專利名稱：烘絲機(jī)水分先進(jìn)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于卷煙廠烘絲工段的全新的烘絲機(jī)水分先進(jìn)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)， 用于控制煙絲在經(jīng)過烘絲階段后的水分含量，屬于先進(jìn)過程控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
烘絲筒出口煙絲水分是制絲過程中的一個(gè)重要的質(zhì)量控制指標(biāo)，目前國(guó)內(nèi)外烘絲筒出口水分控制(如德國(guó)Huani，昆船和秦皇島煙機(jī)廠)，均采用簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型結(jié)合傳統(tǒng)的 PID算法進(jìn)行控制。由于在烘絲過程中影響煙絲出口分水的干擾因素多(如進(jìn)料煙絲水分，進(jìn)料煙絲流量，蒸汽壓力，烘絲機(jī)熱風(fēng)溫度，風(fēng)速等)，被控對(duì)象存在大滯后和較強(qiáng)的非線性。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中存在如下問題筒壁溫度和含水量具有較強(qiáng)的非線性關(guān)系，在不同的溫度水平上，每升高或降低相同的溫度引起的水分變化量不相同，運(yùn)用線性控制算法，如PID控制算法，難以達(dá)到滿意的控制效果。
烘絲含水率的大小和很多干擾因素有關(guān)，如進(jìn)料水分、煙絲牌號(hào)、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、烘絲筒轉(zhuǎn)速、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)濕度、熱風(fēng)流量、加熱蒸汽溫度、加熱蒸汽飽和程度等等。 這些因素有一些是可以測(cè)量和控制的，如烘絲筒轉(zhuǎn)速、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)流量、加熱蒸汽溫度； 一些因素是可以測(cè)量但不可控制的，如進(jìn)料水分、煙絲牌號(hào)；而一些因素是即不可測(cè)量又不可控制的，如環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、熱風(fēng)濕度、加熱蒸汽飽和程度。
過程存在不確定性和大滯后特性，主要表現(xiàn)在相同的控制條件和環(huán)境下，控制效果不完全相同；控制變量調(diào)整一段時(shí)間后，被控變量的變化才能體現(xiàn)出來，呈現(xiàn)出純滯后特性。
烘絲過程中的頭部沒有含水率的測(cè)量值，無法進(jìn)行反饋控制，完全要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制。在尾部，由于煙絲量突然減少，而烘絲筒具有較大熱容，筒壁的溫度難以按規(guī)定的速率下降，使得尾部干煙絲比較多。水分過程本身具有特殊性，不是普通的一階或者二階過程，是一類新型的組合積分過程，動(dòng)態(tài)特性比較復(fù)雜。調(diào)整筒壁溫度控制水分的過程比較慢，而調(diào)整排潮控制水分的過程比較快，兩者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系比較復(fù)雜，存在耦合現(xiàn)象，常規(guī)的PID控制算法難以在兩者之間有效的平衡，常常導(dǎo)致振蕩或者調(diào)節(jié)作用太弱，需要人工干預(yù)。正是烘絲過程具有以上特征，運(yùn)用常規(guī)的控制方法，難以達(dá)到令人滿意的控制品質(zhì)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種控制系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)使得煙絲水分控制平穩(wěn)，消除人工干預(yù)，提高過程控制精度。