基于預測PI 控制器的松散回潮出口水分控制

汪鉦軼，陳文先，金世益

（貴州中煙工業有限責任公司畢節卷煙廠，貴州畢節 551700）

0 引言

在制絲線生產過程當中，松散回潮工序是很重要的一個環節，該工序實現的功能是對片煙進行松散，對松散后煙葉進行增溫、增濕處理，提高煙葉的溫度、水分和韌性，以滿足后續工序的生產要求。對松散回潮出口水分控制進行研究，無論是對松散回潮工序還是對煙草行業其它類似設備都具有重要的意義。

在松散回潮工序生產過程中，控制系統可檢測及控制的擾動因素主要有：入口煙葉流量、入口水分、補償加水流量、補償加熱蒸汽流量；不可檢測及控制的擾動因素主要有：補償加熱蒸汽的水分、加工工序的環境濕度，其中入口水分的變化對出口水分的控制影響最大。采用傳統的PID 控制算法，對于松散回潮出口水分這種大滯后控制對象，往往難以實現穩定的閉環自動控制。為了改善出口水分控制精度，提出預測PI 控制器，這種控制器包括PI 控制器和預測控制器。

1 問題分析

1.1 研究對象

以WQ3113 滾筒式松散回潮機為研究對象，滾筒式松散回潮機結構如圖1 所示。切片后的煙塊進入松散回潮筒被松散為煙片，在熱風和蒸汽流的作用下，松散后的煙片被軟化并增強了韌性，溫度和水分達到工藝指標要求后輸送到煙葉儲柜暫存。

圖1 滾筒式松散回潮機結構

1.2 存在問題及原因分析

WQ3113 型松散回潮機出口水分控制方法是傳統的PID 控制，即運用PID 控制追蹤出口水分，在該過程控制中，借助SIEMENS Step 7 自帶的PID 控制器，調用功能塊FB41 連續PID 控制來實現，通過LMN 輸出值的轉化，配合水閥的開閉及加水水泵的泵頻率來實現對水分的控制。

以上方法可以實現回潮筒出口水分的自動控制，但是控制相對滯后，特別是對于松散回潮出口水分這種大滯后控制對象，當入口水分變化時，出口水分不能及時進行響應，也就是說出口水分過程控制穩定性并未得到解決，所以用傳統PID 控制方法已經不能滿足煙草行業的精確化控制的生產要求。

2 改進方法

2.1 預測PI 控制器模型

新的出口水分控制方法需要在松散回潮機入口增加一個水分儀進行水分檢測，同時將入口水分加入實際出口水分的控制系統中，并在原來的基礎上進行優化，采用預測PI 控制模型，具體思路如下：

預測PI 控制器包括PI 控制器和預測控制器，主要思路是將PI 控制器和預測控制器共同作用，能提前響應被控參數的變化，并進行精確控制。預測PI 控制器能夠有效地應對煙葉水分控制這種大滯后變量，在被控系統的參數發生變化時，系統具較好的穩定性、魯棒性等。單位負反饋控制系統如圖2 所示。

圖2 單位負反饋控制系統

Gc（s）和Gp（s）分別為控制器和被控對象的傳遞函數，E（s）、U（s）分別為控制器的輸入、輸出，U（s）同時也是被控對象的輸入，Y（s）為被控對象的輸出。

2.2 預測PI 控制器應用前研究

WQ3113 型松散回潮出口水分控制模型是工業控制中是較常見的純滯后一階模型，對回潮筒出口水分進行研究，得到預測PI 控制器的結構為式（1）：

α 的不同取值，得到不同的系統響應曲線。要保證系統具有較小超調量和具有較快的響應速度，則α 的取值小于1 是比較合適的，通過模擬實驗的方法來確定具體的取值。

2.3 模擬實驗確定α 取值

根據控制模型，人為設定松散回潮入口水分，在13%～17%范圍內上下波動，為了驗證入口水分波動較大的前提下，該模型下出口水分的穩定性情況，設計在t<700 之前，回潮筒入口水分為15.8%；在t=1000 時，入口水分變成13.2%；在t=2200 時，回潮筒入口水分又變為17.2%，滾筒入口處煙葉水分變化曲線如圖3 所示。

圖3 滾筒入口處煙葉水分變化曲線

滾筒出口處煙葉水分如圖4 所示。從圖4 可以看出，出口水分值控制在16.7%到17.3%之間，波動小且跟蹤快。這表明：在系統輸入存在較大擾動的情況下，這種控制器能較快地跟蹤出口水分這種大滯后控制量的設定值，控制穩定，超調量較小。

圖4 滾筒出口處煙葉水分變化曲線

3 應用效果

3.1 實際應用效果

預測PI 控制器在實際生產中的實際應用中，在松散回潮出口水分控制過程時，選取控制模型為e-50s，試驗選取不同的α 值，可以得到不同的系統響應曲線，根據系統所要求的響應速度和超調量，選擇α=0.25，預測PI 控制器的結構為式（2）：

該控制器用于生產運行后，實際得到的出口水分趨線如圖5 所示。從圖中可以看到，直線為片煙水分設定值，曲線為過程值，在08:00:00—08:00:20 為系統跟蹤時間，跟蹤時間較短，超調量也較小；08:00:20 后為系統控制穩定期，即使在存在干擾，出口水分仍然能被控制在標準（17%）范圍內，滿足工藝要求。

圖5 回潮筒出口處煙葉水分控制實際效果

3.2 數據分析

改進前后各工藝指標測試數據對比見表1，由表1 可見，改進后松散回潮出口水分工藝指標均明顯提升。平均出口水分SD（Standard Deviation，標準偏差）值由0.499 6%降低至0.315 2%，出口水分CPK（Process capability index，過程能力指數）值由0.862 提升至1.196。提高了松散回潮機煙葉出口水分的穩定性和控制效果，滿足工藝要求。

表1 改進前后各工藝指標測試數據對比

4 結束語

以松散回潮工序中煙葉出口水分控制為研究對象，提出了一種新型控制器——預測PI 控制器，其主要思路是將PI 控制和預測控制有機結合起來，其中PI 控制項能夠提高系統魯棒性，當不同干擾或模型參數發生變化時，能保持良好控制性能，預測部分能夠克服大滯后對控制品質的不利影響。在松散回潮出口煙葉水分控制實際運用的結果表明，預測PI 控制器具有量好的快速跟蹤性能，出口水分的控制效果明顯優于傳統控制方式，出口水分的穩定性顯著增強，出口水分標準偏差（SD）和過程能力指數（CPK）都得到了大幅改善，值得進一步研究和應用。