润叶机出口处的烟叶温度反馈回预测PI算法控制系统对润叶筒的筒壁温度进行控制。润叶机出口温度是一项重要质量指标，目前尚未配置专用的检测仪表，无法直接测量筒内的烟叶温度，操作工根据润叶机出口处烟叶的颜色、手感以及热风温度去判断润叶温度是否合适，调节的手段是先循环风量再加热蒸汽，而循环风量则根据经验值自动设定；以此实现对润叶温度的间接控制，润叶温度的波动范围被控制在±1. (TC以内。(S3)对烤片机水分进行控制预测PI算法控制系统对烤片机中水分控制回路共十个，具体为干燥一区温度、干燥二区温度、干燥三区温度、干燥四区温度、冷区水分、冷区温度、回潮一区温度、回潮二区温度、出口水分、出口温度。由于从烤片机入口到回潮出口的距离很长，生产过程时间漫长，若根据回潮区出口生产出的烟叶实际水分去回调四个干燥区的温度，会形成严重滞后，给水分的控制带来更大干扰。为进一步提高控制精度，在不影响工艺要求的前提下，本发明对冷区出口水分进行有约束的闭环控制，并将冷区出口水分作为回潮区出口水分控制回路的前馈变量。因此本发明将生产线看成由干燥区(冷区)和回潮区两个部分组成，具体控制过程如下
(531)利用预测PI算法控制系统以热蒸汽的流量控制烤片机中干燥区的温度；
(532)利用预测PI算法控制系统以烤片机中冷区出口的水分值为目标，调整干燥区的温度设定值。(S33)利用预测PI算法控制系统根据烤片机中回潮区的加热蒸汽控制回潮区的
温度;
(534)利用预测PI算法控制系统以回潮区出口的烟叶温度为目标，自动调整回潮区的温度设定值；
(535)利用预测PI算法控制系统根据回潮区出口水分值调节加水量。在步骤(S31)- (S32)中，其控制目标是冷却出口水分，其以干燥区温度作为调节手段，构成冷区水分与干燥区温度串级控制。首先以热蒸汽的流量控制四个干燥区的温度，在此基础上，以冷区出口的水分为目标，调整四个干燥区的温度设定值，使冷区出口的水分值控制在一个合理的范围之内。在步骤(S33)_ (S35)中，其控制目标是回潮区出口的烟叶水分和温度。以回潮一区、二区温度以及加水量为调节手段，构成温度水分解耦串级控制。回潮区的加热蒸汽分别控制两个回潮区的温度，以回潮区出口的烟叶温度为目标，自动调整两个回潮区的温度设定值；并根据回潮区出口水分调节加水量。由于回潮区内温度与水分之间存在着较强的耦合，因此采用解耦控制算法，可以有效地将出口的烟叶水分和温度控制在工艺要求范围之内。而且，为加快控制系统的响应，提高最终目标的控制精度，本发明还包括步骤
(S36)
利用预测PI算法控制系统将冷区出口水分和链车速度作为回潮区控制的扰动变量进行前馈控制。同时，回潮区出口水分和冷区水分在测量的时候会出现噪声干扰，严重影响控制系统的正常工作。本发明采用先进的数值滤波方法来消除噪声的干扰，改变一般的滤波方法造成的延迟，适应回潮出口水分的动态特性比较快的特点，提高抗干扰的能力，提高滤波效果。在本发明中，预测PI算法控制系统所采用的预测PI算法其离散化形式为
权利要求
1.一种基于预测PI算法控制系统的烟叶复烤机水分控制方法，其特征在于，所述预测PI算法控制系统通过预测PI控制器实现，所述方法包括如下步骤 根据经验设定润叶机入口加湿蒸汽阀的初始开度值，预测PI算法控制系统根据润叶机出口水分和开度极限值对入口蒸汽阀和出口蒸汽阀的开度进行调节； 采集进料流量信号，利用预测PI算法控制系统根据进料流量信号调节混合喷嘴加湿量; 在预测PI算法控制系统中预先设定烟叶控制温度和热风控制温度，采集热交换器输出的热风温度和润叶机出口处的烟叶温度反馈回预测PI算法控制系统对润叶筒的筒壁温度进行控制。
2.根据权利要求1所述的基于预测PI算法控制系统的烟叶复烤机水分控制方法，其特征在于，所述方法还包括 利用预测PI算法控制系统以热蒸汽的流量控制烤片机中干燥区的温度； 利用预测PI算法控制系统以烤片机中冷区出口的水分值为目标，调整干燥区的温度设定值。
3.根据权利要求2所述的基于预测PI算法控制系统的烟叶复烤机水分控制方法，其特征在于，所述方法还包括 利用预测PI算法控制系统根据烤片机中回潮区的加热蒸汽控制回潮区的温度； 利用预测PI算法控制系统以回潮区出口的烟叶温度为目标，自动调整回潮区的温度设定值； 利用预测PI算法控制系统根据回潮区出口水分值调节加水量。
4.根据权利要求3所述的基于预测PI算法控制系统的烟叶复烤机水分控制方法，其特征在于，所述方法还包括 利用预测PI算法控制系统将冷区出口水分和链车速度作为回潮区控制的扰动变量进行前馈控制。
5.根据权利要求3所述的基于预测PI算法控制系统的烟叶复烤机水分控制方法，其特征在于，冷区出口水分值和回潮区出口水分值通过数值滤波方法进行除噪。
全文摘要
本发明具体公开一种基于预测PI算法控制系统的烟叶复烤机水分控制方法。预测PI算法控制系统通过预测PI控制器实现，所述方法包括如下步骤根据经验设定润叶机入口加湿蒸汽阀的初始开度值，预测PI算法控制系统根据润叶机出口水分和开度极限值对入口蒸汽阀和出口蒸汽阀的开度进行调节；采集进料流量信号，利用预测PI算法控制系统根据进料流量信号调节混合喷嘴的加湿量；在预测PI算法控制系统中预先设定烟叶控制温度和热风控制温度，采集热交换器输出的热风温度和润叶机出口处的烟叶温度反馈回预测PI算法控制系统对润叶筒的筒壁温度进行控制。本发明实现烟叶复烤整线的水分和温度的自动控制，提高现场工艺控制能力，整体提升烟叶复烤加工质量。
文档编号A24B3/10GK103054152SQ20121058261
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者罗岩峰, 刘永强, 谢晓斌, 李敏, 陈越立 申请人:广东中烟工业有限责任公司