使新系統(tǒng)具有更高的自適應(yīng)性和自學(xué)習(xí)功能。隨著時(shí)間的推移和工況條件的變化，系統(tǒng)具有一定的自學(xué)習(xí)自適應(yīng)能力，不需要人工干預(yù)，而且具有較強(qiáng)的抗干擾性。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種烘絲機(jī)水分先進(jìn)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征在于包括頭部控制系統(tǒng)、中部控制系統(tǒng)及尾部階段控制系統(tǒng)，其中，頭部控制系統(tǒng)采用多輸入單輸出模型，就可以根據(jù)期望出口水分響應(yīng)曲線來綜合調(diào)整筒壁的升溫速率，熱風(fēng)的溫度，熱風(fēng)的流量，根據(jù)該模型，在初始階段升溫速度比較快，然后升溫的速度趨于平緩；中部控制系統(tǒng)采用將水分引入到控制系統(tǒng)，進(jìn)行反饋校正，模型預(yù)測(cè)控制采用過程實(shí)際輸出與模型輸出之間的誤差進(jìn)行反饋來彌補(bǔ)這一缺陷，這樣在全局優(yōu)化中可有效地克服系統(tǒng)中的不確定性，提高系統(tǒng)的控制精度和魯棒性；中部控制系統(tǒng)采取排潮控制為主，筒壁溫度控制為輔，并將兩者協(xié)調(diào)統(tǒng)一，在短期以排潮控制出口水分，由于排潮控制水分具有快速的響應(yīng)速度，這樣可以極大限度的提高水分控制的精度，而當(dāng)排潮的閥位過小或者過大時(shí)，將以適當(dāng)?shù)乃俾收{(diào)整筒壁溫度，這樣由于筒壁溫度的改變，將使得排潮閥位恢復(fù)到所期望的設(shè)定值；尾部階段控制系統(tǒng)建立尾部過程的模型，進(jìn)而進(jìn)行模型預(yù)測(cè)控制；快速的降低筒壁溫度，加快尾部煙絲的流速，縮短煙絲在烘絲筒中的停留時(shí)間，也就是減少煙絲脫水時(shí)間，防止煙絲過干，大大降低干煙絲的數(shù)量。
優(yōu)選地，所述頭部控制系統(tǒng)的頭部煙絲水分控制精度比較高，設(shè)計(jì)了先進(jìn)控制算法的自學(xué)習(xí)功能，它依據(jù)實(shí)際過程的輸入與輸出測(cè)量信息，采用一定的目標(biāo)函數(shù)改建烘絲筒升溫?cái)?shù)學(xué)模型，在經(jīng)過1-2個(gè)批次的自學(xué)習(xí)后，使得烘絲頭部水分控制達(dá)到較高的控制精度，并將有關(guān)模型的特性參數(shù)保存下來。
本發(fā)明的有益效果是1.控制過程完全自動(dòng)，真正做到一鍵式操作；2.克服干擾能力強(qiáng)，控制精度高；3.具有自適應(yīng)控制功能，在頭部通過在線學(xué)習(xí)和精確的數(shù)學(xué)模型，確保頭部水分快速的到達(dá)設(shè)定值，不沖高；4.通過精確的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化頭部和尾部的控制模式，最大限度的降低頭部和尾部干煙絲量；5.協(xié)調(diào)筒壁溫度和排潮對(duì)水分調(diào)整之間的關(guān)聯(lián)，消除它們之間的耦合，避免調(diào)整過程中的振蕩；6.在穩(wěn)定烘絲筒內(nèi)的濕度場(chǎng)的同時(shí)，盡可能的穩(wěn)定筒壁溫度，減少煙絲在生產(chǎn)過程中的造碎；7.采用高次多項(xiàng)式，對(duì)壓力和溫度轉(zhuǎn)換進(jìn)行擬合，提高轉(zhuǎn)換的精度，避免分段擬合造成的跳躍和非平滑性；8.不僅控制出口的水分，而且將排潮的閥位控制在一定的設(shè)定值上，排潮的閥位在所期望的理想值上波動(dòng)，即所謂的IRV控制，避免排潮過大或者過小而影響烘絲筒內(nèi)的相對(duì)濕度，進(jìn)而影響煙絲的吸味。


