級聯型PID系統在加料含水率控制上的應用

郭奔，朱輝平，李漢瑩，王天奎，丁偉，周小忠，邵長嶺，孫哲建

浙江中煙工業有限責任公司杭州卷煙廠，杭州市中山南路77號310008

卷煙加料是指在卷煙生產過程中，在煙葉上施加“料液”的工藝過程。加料的目的是提高卷煙的吸食品質，形成特有風格，以滿足吸煙者的要求［1］。杭州卷煙廠CO2膨脹煙絲車間制絲線加料機由于設備本身主要針對加料工藝設計，其含水率控制系統設計不夠合理，采用的開環單PID無反饋控制模式存在著加料含水率控制波動大、人為干預不及時、控制精確度低等問題，因此改進PID控制系統對于提高加料含水率控制能力至關重要。目前對于加料、加香機含水率、溫度控制系統的改進，僅優化PID參數而不采用新型PID控制模式無法從根本上解決控制精度問題［2］；采用預測型PID雖能消除含水率控制滯后性，但未能提高控制精度［3］；戴滔［4］、馬鐵軍［5］提出的采用模糊型PID雖能解決滯后嚴重、不穩定等問題，但無法在加料機含水率控制上建立復雜的模糊控制模型；而級聯型閉環PID控制模式由于具有良好的控制性能及魯棒控制性能，能夠有效提高含水率控制精度、消除系統滯后性。為此，采用級聯型閉環PID控制模型對加料含水率控制進行了改進，以實現精確反饋控制，提高加料含水率的合格率。

1 存在問題

由于加水和加料工藝不同，加料機出口煙葉含水率控制主要存在以下問題：①出口煙葉含水率控制能力差，含水率波動較大，加料機出口煙葉含水率月合格率僅為83%；②控制過程存在人為干預不及時、錯時干預、控制精確度低等問題，中控操作人員需時刻關注加料機出口煙葉含水率趨勢圖，修改加水比例參數3～4次/min，勞動強度大；③前道松散潤葉工序煙葉含水率與加料機出口煙葉含水率之間關系不明確，造成加料機出口煙葉含水率控制難度大等問題。

2 加料機出口煙葉含水率控制原理

2.1 開環單PID控制模式

杭州卷煙廠CO2膨脹工藝制絲線加料機加水方式采用的是開環單PID控制模式，見圖1。生產前，操作人員根據下達的生產任務工藝單，在控制系統人機界面上輸入人工計算出的水流量設定值和P，I，D參數值［6-8］。生產過程中，操作人員根據加料機出口處水分儀含水率讀數變化及來料煙葉產地、等級，通過軟件人工手動調整加水流量設定值。

該控制模型的主要特點為：①屬于典型的開環控制模式，加料機出口含水率不參與含水率PID過程控制，只是作為人工參考數據，生產過程中需要人工手動干預；②PID設定值為人工折算的水流量設定值，含水率控制受人為因素影響較大；③滯后嚴重，可調節性差；④對于不同產地、等級的配方煙葉，由于其初始含水率及煙葉吸濕性能存在較大差別，對含水率控制影響較大。

2.2 閉環單PID控制模式

傳統閉環單PID控制模型見圖2。操作人員在生產前按照生產工藝配方要求，輸入含水率設定值（默認為50%，范圍0～100%）和P、I、D參數值。在生產過程中，PLC按程序執行，根據算法將輸入的含水率設定值和采集的出口含水率讀數等參數自動換算成水流量設定值，采用該控制模式提供的PID功能塊建立含水率控制回路，根據水流量設定值和水流量實際值進行PID運算，并根據輸出值設定水定位閥的閥門開度，進而控制加水量。水流量計將水流量實際值反饋給PID含水率控制回路，通過設定值與實際值比較運算后，修正發送給水定位閥的控制輸出值，進而控制閥門開度。

該控制模型的主要特點為：①加料機出口處水分儀含水率讀數參與含水率PID過程控制，能夠根據讀數波動而自動調整，實現含水率自動控制；②PID設定值是將含水率設定值和水分儀讀數通過PLC程序自動換算成的水流量設定值，不需要人工計算；③針對同批次同等級煙葉，進料含水率差別相對均衡穩定，含水率波動很小；④針對同批次多等級煙葉的連續生產，由于進料含水率波動較大，受本身滯后反饋控制模式的局限，含水率控制回路輸入/輸出值波動范圍加大，水流量變化頻繁，對控制精度影響較大。

