一种烟支重量的非对称分段式控制方法及装置 |
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| 申请号 | CN202310409027.5 | 申请日 | 2023-04-17 | 公开(公告)号 | CN116210953A | 公开(公告)日 | 2023-06-06 |
| 申请人 | 浙江中烟工业有限责任公司; 常德烟草机械有限责任公司; 浙江大学; | 发明人 | 刘万里; 李钰靓; 杨帅; 范礼峰; 张利宏; 章军; 俞晓春; 汪建伟; 李铭; 何海鹏; 唐威; 饶永; 孟文超; | ||||
| 摘要 | 本 申请 公开了一种 烟支 重量的非对称分段式控制方法及装置，非对称分段式控制方法包括：计算烟支的平均重量以及平均重量与标准重量的差值；判断差值的绝对值是否大于控制死区；若是，则确定差值的偏差方向，并判断差值的绝对值是否小于与偏差方向对应的偏差 阈值 的绝对值，偏差阈值包括正偏差阈值和负偏差阈值；若是，则依据至少一个控制参数和差值计算压丝轮的运动幅度，控制参数包括互不相等的正偏差小幅度参数、正偏差大幅度参数、负偏差小幅度参数和负偏差大幅度参数；依据运动幅度和偏差方向控制压丝轮的执行机构运动。本申请实现了非对称分段式控制，解决了“控制失衡”的问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种烟支重量的非对称分段式控制方法，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种烟支重量的非对称分段式控制方法及装置技术领域背景技术[0002] 烟支重量对烟草企业来说是不可忽视的工艺指标，如何精准地在线控制重量一直以来都是国内外烟草行业的研究重点。尤其是细支烟、短支烟等细分品类，相比传统卷烟重量更轻，生产过程中的相对偏差更大，这要求对烟支重量控制算法的进一步改善，实现更精确更稳定的控制模式。烟支重量控制的发展大致分为3个阶段：1)20世纪80年代以前，通过定期离线称量一组卷烟的重量，人为调整进烟丝量的执行机构的位置，进行粗略的手动控制，精度非常低，控制效果不佳；2)20世纪80年代，随着电子测量技术的发展，对烟支重量进行在线检测，实现了开环控制；3)直到现在，烟草行业逐渐建立了微波在线检测烟支重量、PID反馈控制的卷烟机烟支重量自动控制模式与系统，基本满足了行业需求。 [0003] 系统的总体控制目标是通过控制烟丝量，使烟支重量更接近设定目标值，从而达到稳定生产的要求。现有卷烟机一般采用吸丝成型方式，如图2所示，吸丝带A(其位置通过压丝轮E的上下移动来控制)通过负压吸附烟丝B并沿着箭头方向移动，速度约为5000‑20000支/min。当烟丝经过平准盘D后，多余的烟丝会被切下，形成凹槽部分C，剩余的烟丝经过卷烟纸包装生产烟支，烟支经由微波检测装置得到重量信息。 [0004] 典型的烟支重量控制系统框图如图1所示。烟支重量控制系统属于串级控制系统，控制周期在数十毫秒级别。在外环中，重量控制器根据实际重量计算值与目标设定值的偏差输出压丝轮E的期望位置，其中，微波检测装置对烟支密度进行检测，计算得到烟支的实际重量。在内环中，通过位移传感器得到的压丝轮E的实际位置与期望位置，通过比较得到内环偏差，位置控制器根据这一偏差控制执行机构(电机)驱动压丝轮E上下移动，从而调整通过的烟丝量。该系统可以在线实时控制烟支的平均重量并给出生产过程重量分布情况、标准偏差情况、剔废数量情况等过程统计指标。 [0005] 但是，在烟丝通过压丝轮的过程中，会产生了一种“控制失衡”的现象，造成烟支生产中的偏重烟支数量始终大于偏轻烟支数量。