圖1為本發(fā)明提供的一種烘絲機(jī)水分先進(jìn)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以一優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。
如圖1所示，本發(fā)明提供的一種烘絲機(jī)水分先進(jìn)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)烘絲過程實(shí)施先進(jìn)模型預(yù)測(cè)控制最主要是建立對(duì)象的頭部，中部和尾部模型。這些模型包括進(jìn)料流量對(duì)出口水分的模型，進(jìn)料水分對(duì)出口水分的模型，熱風(fēng)溫度對(duì)出口水分的模型，熱風(fēng)流量對(duì)出口水分的模型，筒壁溫度對(duì)出口水分的模型等。這些模型采用現(xiàn)代的漸進(jìn)辨識(shí)方法 (ASYM)進(jìn)行辨識(shí)得到。ASYM方法分為4個(gè)步驟(1)測(cè)試信號(hào)的設(shè)計(jì)。采用偽隨機(jī)二進(jìn)制信號(hào)疊加在輸入信號(hào)上，信號(hào)的幅度和平均周期有過程的特性決定，測(cè)試時(shí)間大約為過程穩(wěn)態(tài)時(shí)間的10-15倍。
(2)模型的結(jié)構(gòu)確定以及參數(shù)估計(jì)。采用ARX模型，并根據(jù)最小二乘準(zhǔn)則進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。
(3)高階模型的降階和階次的選取。采用頻率加權(quán)模型降階方法，并運(yùn)用漸進(jìn)準(zhǔn)則確定模型的階次。
(4)模型的有效性檢查。根據(jù)模型的邊界誤差，確定建模質(zhì)量的好壞。如果模型質(zhì)量差，回到第一步，重新設(shè)計(jì)測(cè)試信號(hào)。其具體構(gòu)成為1、頭部控制系統(tǒng)頭部階段由于被控含水率無法測(cè)量，不能進(jìn)行反饋控制，完全依靠所建立的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，因此，模型的精度直接影響到頭部控制質(zhì)量。該數(shù)學(xué)模型為多輸入單輸出(MISO)模型。正因?yàn)椴捎昧四Ｐ?，就可以根?jù)期望出口水分響應(yīng)曲線來綜合調(diào)整筒壁的升溫速率，熱風(fēng)的溫度，熱風(fēng)的流量，這就是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，目的是使調(diào)整達(dá)到一個(gè)全局最優(yōu)。
根據(jù)該算法，在初始階段升溫速度比較快，然后升溫的速度趨于平緩，這樣既保證了頭部煙絲含水率不至于過高，又保證了隨后的煙絲含水率不至于過低。
為確保在生產(chǎn)不同產(chǎn)地，不同品牌的煙絲的時(shí)候，頭部煙絲水分控制精度比較高， 設(shè)計(jì)了先進(jìn)控制算法的自學(xué)習(xí)功能。它依據(jù)實(shí)際過程的輸入與輸出測(cè)量信息，采用一定的目標(biāo)函數(shù)改建烘絲筒升溫?cái)?shù)學(xué)模型，在經(jīng)過1-2個(gè)批次的自學(xué)習(xí)后，使得烘絲頭部水分控制達(dá)到較高的控制精度，并將有關(guān)模型的特性參數(shù)保存下來。
2、中部控制系統(tǒng)在中部階段，出口水分可以測(cè)量，本發(fā)明將水分引入到控制系統(tǒng)，進(jìn)行反饋校正。由于實(shí)際系統(tǒng)中存在非線性，不確定性等因素的影響，在預(yù)測(cè)控制算法中，基于不變模型的預(yù)測(cè)輸出不可能與系統(tǒng)的實(shí)際輸出完全一致，為此，模型預(yù)測(cè)控制采用過程實(shí)際輸出與模型輸出之間的誤差進(jìn)行反饋叫做來彌補(bǔ)這一缺陷，這樣在全局優(yōu)化中可有效地克服系統(tǒng)中的不確定性，提高系統(tǒng)的控制精度和魯棒性。