圖2 閉環單PID控制模型示意圖

3 改進方法

由上述分析可見，兩種控制模式在來料煙葉含水率發生較大波動時都存在不足，開環單PID由于輸出量不參與PID過程控制不能自動控制含水率，閉環單PID無法解決控制滯后、誤差大、波動大等問題。級聯型閉環PID控制方式不僅能夠實現反饋自動控制，還能消除非線性和滯后性對入口煙葉含水率波動的干擾，增強系統的動態指標以及含水率控制的穩定性。

3.1 建立加料機入口含水率控制點

松散潤葉工序煙葉含水率與加料機出口煙葉含水率之間存在一定的關系。松散潤葉工序是制絲線煙葉加水的第一道工序，也是加料機的前道工序，若松散潤葉工序煙葉含水率偏高，則加料機應適當減少加水量，反之則適當增加加水量。根據反復實驗，測得松散潤葉筒出口至進入加料機噴嘴處的時間延時為3 min，故可將延時3 min后的松散潤葉出口煙葉含水率作為加料機入口含水率參與控制。

3.2 改進控制模式

改進后采用的級聯型PID含水率控制模式［5］見圖3。級聯型PID采用兩個PID級聯控制，即PID主控制回路和PID級聯控制回路。采用級聯型控制模式，當來料煙葉含水率發生較大波動時，級聯PID控制回路具有波動量減弱功能，減輕了PID主控制回路的輸入設定值波動幅度，實現了PID主控制回路輸出值的均衡平穩變化［9］。

改進后膨脹制絲線設備intouch顯示界面見圖4。水流量設定值由PID級聯回路輸出值和加料入口含水率偏差2個數值經過組合計算得到，其中PID級聯回路輸入值為含水率設定值和含水率實際值（加料機出口水分儀讀數），而PID級聯回路輸出值根據含水率允差范圍設定上下限；加料機入口含水率偏差采用傳統的含水率計算方式得到，主要參數包含松散潤葉工序出口含水率設定值、加料機入口實際含水率。

與傳統的含水率控制模式相似［10］，加料機出口含水率參與含水率控制，但該含水率直接參與級聯PID控制調節，即實現了根據水分儀含水率讀數波動自動反饋調節功能，減小了含水率波動幅度。將松散潤葉工序出口煙葉含水率作為加料入口含水率的控制方式，使加料機出口煙葉含水率控制系統具有預判斷機制，對來料煙葉大幅度的含水率變化做出提前判斷，消除了加料機出口煙葉含水率控制的滯后性。級聯型PID系統應用前后含水率月合格率對比見圖5。

4 改進效果

級聯型PID控制系統采用延遲3 min后的潤葉機出口含水率作為加料機入口含水率，用于加料入口含水率偏差調節，加料出口含水率作為PID級聯回路控制，加料筒內部水流量作為PID控制主回路，在開環PID的現場設備上實現了程序反饋控制，減小了含水率波動幅度，穩定了煙葉含水率控制。改進后系統采用雙反饋控制模式，增強了系統預判斷能力和控制的實時性，基本消除了含水率控制的滯后性，提高了加料機出口煙葉含水率的控制能力，含水率月合格率從83%提高到92%，提高了煙絲的工藝質量。

［1］陳良元.卷煙生產工藝技術［M］.鄭州：河南科學技術出版社，2002.

［2］蔡華川，盧榮德，周開辟.HAUNI制絲線自動加香控制系統的改造［J］.煙草科技，2006（1）：33-35.

［3］徐俊山，康惠駿.烘絲機煙絲含水率的預測PI控制［J］.電氣傳動自動化，2007（6）：32-35.

［4］戴滔.模糊-PID控制在梗絲流化床中的應用［J］.煙草科技，2008（8）：24-27.

［5］馬鐵軍.模糊控制在煙絲加香控制系統中的應用［J］.計算機應用，1999（18）：19-21.

［6］楊燕平.復合PID控制技術在熱風溫度控制中的運用［J］.煙草科技，2007（6）：21-23.

［7］俞仁皓，宋家海，王建.松散回潮工序回風溫度PID控制參數的優化［J］.煙草科技，2010（7）：8-10.

［8］陶永華.PID控制原理和自整定策略［J］.工業儀表與自動化裝置，1997（4）：60-64.

［9］俞忠原，陳一民.工業過程控制計算機系統［M］.北京：北京理工大學出版社，1995.

［10］金以惠.過程控制［M］.北京：清華大學出版社，1991.