煙草工藝過程中組合積分系統的應用探討

王鳳玲 王賓 王長杰

摘要：煙草工藝在以往過程中所應用的方法主要是人工智能以及PID等，這些方法具有一定的缺陷無法有效控制組合積分系統，控制的精度也非常低，最低只能將烘絲出口含水率控制在0.5%的范圍。本文在此設計了在煙草工藝過程中，如何應用組合積分系統，然后對該方法的特點等進行分析，以為更好的應用該方法提供理論指引。

關鍵詞：煙草工藝；組合積分系統；含水率

引言

作為一種新型的過程系統，組合積分系統的本質是開環穩定且可將被近似成一階對象。比如通常情況下，煙草工藝都可以被認為是一階時滯對象。以往的控制策略雖然在一定程度上可以滿足生產需求，但是伴隨工業化進程的加快，這些控制方式無法較好的控制組合積分對象，實現的精度非常低，能夠控制的烘絲出口含水率比較有限，在很多情況下都無法實現閉環控制。因此，本文在此探討新的控制方法。

一、煙草行業的組合積分系統

就組合積分而言，其針對的對象時開環穩定的對象，所傳遞的函數主要包括兩個或以上的積分時滯對象。通常情況下，組合積分的對象主要有四種類型。在烘絲過程中，其出口含水率的過程可以應用組合積分系統的傳遞函數進行表示。通過傳送帶將煙絲傳送到滾筒時，滾筒設有夾套，然后通入中壓蒸汽，對筒內的空氣和煙絲進行加熱。由于滾筒不斷的旋轉，加上熱風所產生的作用，使得煙絲不斷的向前移動，進而實現脫水的目的。在這一過程中，被控制的變量也就是煙絲的出口含水率。如果把通入的中壓蒸汽的閥位設計成一個躍階，保持出口含水率大約一分鐘以后，就會緩緩的直線下降，最終趨于穩定狀態。而下降的時間主要和熱風的速度以及滾筒的旋轉速度有關。

對于潤風和潤葉而工序而言，其含水率的過程和傳遞函數比較相似。但是加熱方式有很大不同，各個系統的加熱方式都會存在一定的差異。對于膨脹煙絲而言，其出口含水率的過程的傳遞函數屬于比較典型的類型。在膨脹煙絲的入口點和旋轉的滾筒之間存在一個高壓水噴頭，該噴頭會將高壓水以霧狀形式噴出，然后由煙絲所吸收[1]。對于打葉復烤廠回潮工段，其出口含水率的過程也比較典型，在對其進行控制時主要包含這樣幾個部分。總流量由一個調節總閥進行控制，各個部分的水流量主要由手動進行控制。傳送帶會將煙葉分數輸送到回潮工段的各個部分，通過對手動閥門進行調整，達到控制水流量的目的，進而滿足該工藝的生產要求。

二、組合積分系統控制算法

組合積分系統即便沒有模型失配，也不管如何整定PID控制器，都經常會出現系統階躍響應失調的情況，有可能是響應比較慢，也有可能是響應無法達到設定的點，無法實現響應速度和魯棒穩定性的平衡。假設并不存在滯后的組合積分系統，也沒有PID控制器。可以采用新的整定方法，整定PID的最優參數。為更好的進行比較，可以設置幾組PID參數。但是不管如何整定PID參數，都無法實現穩定性和響應速度的平衡。為更好的解決該問題，并且對積分的特殊性加以考慮，以模型為基礎構建一種新的算法，進而對控制器的傳遞函數進行推導。

由于比例的作用，控制器會設置一個初始階躍響應，并在特定的時間段內保持不變，此后變積分會發揮其作用，使得初始躍階不斷上升，再在穩定積分的影響下，實現平穩的上升[2]。所以，在此情況下，控制器不僅具有PI控制器的典型特征變積分作用，而且可以進行預測，因此可以將其稱為偽預測PID控制器。該控制器主要有3個參數，分別是過程的穩態增益、上升的時間和純滯后時間。根據設計程序所具有的相似性，可以對組合積分系統的控制器傳遞函數進行推導。可以發現，新的偽預測PID控制算法使得系統的閉環階躍響應性能得到了極大的改善。在過程對象出現變化的情況下，就會存在嚴重的模型失配現象。而就控制性能來說，新的控制算法要優于PID控制器。

三、應用情況分析

烘絲過程的出口含水率指標，具有一定的復雜性，控制起來比較困難。與中壓蒸汽的閥位相比，可以將其傳遞函數近似成組合積分系統。為防止中壓蒸汽壓力影響烘絲筒的溫度，可以從中引入溫度控制器回路，然后按照串級控制模式進行設計，并且還應設置前饋補償環節，對總脫水量發生變化而導致的干擾進行補償。為在控制烘絲含水量的過程中更好的應用新的控制算法，需要構建新的傳遞函數模型，無需建立單獨的含水率模型。

在控制器的輸出上加入一系列躍階信號，進而將中壓蒸汽的閥位而不斷的進行調整。為確保在工藝要求的范圍內控制出口含水率，將躍階幅度控制在10以下的水平。在一些情況下，躍階測試的信號出現不規則的情況，主要是由于人工進行的干預，目的是預防出口超出工藝條件。而通常情況下，溫度會比較快的響應，純滯后并不顯著，并且能夠發現控制器的輸出響應呈現出一階特性。然后采用最小二乘法，可以得出相應的傳遞函數。

在卷煙廠實際應用該控制策略時，發現控制性能提升的非常明顯。在正常生產條件下，原來的控制方案能夠對出口含水率的控制在0.5%上下的水平，而在一些不正常的生產條件下，比如在進料含水率出現比較大的變化情況時，能夠控制的精度則是1%上下。為防止出現更大的波動，必須要使用新的控制方案，進而控制好出口含水率。在此情況下，取得了非常好的控制作用，出口含水率的變化幅度非常小。

結語

以往煙草工藝中所使用的方法在當前時期已經無法滿足實際生產的需要，必須要應用新的算法，本文對此進行分析。并且認為在新的模式下，取得了非常顯著的控制效果。在實際應用中，還要結合實際情況不斷進行優化，以提升該算法的適用性。

參考文獻：

[1]任正云，鄭達，羅平.組合積分系統在煙草工藝過程中的應用[J].煙草科技，2017，42（11）：23-26.

[2]羅平.組合積分系統研究及應用[D].東華大學，2016.