本發(fā)明的中部控制方案與傳統(tǒng)的控制方案有著本質(zhì)的區(qū)別傳統(tǒng)方案一般采用固定排潮閥位，通過調(diào)整筒壁溫度來控制水分；或者是在筒壁溫度固定的情況下，通過調(diào)整排潮來控制水分。這兩種方案沒有將調(diào)整排潮和筒壁溫度有機(jī)結(jié)合起來，不能真正保證烘絲筒內(nèi)濕度相對(duì)穩(wěn)定。
本發(fā)明的方案采取排潮控制為主，筒壁溫度控制為輔，并將兩者協(xié)調(diào)統(tǒng)一。在短期以排潮控制出口水分，由于排潮控制水分具有快速的響應(yīng)速度，這樣可以極大限度的提高水分控制的精度，而當(dāng)排潮的閥位過小或者過大時(shí)，將以適當(dāng)?shù)乃俾收{(diào)整筒壁溫度，這樣由于筒壁溫度的改變，將使得排潮閥位恢復(fù)到所期望的設(shè)定值。這種控制模式既能提高水分的控制精度，又能在進(jìn)料狀態(tài)(如入口水分，入口流量)發(fā)生變化的情況下，保持烘絲筒內(nèi)濕度相對(duì)恒定，進(jìn)而保證烘絲的工藝質(zhì)量品質(zhì)。具體方案見附圖 3、尾部階段控制系統(tǒng)從機(jī)理分析和實(shí)際操作知道影響尾部煙絲含水率的因素有烘絲筒的溫度，進(jìn)風(fēng)溫度， 進(jìn)風(fēng)速度，烘絲筒的轉(zhuǎn)速。這些因素對(duì)干煙絲的影響有大有效，有快有慢，有先有后。為了定性的確定它們對(duì)過程的影響，進(jìn)行如下試驗(yàn)(1)提前關(guān)熱風(fēng)的蒸汽，并提前關(guān)烘絲筒的蒸汽；(2)關(guān)進(jìn)風(fēng)同時(shí)關(guān)排潮；(3)加快烘絲筒的轉(zhuǎn)速；(4)提高進(jìn)風(fēng)的速度。
結(jié)果表明提前關(guān)熱風(fēng)的蒸汽，并提前烘絲筒的蒸汽對(duì)減少“干尾”煙絲有一定效果，但效果不顯著。如果提前過早的話，則有一部分煙絲含水量過高。
在進(jìn)風(fēng)溫度不變的情況下，關(guān)閉進(jìn)風(fēng)，雖然不利于煙絲脫水，但降低了煙絲在烘絲筒中的流動(dòng)速度，煙絲在烘絲筒中的停留時(shí)間變長(zhǎng)，干煙絲增加。
加快烘絲筒的轉(zhuǎn)速可以加快煙絲在烘絲筒中的流動(dòng)速度，降低干燥時(shí)間。將烘絲筒從12轉(zhuǎn)/min轉(zhuǎn)換到18轉(zhuǎn)/min的時(shí)間提前，但對(duì)尾部干煙絲的減少影響不大。因此，可以認(rèn)為煙絲在烘絲筒中的流動(dòng)速度主要決定于風(fēng)的速度，而不是烘絲筒的轉(zhuǎn)速。
根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)，建立尾部過程的模型，進(jìn)而進(jìn)行模型預(yù)測(cè)控制；快速的降低筒壁溫度，加快尾部煙絲的流速，縮短煙絲在烘絲筒中的停留時(shí)間，也就是減少煙絲脫水時(shí)間，防止煙絲過干，大大降低干煙絲的數(shù)量。
該協(xié)調(diào)控制的實(shí)施包括通過漸進(jìn)辨識(shí)方法(ASYM)進(jìn)行辨識(shí)建立頭部，中部和尾部的控制模型，頭部依靠模型進(jìn)行控制，中部通過以排潮為主，筒壁溫度控制為輔的控制方式控制，尾部快速降低筒壁溫度，加快尾部煙絲流速的方式進(jìn)行控制。
該控制策略已經(jīng)成功應(yīng)用到兩家卷煙廠，到目前為止，一家平穩(wěn)運(yùn)行了 60個(gè)月， 另外一家綜合調(diào)試運(yùn)行良好，即將驗(yàn)收投入運(yùn)行。實(shí)際應(yīng)用效果如下1、控制過程完全自動(dòng)，真正做到一鍵式操作，避免在生產(chǎn)過程中的人工干預(yù)，降低操作強(qiáng)度和操作的隨意性；2、克服干擾能力強(qiáng)，控制精度高，出口水分完全控制在設(shè)定值的士0.2%，標(biāo)準(zhǔn)偏差在 0. 006以下，出口水分的平均值和設(shè)定值在0. 01以下；3、通過精確的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化頭部和尾部的控制模式，最大限度的降低頭部和尾部干煙絲量，干煙絲量在原有基礎(chǔ)上減少75%，或者少于15公斤/批次。
