基于预测 PI 控制系统的片烟含水率控制方法 |
|||||||
申请号 | CN201611152765.2 | 申请日 | 2016-12-14 | 公开(公告)号 | CN107048458A | 公开(公告)日 | 2017-08-18 |
申请人 | 中国航天空气动力技术研究院; | 发明人 | 周亚平; 高维金; 张立志; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种基于预测PI控制系统的片烟含 水 率控制方法,步骤包括:1)所述预测PI控制系统获取润叶筒内片烟的水分值、进料流量 信号 和润叶筒内 温度 值;2)预测PI控制系统根据调节器的 输出信号 进行比较分析,调节水 阀 、 蒸汽 阀的开度以使所述润叶筒出口水分值满足要求,所述调节器的输出信号为:其中具有PI 控制器 的结构特征,为在τ时刻系统的输出预期值是基于时间区域(t‑τ,t)的控制作用,E(s)为偏差信号,k为初始增益,T为时间常数,e‑τs为延迟环节。本发明提供的基于预测PI控制系统的片烟含水率控制方法即具有传统PI控制特性,同时也具有预测功能,预测PI控制器具有很好的鲁棒性和快速 跟踪 性能,计算量小,速度快,控制效果明显优于传统PID控制器。 | ||||||
权利要求 | 1.一种基于预测PI控制系统的片烟含水率控制方法,其特征在于,步骤包括: |
||||||
说明书全文 | 基于预测PI控制系统的片烟含水率控制方法技术领域背景技术[0002] 在片烟生产过程中,预处理工艺是很重要的一个环节,该生产工艺段实现的最主要功能是对打叶复烤叶前的烟叶进行增稳正式处理,使片烟的温度,湿度值达到规定的工艺技术指标。 [0003] 滚筒式润叶机控制目前最大的问题就是出口水分不够稳定,润叶过程的大滞后和不确定性使得对片烟含水率难以实现快速、准确的智能调节。在早期的控制中,主要依赖人工的手动调节—手动调节蒸汽阀门开度控制水分的变化。这样烟叶的润叶质量直接与操作员有关,手操作员经验、疲劳程度、主观因素影响较大,因此在润叶过程中常常出现烟叶质量不稳定现象,控制效果因人而异。现阶段主要采用的控制方式为传统的PID控制,PID控制时过程控制中最为经典的控制方法,PID调节器或其改进型在化工、冶金、机械和电力等工业过程控制领域中普遍应用。但是,在片烟含水率控制过程当中,由于片烟来料的牌号变化、滞后性、检测干扰、环境参数变化以及水、料流量波动的影响,仍然会造成控制精度偏低,控制效果往往还不急人工操作效果,因此传统的PID控制算法亟待改善。 发明内容[0004] 针对所提到的问题,本发明提出了一种基于预测PI控制系统的片烟含水率控制方法,步骤包括: [0006] 2)所述预测PI控制系统根据调节器的输出信号进行比较分析,调节水阀、蒸汽阀的开度以使所述润叶筒出口水分值满足要求,所述调节器的输出信号为: [0007] [0008] 其中 具有PI控制器的结构特征, 为在τ时刻系统的输出预期值是基于时间区域(t-τ,t)的控制作用,E(s)为偏差信号,k为初始增益,T为时间常数,e-τs为延迟环节。 [0010] 优选方案是:所述润叶筒的前后区域分别设置水阀和蒸汽阀,所述储水罐中的水经过所述管路系统及所述水阀喷入所述润叶筒内,对片烟加湿。 [0011] 优选方案是:预测PI控制系统算法模型包括: [0012] 1)设定预测PI控制器的闭环传递函数为: [0013] [0014] 其中Gc(s)为预测PI控制器的传递函数;Gp(s)为被控对象的传递函数; [0015] 2)设定所述被控对象的传递函数为: [0016] [0017] 其中k为初始增益,T为时间常数,e-τs为延迟环节; [0018] 3)设定所述预测PI控制器的闭环传递函数为: [0019] [0020] 其中α为可调参数,T为时间常数,e-τs为延迟环节; [0021] 4)将公式2和公式3带入公式1中,得出预测PI控制器的传递函数: [0022] [0023] 其中U(s)为调节器的输出信号,E(s)为偏差信号,k为初始增益,T为时间常数,e-τs为延迟环节; [0024] 5)根据公式4得出调节器的输出信号为: [0025] [0026] 其中 具有PI控制器的结构特征, 可以解释为在τ时刻系统的输出预期值是基于时间区域(t-τ,t)的控制作用,根据α的取值不同,得到系统的相应曲线不同。 [0027] 其中α为可调参数,T为时间常数,e-τs为延迟环节,k为初始增益。 [0029] 优选方案是:在保证系统具有较快的响应速度以及较小的超调量的情况下,选择α为0.25。 [0030] 优选方案是 : 根据经验 ,对 润叶 筒的水分模型 取 [0031] 本发明提供的基于预测PI控制系统的片烟含水率控制方法即具有传统PI控制特性,同时也具有预测功能,用在类似于片烟含水率该类大滞后变化量中,仿真实验及实际运用结果表明,预测PI控制器具有很好的鲁棒性和快速跟踪性能,计算量小,速度快,控制效果明显优于传统PID控制器。附图说明 [0032] 图1为Siemens Step7自带的PID控制块示意图; [0033] 图2为单位负反馈控制系统示意图; [0034] 图3为预测PI控制器结构示意图; [0035] 图4为润叶筒入口处烟叶水分变化曲线图; [0036] 图5为润叶筒出口处烟叶水分变化曲线图; [0037] 图6为润叶筒片烟出口含水率控制实际效果图。 具体实施方式[0039] 一、滚筒润叶机的结构与工作原理 [0040] 片烟预处理贯通润叶机主要由润叶筒、排潮系统、循环风系统、加料系统、管路系统组成。片烟物料由筒前传送带运送到筒内,依靠简体的转动和筒内钉耙的作用,烟叶料在筒内翻滚并向后出料室逐步移动,出口处设置出口振筛,物料经振筛到下一个运送装置,在打叶风分工艺段前端设电子皮带秤,单位为Kg/h。 [0041] 润叶筒的前后区域分别设置水阀和蒸汽阀,储水罐中的水经过管路及水阀喷入筒内,对片烟加湿;蒸汽经过管路及气阀喷入筒内,实现对片烟加热及回潮处理,与物料进行热交换,确保物料温湿度均匀,处理过后的热蒸汽与粉尘经排潮风机排到筒外。筒前和筒后分别设红外水分仪一台,测定筒前和筒后物料的实际水分值。 [0042] 当设备启动后,滚筒需先进行10-15分钟预热;当来料检测光电管检测到有物料送入时,则自动转到启动状态;在连续供料的情况下,入口振筛应供给连续均匀的烟料,在出口水分值小于设定值的一半时,水泵以满频运行,当出口水分值达到设定值的一半时,系统转入自动控制状态;在运行过程中,若系统检测到进料口无物料进入时,滚筒会中断运转一段时间,当又有物料进入时,系统转入重新启动状态;若长时间物料中断,系统则转入快速倒料状态;倒料完毕后,系统进入预热状态:当新一批物料及出口含水率正常后,系统又重新启动转入生产状态。因此,可以将上述状况概括的分为空料状态(停止状态、预热状态、冷却状态)和有料状态(生产状态、高速倒料状态、重新启动状态)两大类 [0043] 二、片烟预处理关键设备概述及片烟出口水分控制常用方法 [0044] 润叶机自动加水控制方式分为自动和手动两种。自动方式下,前后加水流量设定值自动计算,人工需输入前加水比例和蒸汽含水量;手动方式下,前、后加水流量设定值均由人工输入,同时不必再输入前加水比例和蒸汽含水量。 [0045] 加水总流量计算公式为:加水总流量=(出口水分设定值-入口实际水分值)÷(100-出口设定水分值)*秤物料流量-蒸汽含水流量;单位kg/h。 [0046] 在该控制过程中,借助Siemens Step7自带的PID控制块,调用FB41连续PID控制来实现。如图1所示,其中: [0047] SP_INT为设定值,如水分控制,为加水总量; [0048] PV_IN为过程值,通过加水流量计采集输入; [0049] PV_PER为过程变量外设,即外围设备的实际数值; [0050] P_SEL为比例分量,根据经验值设定; [0051] I_SEL为积分分量,根据经验值设定; [0052] D_SEL为微分分量,根据经验值设定; [0053] 通过输出值的转化,配合水阀的开闭及加水水泵的泵频来实现对水分的控制。 [0054] 该种方法可以实现润叶筒片烟出口水分的自动控制,但是控制相对滞后,特别是对片烟含水率变化这种大滞后控制对象,在烟草行业中很难达到精确化生产与管理。 [0055] 本发明提出了一种基于预测PI控制系统的片烟含水率控制方法,步骤包括: [0056] 1)在预测PI控制系统中预先设置润叶筒出口水分值、被控对象的数学模型、调节预测PI系统响应速度以及较小的超调量的调节参数值; [0057] 2)将采集到的润叶筒入口水分值、进料流量信号、温度值反馈到所述预测PI控制系统; [0058] 3)所述预测PI控制系统根据调节器的输出信号为: [0059] [0060] 其中 具有PI控制器的结构特征, 为在τ时刻系统的输出预期值是基于时间区域(t-τ,t)的控制作用,E(s)为偏差信号,k为初始增益,T为时间常数,e-τs为延迟环节; [0061] 4)所述预测PI控制系统根据所述调节器的输出信号进行自动比较分析,调节水阀、蒸汽阀的开度以使所述润叶筒出口水分值满足要求。 [0062] 优选方案是:所述预测PI控制系统由润叶筒、排潮系统、循环风系统、加料系统、储水罐、管路系统组成。 [0063] 优选方案是:所述润叶筒的前后区域分别设置水阀和蒸汽阀,所述储水罐中的水经过所述管路系统及所述水阀喷入所述润叶筒内,对片烟加湿。 [0064] 优选方案是:预测PI控制系统算法模型包括: [0065] 1)设定预测PI控制器的闭环传递函数为: [0066] [0067] 其中Gc(s)为预测PI控制器的传递函数;Gp(s)为被控对象的传递函数; [0068] 2)设定所述被控对象的传递函数为: [0069] [0070] 其中k为初始增益,T为时间常数,e-τs为延迟环节; [0071] 3)设定所述预测PI控制器的闭环传递函数为: [0072] [0073] 其中α为可调参数,T为时间常数,e-τs为延迟环节; [0074] 4)将公式2和公式3带入公式1中,得出预测PI控制器的传递函数,: [0075] [0076] 其中U(s)为调节器的输出信号,E(s)为偏差信号,k为初始增益,T为时间常数,e-τs为延迟环节; [0077] 5)根据公式4得出调节器的输出信号为: [0078] [0079] 其中 具有PI控制器的结构特征, 可以解释为在τ时刻系统的输出预期值是基于时间区域(t-τ,t)的控制作用,因此这种控制器被称为预测PI控制器,如图3所示,根据α的取值不同,得到系统的相应曲线不同,其中α为可调参数,T为-τs 时间常数,e 为延迟环节,k为初始增益,。 [0080] 优选方案是:α为可调参数,调节其大小可以调节闭环系统响应的速度。当α=1时,开环和闭环系统的时间常数相同;当α>1时,闭环系统比开环系统响应慢;当α<1时,闭环系统比开环系统响应快。 [0081] 优选方案是:在保证系统具有较快的响应速度以及较小的超调量的情况下,选择α为0.25。 [0082] 优选方案是 : 根据经验 ,对 润叶 筒的水分模型 取 [0083] 预测PI控制算法主要思想是将PI功能和预测功能有机结合起来,该算法既具有预测功能,又具有PI控制器功能。通过大量的试验,表明预测PI控制器能够有效地处理水分控制大滞后问题,在被控系统的参数发生变化时,预测PI控制器具有较强的鲁棒性与可靠性。如图2所示。 [0084] 实施例 [0085] 工业上最常见的模型为一阶纯滞后模型 根据实际经验,对润叶筒水分模型取 进行研究,则所述预测PI控制系统根据调节器的输出信号为: [0086] [0087] α的取值不同,得到的系统响应曲线也不同。在保证系统具有较快的响应速度以及较小的超调量的情况下,选择α为0.25。 [0088] 如图4所示,润叶筒入口水分值在21%左右波动,取波动值3%,即来料水分值在18%到24%之间,润叶筒出口水分设定值为19%,在t<1000之前,润叶筒入口水分值为 20.8%,且出口水分已经达到稳定;在t=1000时,入口水分值编程18.2%;在t=2200时,润叶筒入口水分值变为23.2%。 [0089] 如图5所示,出口水分值在18.8%到19.1%之间,且跟踪设定值的速度越快。这表明:在大滞后的控制系统中,即使在系统存在较大干扰,输出也会较快地跟踪设定值,而且控制作用平稳,系统具有良好的稳定性。 [0090] 如图6所示,直线为片烟水分设定值,曲线为过程值,在08:00:00-08:00:20为系统跟随时间,跟随时间较短,小于30s;08:00:20以后为系统稳定运行期,在稳定运行阶段,润叶筒的出口水分输出比较平滑,波动较小,系统的抗干扰能力较强。 |