一种烘丝机的出口水分控制方法及装置 |
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| 申请号 | CN202410209498.6 | 申请日 | 2024-02-26 | 公开(公告)号 | CN117837790A | 公开(公告)日 | 2024-04-09 |
| 申请人 | 浙江中烟工业有限责任公司; | 发明人 | 郭奔; 杨振宇; 陈杨骏; 刘万里; 李汉莹; 李淑彪; | ||||
| 摘要 | 本 申请 公开了一种烘丝机的出口 水 分控制方法及装置，方法包括循环执行如下步骤，直至生产阶段结束：判断烘丝机当前所处的阶段；若烘丝机当前处于预热阶段、生产状态初始阶段或收尾阶段，则采用相互 串联 的前级PID水分控制回路和后级PID筒壁 温度 控制回路对出口水分进行控制；若烘丝机当前处于生产状态稳定阶段，则采用线性回归模型对出口水分进行控制。本申请基于烘丝机当前所处阶段确定出口水分控制方式，具有更高的动态性能和更好的自适应能 力 ，并且在生产状态稳定阶段采用线性回归模型进行出口水分的控制，具有更好的响应速率、更好的 跟踪 性能和更强的抗干扰能力。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种烘丝机的出口水分控制方法，其特征在于，包括循环执行如下步骤，直至生产阶段结束： |
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| 说明书全文 | 一种烘丝机的出口水分控制方法及装置技术领域背景技术[0002] 卷烟制丝烘丝机普遍采用的工作原理是：一定流量的蒸汽通过筒体薄板内壁，蒸汽在蒸汽道中凝结使热量有效的传导给薄板至烟丝上，同时，风机将环境空气送入蒸汽加热的热交换器产生的热风，流过滚筒期间，通过对流方式将热量传递给烟丝并带走水分，使烟丝达到均匀干燥、均匀加热和填充力均匀的增加，以及恒定的出口水分和水分。同时，筒体内部设置排潮系统，抽取部分含水、含热废气进行排放，以恒定物料的水分，同时间接地影响物料含水率。 [0003] 由于烘丝过程具有较强的非线形、不确定性和大滞后性，再加上烟叶本身的特殊性质，使得烘丝过程的水分控制变得十分复杂。从本质上讲，制丝烘丝机物料水分控制属于非线性时变的大滞后系统，如图1所示，目前主流设备厂家采用串级PID控制方法对烘丝机出口水分进行控制，即水分控制器(前级PID控制)的输出值CV1经线性函数f(x)获得筒壁温度控制器(后级PID控制)的设定值SP2，从而利用筒壁温度控制器对筒壁温度进行PID调节，进而调节出口物料的实际水分。但是，串联多级PID控制的动态性能和自适应能力较差。发明内容 [0004] 本申请提供一种烘丝机的出口水分控制方法及装置，基于烘丝机当前所处阶段确定出口水分控制方式，具有更高的动态性能和更好的自适应能力，并且在生产状态稳定阶段采用线性回归模型进行出口水分的控制，具有更好的响应速率、更好的跟踪性能和更强的抗干扰能力。 [0005] 本申请提供了一种烘丝机的出口水分控制方法，包括循环执行如下步骤，直至生产阶段结束： [0006] 判断烘丝机当前所处的阶段； [0007] 若烘丝机当前处于预热阶段、生产状态初始阶段或收尾阶段，则采用相互串联的前级PID水分控制回路和后级PID筒壁温度控制回路对出口水分进行控制； [0008] 若烘丝机当前处于生产状态稳定阶段，则采用线性回归模型对出口水分进行控制。 [0009] 优选地，采用相互串联的前级PID水分控制回路和后级PID筒壁温度控制回路对出口水分进行控制时，依据出口物料水分偏差与筒壁温度偏差的比例系数修正前级PID水分控制回路的输出值，并依据修正后的前级PID水分控制回路的输出值确定本次循环中后级PID筒壁温度控制回路的设定值。 [0010] 优选地，若烟丝经过烘丝机前端动态称重时单位累计重量大于阈值，则烘丝机当前处于生产状态稳定阶段。 [0011] 优选地，将第一预设数量批次的正常生产过程产生的多维历史生产数据作为训练数据构建线性回归模型。 [0012] 优选地，利用最近的第二预设数量批次的正常生产过程产生的多维生产数据更新线性回归模型的参数。 [0014] 判断模块用于判断烘丝机当前所处的阶段； [0015] 第一控制模块用于在烘丝机当前处于预热阶段、生产状态初始阶段或收尾阶段时，采用相互串联的前级PID水分控制回路和后级PID筒壁温度控制回路对出口水分进行控制； [0016] 第二控制模块用于在烘丝机当前处于生产状态稳定阶段时，采用线性回归模型对出口水分进行控制。 [0017] 优选地，第一控制模块用于依据出口物料水分偏差与筒壁温度偏差的比例系数修正前级PID水分控制回路的输出值，并依据修正后的前级PID水分控制回路的输出值确定本次循环中后级PID筒壁温度控制回路的设定值。 [0018] 优选地，判断模块用于在烟丝经过烘丝机前端动态称重时单位累计重量大于阈值时判定烘丝机当前处于生产状态稳定阶段。 [0019] 优选地，烘丝机的出口水分控制装置还包括模型构建模块，模型构建模块用于将第一预设数量批次的正常生产过程产生的多维历史生产数据作为训练数据构建线性回归模型。 [0020] 优选地，烘丝机的出口水分控制装置还包括模型更新模块，模型更新模块用于利用最近的第二预设数量批次的正常生产过程产生的多维生产数据更新线性回归模型的参数。 附图说明[0023] 图1为目前主流设备厂家采用的烘丝机出口水分控制示意图； [0024] 图2为本申请提供的烘丝机的出口水分控制方法的流程图； [0025] 图3为本申请提供的两个串级单闭环负反馈PID控制回路的示意图； [0026] 图4为本申请提供的采用线性回归模型对出口水分进行控制的示意图； [0027] 图5为本申请提供的烘丝机的出口水分控制装置的结构图。 具体实施方式[0028] 现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。 [0029] 以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。 [0030] 对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。 [0031] 在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。 [0032] 本申请提供一种烘丝机的出口水分控制方法及装置，基于烘丝机当前所处阶段确定出口水分控制方式，具有更高的动态性能和更好的自适应能力，并且在生产状态稳定阶段采用线性回归模型进行出口水分的控制，具有更好的响应速率、更好的跟踪性能和更强的抗干扰能力。 [0033] 如图2所示，本申请提供的烘丝机的出口水分控制方法包括循环执行如下步骤，直至生产阶段结束： [0034] S210：判断烘丝机当前所处的阶段。若烘丝机当前处于预热阶段、生产状态初始阶段或收尾阶段，则执行S220；若烘丝机当前处于生产状态稳定阶段，则执行S230。 [0035] 需要说明的是，若烘丝机处于待机、残料输出等其他阶段，则按照现有技术中的出口水分控制方法进行控制。 [0036] 具体地，若烟丝经过烘丝机前端动态称重时单位累计重量小于阈值F，则烘丝机处于生产趋于非稳定控制的阶段，即生产状态初始阶段。若烟丝经过烘丝机前端动态称重时单位累计重量大于阈值F，则烘丝机处于生产状态稳定阶段。 [0037] S220：采用两个串级单闭环负反馈PID控制回路(即相互串联的前级PID水分控制回路和后级PID筒壁温度控制回路)对出口水分进行控制。 [0038] 具体地，如图3所示，前级PID水分控制回路(图3中示为通过水分控制器实现)和后级PID筒壁温度控制回路(图3中示为通过筒壁温度控制器实现)相互串联，将设定出口水分值SP1(由生产工艺决定)与过程值PV1(t)的偏差值作为前级PID水分控制回路的设定值e1(t)，并且在获得前级PID水分控制回路的输出值u1(t)后，依据出口物料水分偏差与筒壁温度偏差的比例系数k(可以由烘丝机生产厂家在程序中进行标定，也可以根据线性回归模型的效果进行小幅修正)修正前级PID水分控制回路的输出值u1(t)，并依据修正后的前级PID水分控制回路的输出值△SP2(t)确定本次循环中后级PID筒壁温度控制回路的设定值SP2(t)，从而通过后级PID筒壁温度控制回路的输出值改变烘丝过程和出口物料实际水分。 [0039] 具体地，后级PID筒壁温度控制回路的设定值SP2(t)的计算公式如下： [0040] [0041] 其中，K1p表示前级PID水分控制回路的比例参数，e1(t)表示t时刻前级PID水分控制回路的偏差值，e1(t‑1)表示t‑1时刻前级PID水分控制回路的偏差值，K1i表示前级PID水分控制回路的积分参数，e1(i)表示i时刻前级PID水分控制回路的偏差值，K1d表示前级PID水分控制回路的微分参数。 [0042] S230：采用线性回归模型对出口水分进行控制。 [0043] 具体地，烘丝机处于生产状态稳定阶段时，抛弃前级PID水分控制对筒壁温度控制器的影响，直接采用线性回归模型对筒壁温度进行调节，从而对出口水分进行控制。线性回归模型的输入数据为当前时刻t烘丝机的多维生产数据，输出数据Y为(t+T)时刻烘丝机的出口物料水分。 [0044] 具体地，如图4所示，后级PID筒壁温度控制回路的设定值SP2(t)与前级PID水分控制回路的输出值相互独立，即后级PID筒壁温度控制回路的设定值SP2(t)不是由前级PID水分控制回路的输出值确定的，而是利用线性回归模型的输出值Y以及出口物料水分偏差与筒壁温度偏差的比例系数k修正本次循环中后级PID筒壁温度控制回路的设定值SP2(t)，从而通过后级PID筒壁温度控制回路的输出值改变烘丝过程和出口物料实际水分。 [0045] 具体地，烘丝机处于生产状态稳定阶段时，后级PID筒壁温度控制回路的设定值SP2(t)的计算公式如下： [0046] [0047] 其中，P为筒壁温度偏差值。 [0048] 具体地，筒壁温度偏差值P＝水分偏差值×比例系数k [0049] 水分偏差值＝出口物料实际水分‑设定出口水分 [0050] 其中，将线性回归模型预测获得的烘丝机的出口物料水分Y作为出口物料实际水分。如图4所示，设定出口水分为SP1，即 [0051] P＝(Y‑SP1)*k (3) [0052] 构建线性回归模型时，将第一预设数量(例如50)批次的正常生产过程产生的多维历史生产数据(即剔除断料、停机等异常批次数据)作为训练数据。具体地，选择烘丝机生产阶段有物料正常生产条件的数据作为训练数据。 [0053] 作为一个实施例，每组多维历史生产数据包括同一时刻的工艺设定筒壁温度(输入变量X1)、理论筒壁温度偏差(输入变量X2)、物料流量(输入变量X3)、烘丝机入口物料水分(输入变量X4)、烘丝机热风温度(输入变量X5)。 [0054] 具体地，理论筒壁温度偏差X2的计算公式如下： [0055] 理论筒壁温度偏差＝干燥因子×脱水量偏差值 (4) [0056] 脱水量偏差值＝应脱水量‑标准脱水量 (5) [0057] [0058] [0059] 由式(4)‑(7)得出： [0060] [0061] 最终，理论筒壁温度偏差X2由式(8)计算得出。 [0062] 在上述基础上，将(t+T)时刻烘丝机的出口物料水分作为线性回归模型的输出变量Y，即 [0063] Y(t+T)＝W1*X1(t)+W2*X2(t)+W3*X3(t)+W4*X4(t)+W5*X5(t)+b (9)[0064] 其中，时间变量T为物料进入烘丝机到物料输送至出口水分和温度检测位的延时时间，该时间可以通过现有技术(如过程控制的阶跃响应或通过抛实物计算延时均值方法)测得；W1‑W5为权重系数，b为偏置系数，权重系数和偏置系数使用最小二乘法寻优，并通过多个数据组进行训练得到。 [0065] 由此，式(3)可以表示为： [0066] P＝(Y‑SP1)*k＝(W1*X1(t)+W2*X2(t)+W3*X3(t)+W4*X4(t)+W5*X5(t)+b‑SP1)*k (10)[0067] [0068] 优选地，烘丝机的出口水分控制方法还包括定期更新线性回归模型。具体地，利用最近的第二预设数量批次的正常生产过程产生的多维生产数据对线性回归模型进行训练，以更新线性回归模型的参数。 [0069] 基于上述烘丝机的出口水分控制方法，本申请还提供一种烘丝机的出口水分控制装置。如图5所示，烘丝机的出口水分控制装置包括判断模块510、第一控制模块520以及第二控制模块530。 [0070] 判断模块510用于判断烘丝机当前所处的阶段。 [0071] 第一控制模块520用于在烘丝机当前处于预热阶段、生产状态初始阶段或收尾阶段时，采用相互串联的前级PID水分控制回路和后级PID筒壁温度控制回路对出口水分进行控制。 [0072] 第二控制模块530用于在烘丝机当前处于生产状态稳定阶段时，采用线性回归模型对出口水分进行控制。 [0073] 优选地，第一控制模块520用于依据出口物料水分偏差与筒壁温度偏差的比例系数修正前级PID水分控制回路的输出值，并依据修正后的前级PID水分控制回路的输出值确定本次循环中后级PID筒壁温度控制回路的设定值。 [0074] 优选地，第二控制模块530用于利用线性回归模型的输出值以及出口物料水分偏差与筒壁温度偏差的比例系数修正本次循环中后级PID筒壁温度控制回路的设定值，后级PID筒壁温度控制回路的设定值独立于前级PID水分控制回路的输出值。 [0075] 优选地，判断模块510用于在烟丝经过烘丝机前端动态称重时单位累计重量大于阈值时判定烘丝机当前处于生产状态稳定阶段。 [0076] 优选地，出口水分控制装置还包括模型构建模块540，模型构建模块540用于将第一预设数量批次的正常生产过程产生的多维历史生产数据作为训练数据构建线性回归模型。 [0077] 优选地，出口水分控制装置还包括模型更新模块550，模型更新模块550用于利用最近的第二预设数量批次的正常生产过程产生的多维生产数据更新线性回归模型的参数。 [0078] 本申请的有益效果包括： [0080] 2、本申请采用线性回归模型，并且采用有监督的学习规则实现模型的迭代自优化，从而不断修正和控制模型的主要参数，实现了更稳定、更智能化的烘丝机出口水分控制。 [0081] 3、本申请中采用比例系数对前级PID水分控制回路的输出值和后级PID筒壁温度控制回路的设定值，对烘丝机水分控制存在的耦合、非线性且不稳定的特性具有很好的匹配性，同时也将线性回归模型输出的出口水分预测值与筒壁温度偏差值进行了关联，形成了自动控制的前馈闭环。比例系数法也将机器学习线性回归模型的输出与自动控制的前馈通道进行了结合，实现了两个技术的融合。 [0082] 4、本申请将多个热量相关变量作为线性回归模型的输入变量，利用线性回归模型挖掘潜在的数据关系，同时将预测的出口水分关联到筒壁温度修正控制的策略，较好地替换了原有串级PID控制模块中的前级PID的输出值，整个过程中物理概念与实际控制目的对应，并避免了被控对象动态特性计算错误而带来的偏差，同时具有更好的响应速率、更好的跟踪性能和更强的抗干扰能力，同时在保留前者较好准确性等优势的同时兼具更高的动态性能和更好的自适应能力。 |
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