權(quán)利要求
1.一種烘絲機(jī)水分先進(jìn)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征在于包括頭部控制系統(tǒng)、中部控制系統(tǒng)及尾部階段控制系統(tǒng)，其中，頭部控制系統(tǒng)采用多輸入單輸出模型，就可以根據(jù)期望出口水分響應(yīng)曲線來綜合調(diào)整筒壁的升溫速率，熱風(fēng)的溫度，熱風(fēng)的流量，根據(jù)該模型，在初始階段升溫速度比較快，然后升溫的速度趨于平緩；中部控制系統(tǒng)采用將水分引入到控制系統(tǒng)，進(jìn)行反饋校正，模型預(yù)測(cè)控制采用過程實(shí)際輸出與模型輸出之間的誤差進(jìn)行反饋來彌補(bǔ)這一缺陷，這樣在全局優(yōu)化中可有效地克服系統(tǒng)中的不確定性，提高系統(tǒng)的控制精度和魯棒性；中部控制系統(tǒng)采取排潮控制為主，筒壁溫度控制為輔，并將兩者協(xié)調(diào)統(tǒng)一，在短期以排潮控制出口水分，由于排潮控制水分具有快速的響應(yīng)速度，這樣可以極大限度的提高水分控制的精度，而當(dāng)排潮的閥位過小或者過大時(shí)，將以適當(dāng)?shù)乃俾收{(diào)整筒壁溫度，這樣由于筒壁溫度的改變，將使得排潮閥位恢復(fù)到所期望的設(shè)定值；尾部階段控制系統(tǒng)建立尾部過程的模型，進(jìn)而進(jìn)行模型預(yù)測(cè)控制；快速的降低筒壁溫度，加快尾部煙絲的流速，縮短煙絲在烘絲筒中的停留時(shí)間，也就是減少煙絲脫水時(shí)間，防止煙絲過干，大大降低干煙絲的數(shù)量。
2.如權(quán)利要求1所述的一種烘絲機(jī)水分先進(jìn)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征在于所述頭部控制系統(tǒng)的頭部煙絲水分控制精度比較高，設(shè)計(jì)了先進(jìn)控制算法的自學(xué)習(xí)功能，它依據(jù)實(shí)際過程的輸入與輸出測(cè)量信息，采用一定的目標(biāo)函數(shù)改建烘絲筒升溫?cái)?shù)學(xué)模型，在經(jīng)過1-2 個(gè)批次的自學(xué)習(xí)后，使得烘絲頭部水分控制達(dá)到較高的控制精度，并將有關(guān)模型的特性參數(shù)保存下來。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種烘絲機(jī)水分先進(jìn)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征在于包括頭部控制系統(tǒng)、中部控制系統(tǒng)及尾部階段控制系統(tǒng)，頭部控制系統(tǒng)采用多輸入單輸出模型；中部控制系統(tǒng)采用將水分引入到控制系統(tǒng)，進(jìn)行反饋校正，模型預(yù)測(cè)控制采用過程實(shí)際輸出與模型輸出之間的誤差進(jìn)行反饋來彌補(bǔ)這一缺陷；尾部階段控制系統(tǒng)建立尾部過程的模型。此發(fā)明的有益效果是1．控制過程完全自動(dòng)；2．克服干擾能力強(qiáng)，控制精度高；3．具有自適應(yīng)控制功能；4．最大限度的降低頭部和尾部干煙絲量；5．避免調(diào)整過程中的振蕩；6．減少煙絲在生產(chǎn)過程中的造碎；7．避免分段擬合造成的跳躍和非平滑性；8．避免排潮過大或者過小而影響烘絲筒內(nèi)的相對(duì)濕度。
文檔編號(hào)A24B3/10GK102488308SQ20111041479
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者任正云, 呂駿 申請(qǐng)人:東華大學(xué)