如果按照传统的PID方法进行控制，压丝轮向上运动和向下运动等距离所代表的切除烟丝重量是相等的，实际上越靠近吸丝带表面的烟丝，由于吸附力大，导致密度大。也就是说，压丝轮E向上运动比向下运动切除的烟丝更多。以图2为例，即当烟支偏重时，压丝轮E要向下运动切除多余的烟丝，但是由于下部密度相对较小，且烟丝对压丝轮E向下运动产生一定的阻力，当行程相同时，向下运动所切除的烟丝重量比向上运动所多出的烟丝重量要小，此时输出的控制作用一定是不够的，控制参数应增大；当烟支偏轻时，压丝轮E要向上运动使更多烟丝通过，但是由于上部密度相对较大，且无需考虑阻力，当行程相同时，向上运动所保留的烟丝重量比向下运动所切除的烟丝重量要大，此时输出的控制作用一定是远大于预期的，控制参数应减小。 发明内容 [0006] 本申请提供一种烟支重量的非对称分段式控制方法及装置，按照正偏差小幅度、正偏差大幅度、负偏差小幅度和负偏差大幅度分段设置大小不等的控制参数，并依据至少一个控制参数确定压丝轮的运动幅度，使得调整幅度与压丝轮的运动方向以及实际重量与标准重量之间差值的大小匹配，实现非对称分段式控制，解决了“控制失衡”的问题。 [0007] 本申请提供了一种烟支重量的非对称分段式控制方法，包括： [0008] 计算烟支的平均重量以及平均重量与标准重量的差值； [0009] 判断差值的绝对值是否大于控制死区； [0010] 若是，则确定差值的偏差方向，并判断差值的绝对值是否小于与偏差方向对应的偏差阈值的绝对值，偏差阈值包括正偏差阈值和负偏差阈值； [0011] 若是，则依据至少一个控制参数和差值计算压丝轮的运动幅度，控制参数包括互不相等的正偏差小幅度参数、正偏差大幅度参数、负偏差小幅度参数和负偏差大幅度参数； [0012] 依据运动幅度和偏差方向控制压丝轮的执行机构运动。 [0013] 优选地，依据差值和与偏差方向对应的小幅度参数计算压丝轮的运动幅度。 [0014] 优选地，依据至少一个控制参数和差值计算压丝轮的运动幅度，具体包括： [0015] 依据正偏差小幅度参数、正偏差大幅度参数、负偏差小幅度参数、负偏差大幅度参数以及差值计算第一转换系数； [0016] 依据第一转换系数和差值的绝对值计算压丝轮的运动幅度。 [0017] 优选地，若差值的绝对值大于等于与偏差方向对应的偏差阈值的绝对值，则依据差值和与偏差方向对应的大幅度参数计算压丝轮的运动幅度。 [0018] 优选地，若差值的绝对值大于等于与偏差方向对应的偏差阈值的绝对值，则依据正偏差小幅度参数、正偏差大幅度参数、负偏差小幅度参数、负偏差大幅度参数以及差值计算第二转换系数； [0019] 依据第二转换系数和差值的绝对值计算压丝轮的运动幅度。 [0021] 差值计算模块用于计算烟支的平均重量以及平均重量与标准重量的差值； [0022] 第一判断模块用于判断差值的绝对值是否大于控制死区； [0023] 第二判断模块用于在差值的绝对值大于控制死区时确定差值的偏差方向，并判断差值的绝对值是否小于与偏差方向对应的偏差阈值的绝对值，偏差阈值包括正偏差阈值和负偏差阈值； [0024] 运动幅度计算模块用于在差值小于与偏差方向对应的偏差阈值时，依据至少一个控制参数和差值计算压丝轮的运动幅度，控制参数包括互不相等的正偏差小幅度参数、正偏差大幅度参数、负偏差小幅度参数和负偏差大幅度参数； [0025] 控制模块用于依据运动幅度和偏差方向控制压丝轮的执行机构运动。 [0026] 优选地，运动幅度计算模块用于依据差值和与偏差方向对应的小幅度参数计算压丝轮的运动幅度。 [0027] 优选地，运动幅度计算模块包括第一转换系数计算模块和第一计算模块； [0028] 第一转换系数计算模块用于依据正偏差小幅度参数、正偏差大幅度参数、负偏差小幅度参数、负偏差大幅度参数以及差值计算第一转换系数； [0029] 第一计算模块用于依据第一转换系数和差值的绝对值计算压丝轮的运动幅度。 [0030] 优选地，运动幅度计算模块还用于在差值的绝对值大于等于与偏差方向对应的偏差阈值的绝对值时，依据差值和与偏差方向对应的大幅度参数计算压丝轮的运动幅度。 [0031] 优选地，运动幅度计算模块还包括第二转换系数计算模块和第二计算模块； [0032] 第二转换系数计算模块用于在差值的绝对值大于等于与偏差方向对应的偏差阈值的绝对值时，依据正偏差小幅度参数、正偏差大幅度参数、负偏差小幅度参数、负偏差大幅度参数以及差值计算第二转换系数； [0033] 第二计算模块用于依据第二转换系数和差值的绝对值计算压丝轮的运动幅度。 附图说明[0036] 图1为现有技术的烟支重量控制系统框图； [0037] 图2为吸丝成型方式的重量控制部分的结构示意图； [0038] 图3为本申请提供的烟支重量的非对称分段式控制方法的流程图； [0039] 图4为本申请中S型函数与阶跃函数的效果对比图； [0040] 图5为本申请提供的烟支重量的非对称分段式控制装置的结构图。 具体实施方式[0041] 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。 [0042] 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。 [0043] 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。 [0044] 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。 [0045] 本申请提供一种烟支重量的非对称分段式控制方法及装置，按照正偏差小幅度、正偏差大幅度、负偏差小幅度和负偏差大幅度分段设置大小不等的控制参数，并依据至少一个控制参数确定压丝轮的运动幅度，使得调整幅度与压丝轮的运动方向以及实际重量与标准重量之间差值的大小匹配，实现非对称分段式控制，解决了“控制失衡”的问题。 [0046] 需要说明的是，在每个控制周期(例如每个控制周期的持续时间为数十毫秒)执行一次本申请的烟支重量的非对称分段式控制方法，并且前一周期的控制与后一周期的控制没有关联关系。 [0047] 本申请在区分正偏差和负偏差的基础上，还通过设定偏差阈值，区分生产过程中当前时刻的重量属于大偏差或小偏差，来分别设置控制参数。也就是说，通过正偏差阈值xd和负偏差阈值x′d来区分差值为正向小幅度偏差、正向大幅度偏差、负向小幅度偏差还是负向大幅度偏差，从而设置对应的控制参数，即正偏差小幅度参数kS1、正偏差大幅度参数kL1、负偏差小幅度参数kS2和负偏差大幅度参数kL2，其中，kL1≥kS1，kL2≥kS2。由此，当烟支重量的差值大于偏差阈值时能够进入大幅度控制模式，更大的控制参数使得调节速度更快。 [0048] 作为一个实施例，kL2＞kL1＞kS2＞kS1，请参考图4。 [0049] 作为一个实施例，负偏差阈值x′d的绝对值与正偏差阈值xd的绝对值不相等。 [0050] 作为一个实施例，负偏差阈值x′d的绝对值与正偏差阈值xd的绝对值相等，即xd＝‑x′d。控制参数可以描述为： [0051] [0052] 如下以该实施例为例对本申请进行说明。 [0053] 实施例一 [0054] 如图3所示，本申请提供的烟支重量的非对称分段式控制方法包括： [0055] S3010：计算烟支的平均重量以及平均重量与标准重量的差值x。 [0056] 具体地，利用微波检测装置对烟支密度进行检测，计算得到烟支的实际重量，将一定数量的烟支的实际重量进行平均，获得烟支的平均重量。随后计算平均重量与标准重量的差值。 [0057] S3020：判断差值x的绝对值是否大于控制死区。若是，则执行S3030；否则，无需调整压丝轮的位置，退出本控制周期的流程，等待下一控制周期。 [0058] S3030：确定差值x的偏差方向。若偏差x为正偏差，即x＞0(压丝轮需要向下运动，使烟丝变少)，则执行S3040‑S3060，随后执行S3100；若偏差x为负偏差，即x＜0(压丝轮需要向上运动，使烟丝变多)，则执行S3070‑S3090，随后执行S3100。 [0059] S3040：判断差值x的绝对值是否小于与偏差方向(正偏差)对应的偏差阈值(即正偏差阈值xd)的绝对值。若是，则执行S3050；否则，执行S3060。 [0060] S3050：若差值x的绝对值小于正偏差阈值xd的绝对值，说明该差值x为正向小幅度偏差，则依据至少一个控制参数和差值x计算压丝轮的运动幅度，作为第一运动幅度ΔVS1。随后执行S3100。 [0061] S3060：若差值x的绝对值大于等于正偏差阈值xd的绝对值，说明该差值x为正向大幅度偏差，则依据至少一个控制参数和差值计算压丝轮的运动幅度，作为第二运动幅度ΔVL1。随后执行S3100。 [0062] 作为一个实施例，依据差值x和与偏差方向对应的小幅度参数(即正偏差小幅度参数kS1)计算第一运动幅度。具体地，将差值x的绝对值与正偏差小幅度参数kS1的乘积作为第一运动幅度ΔVS1，即ΔVS1＝kS1·|x|。 [0063] 在此基础上，作为一个实施例，依据差值x的绝对值和与偏差方向对应的大幅度参数(即正偏差大幅度参数kL1)计算第二运动幅度。具体地，将差值x的绝对值与正偏差大幅度参数kL1的乘积作为第二运动幅度ΔVL1，即ΔVL1＝kL1·|x|。 [0064] 在上述实施例中的非对称分段式控制方法使得正偏差阈值附近的控制参数发生瞬间跳变(即采用阶跃函数的方式)，这种阶梯式的变化对控制系统是非常不利的，这会造成输出控制量变化过大且不连续。基于这方面的考虑，优选地，计算运动幅度时，采用S型曲线代替上述的二值分段的参数曲线，使得控制参数平滑过渡，进一步降低烟丝消耗。 [0065] 具体地，计算运动幅度(包括第一运动幅度和第二运动幅度)时，首先依据正偏差小幅度参数kS1、正偏差大幅度参数kL1、负偏差小幅度参数kS2和负偏差大幅度参数kL2以及差值x的绝对值计算转换系数k1，即 [0066] [0067] 其中，W是用以调整平滑速度的一个可调参数值，可以调节S型曲线变化的速度，W越大，曲线变化得越快；W越小，曲线变化得越慢。 [0068] 理论上，每次参数的跳变(例如正偏差大幅度参数kL1与正偏差小幅度参数kS1之间的跳变)均满足如下关系： [0069] [0070] 其中，k表示阈值两边参数的跳变差值。W可以根据阈值两边参数的跳变差值k确定。我们希望曲线在每个跳变邻域的过渡速度都是固定的，故可对上述曲线公式进行求导得： [0071] [0072] 因为S型曲线的过渡区域主要集中于x＝0附近，所以e‑Wx+eWx可以估算为2，即希望S型曲线主要部分的过渡速度kW/4保持不变，令kW/4＝0.02，W＝0.08/k。为了在实际中应用，W可以用公式W＝(0.08～0.12)/k确定。本申请中，依据多个跳变差值综合确定W。 [0073] 经过平滑化公式处理之后，原参数曲线由二值分段变成了一条平滑曲线。在参数变化的阈值附近，参数不再发生剧烈的跳变，而是可控地从一个设定值平滑过渡到另一个设定值，如附图4所示， [0074] 获得转换系数后，依据转换系数和差值的绝对值计算压丝轮的运动幅度。具体地，将二者的乘积作为压丝轮的运动幅度。 [0075] 在上述优选实施例中，第一运动幅度ΔVS1和第二运动幅度ΔVL1的计算公式分别为： [0076] ΔVS1＝k1·|x| (5) [0077] ΔVL1＝k2·|x| (6) [0078] 其中，k1、k2分别为差值x为正向小幅度偏差和正向大幅度偏差时依据公式(2)计算获得的转换系数。 [0079] 需要说明的是，作为再一个实施例，采用上述平滑曲线的方式计算第一运动幅度，同时将正偏差大幅度参数kL1与差值x的绝对值的乘积作为第二运动幅度。 [0080] S3070：判断差值x的绝对值是否小于与偏差方向对应的偏差阈值(即负偏差阈值x′d)的绝对值。若是，则执行S3080；否则，执行S3090。 [0081] S3080：若差值x的绝对值小于负偏差阈值x′d的绝对值，说明该差值x为负向小幅度偏差，则依据至少一个控制参数和差值x计算压丝轮的运动幅度，作为第三运动幅度ΔVS2。随后执行S3100。 [0082] S3090：若差值x的绝对值大于等于负偏差阈值x′d的绝对值，说明该差值x为负向大幅度偏差，则依据至少一个控制参数和差值计算压丝轮的运动幅度，作为第四运动幅度ΔVL2。随后执行S3100。 [0083] 第三运动幅度和第四运动幅度的计算方式与第一运动幅度和第二运动幅度的计算方式相同。 [0084] 具体地，作为一个实施例，ΔVS2＝kS2·|x|，ΔVL2＝kL2·|x|。 [0085] 作为另一个实施例，ΔVS2＝k3·|x|，ΔVL2＝k4·|x|，其中，k3、k4分别为差值x为负向小幅度偏差和负向大幅度偏差时依据公式(2)计算获得的转换系数。 [0086] 作为再一个实施例，ΔVS2＝k3·|x|，ΔVL2＝kL2·|x|。 [0087] S3100：依据运动幅度和偏差方向控制压丝轮的执行机构运动。 [0088] 基于上述，更优选地，若差值的绝对值与正偏差阈值/负偏差阈值的绝对值之间的相对差值的绝对值小于等于差值阈值(例如||x|‑|xd||≤2毫克)，说明差值位于正偏差阈值/负偏差阈值附近，此时采用平滑曲线的方式计算压丝轮的运动幅度，在偏差阈值附近根据反馈信息设计平滑过渡的参数曲线。若差值的绝对值与正偏差阈值/负偏差阈值的绝对值之间的相对差值大于差值阈值，则采用阶跃函数的方式计算压丝轮的运动幅度。 [0089] 实例： [0090] 如下基于ZJ118卷烟机和倍福PLC设备对上述更优选实施例进行说明。 [0091] 基于ZJ118卷烟机，产品的标准重量为600毫克，控制死区为3毫克，设定kL1＝0.1，kS1＝0.05，kL2＝0.1，kS2＝0.08，差值阈值为2毫克，偏差阈值为16毫克，即正偏差阈值xd为16毫克，负偏差阈值x′d为‑16毫克。 [0092] 在某个控制周期，计算32支烟支的平均重量，计算平均重量与标准重量600毫克的差值。 [0093] 若平均重量为602毫克，与标准重量600毫克的差值为2毫克，该差值在控制死区3毫克内，压丝轮无需动作。 [0094] 若差值大于控制死区3毫克，则依据公式(2)计算转换系数，进而计算压丝轮的运动幅度，其中，W＝4。此时，公式(2)表示为： [0095] [0096] 若差值为15毫克，其小于正偏差阈值16毫克，并位于正偏差阈值的附近(小于2毫克)，该差值属于正向小幅度偏差，压丝轮需向下动作，通过公式(7)计算可得ΔVS1＝k1·|x|＝0.0509*15＝0.7635V，即压丝轮向下运动的幅度为0.7635伏特(如未经平滑化，压丝轮运动的幅度为ΔVS1＝kS1·|x|＝0.05*15＝0.75V)；若差值为17毫克，其大于正偏差阈值16毫克并位于正偏差阈值附近(小于2毫克)，该差值属于正向大幅度偏差，压丝轮需向下动作，通过公式(7)计算可得ΔVL1＝k2·|x|＝0.0991*17＝1.6847V，即压丝轮向下运动的幅度为1.6847伏特(如未经平滑化，压丝轮的运动幅度为ΔVL1＝kL1·|x|＝0.1*17＝1.7V)；若差值与正偏差阈值的差值大于差值阈值，则采用阶跃函数的方式计算压丝轮的运动幅度，即ΔVL1＝0.1·|x|，ΔVS1＝0.05·|x|。 [0097] 当差值为‑15毫克，其绝对值小于负偏差阈值‑16毫克的绝对值，并位于负偏差阈值的附近(小于2毫克)，该差值属于负向小幅度偏差，压丝轮需向上动作，通过公式(7)计算可得ΔVS2＝k3·|x|＝0.0804*15＝1.2054V，即压丝轮向上的运动幅度为1.2054伏特(如未经平滑化，压丝轮的运动幅度为ΔVS2＝kS2·|x|＝0.08*15＝1.2V)；当偏差为‑17毫克，其绝对值大于负偏差阈值‑16毫克的绝对值并位于负偏差阈值附近(小于2毫克)，该差值属于负向大幅度偏差，压丝轮需向上动作，通过公式(7)计算可得ΔVL2＝k4·|x|＝0.0991*17＝1.6932，即压丝轮向上运动的幅度为1.6932伏特(如未经平滑化，压丝轮运动的幅度为ΔVL2＝kL2·|x|＝0.1*17＝1.7V)；若差值的绝对值与负偏差阈值的绝对值的差值大于差值阈值，则采用阶跃函数的方式计算压丝轮的运动幅度，即ΔVS2＝0.08·|x|，ΔVL2＝0.1·|x|。 [0098] 由上述实施例，可以看出，采用平滑后的烟支重量控制的输出更加平稳，烟支重量的偏差更小。 [0099] 实施例二 [0100] 基于上述控制方法，本申请提供一种烟支重量的非对称分段式控制装置。如图5所示，非对称分段式控制装置包括差值计算模块510、第一判断模块520、第二判断模块530、运动幅度计算模块540以及控制模块550。 [0101] 差值计算模块510用于计算烟支的平均重量以及平均重量与标准重量的差值。 [0102] 第一判断模块520用于判断差值的绝对值是否大于控制死区。 [0103] 第二判断模块530用于在差值的绝对值大于控制死区时确定差值的偏差方向，并判断差值的绝对值是否小于与偏差方向对应的偏差阈值的绝对值，偏差阈值包括正偏差阈值和负偏差阈值。 [0104] 运动幅度计算模块540用于在差值小于与偏差方向对应的偏差阈值时，依据至少一个控制参数和差值计算压丝轮的运动幅度，控制参数包括互不相等的正偏差小幅度参数、正偏差大幅度参数、负偏差小幅度参数和负偏差大幅度参数。 [0105] 控制模块550用于依据运动幅度和偏差方向控制压丝轮的执行机构运动。 [0106] 作为一个实施例，运动幅度计算模块540用于依据差值和与偏差方向对应的小幅度参数计算压丝轮的运动幅度。 [0107] 优选地，运动幅度计算模块540包括第一转换系数计算模块5401和第一计算模块5402。 [0108] 第一转换系数计算模块5401用于依据正偏差小幅度参数、正偏差大幅度参数、负偏差小幅度参数、负偏差大幅度参数以及差值计算第一转换系数。 [0109] 第一计算模块5402用于依据第一转换系数和差值的绝对值计算压丝轮的运动幅度。 [0110] 作为一个实施例，运动幅度计算模块540还用于在差值的绝对值大于等于与偏差方向对应的偏差阈值的绝对值时，依据差值和与偏差方向对应的大幅度参数计算压丝轮的运动幅度。 [0111] 优选地，运动幅度计算模块540还包括第二转换系数计算模块5403和第二计算模块5404。 [0112] 第二转换系数计算模块5403用于在差值的绝对值大于等于与偏差方向对应的偏差阈值的绝对值时，依据正偏差小幅度参数、正偏差大幅度参数、负偏差小幅度参数、负偏差大幅度参数以及差值计算第二转换系数。 [0113] 第二计算模块5404用于依据第二转换系数和差值计算压丝轮的运动幅度。 |
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