CN101673087A - 一种应用于打叶复烤生产线的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于打叶复烤生产线的控制方法，提出了一种基于模型的预测PI控制器，它由两部分组成：PI控制项和预测控制项。基于烤房温度对象，采用先进的预测PI控制算法设计四个烤房温度控制器，避免了传统PID控制算法调节速度慢、波动大的问题；基于冷房广义水分对象和出口广义水分对象，采用自适应抗干扰的伪预测PI控制算法分别设计冷房水分控制方案和出口水分控制方案，大大提高了控制精度和企业的经济效益。本发明的优点：是一种基于模型的控制算法，PI控制项能提高控制器的鲁棒性；预测控制项可以根据过去某一段时间的控制作用，来预测将来的控制作用，消除控制的盲目性，使生产完全闭环自动控制。

Description

一种应用于打叶复烤生产线的控制方法

技术领域

本发明属过程控制技术领域，特别是涉及一种应用于打叶复烤生产线的控制方法。

背景技术

烟叶复烤主要用途是对打叶分离之后的烟叶片进行处理，使叶片的水分、温度达到规定的工艺技术指标。烟叶复烤生产线按工艺特点主要分干燥段、冷却段和回潮段，干燥段分四个区，冷却段为一个区，回潮段有两个区。

与流程行业其他过程比较，烟叶复烤过程具有其明显的特点，是一个多干扰、强耦合、大滞后、非线性、不确定的大热容过程。不同过程的任一区段温度、湿度的变化，都会影响到其后各区段参数的变化和出口烟叶水分含量的变化，这就使建立系统的机理模型变得相当复杂。因此复烤过程出口水分运用简单的PID控制算法难以达到闭环自动控制的目的，更无法保证控制的精度。

目前复烤生产线主要采用PLC模块和单回路仪表等对复烤生产线进行控制，现场配置了操作站，同时建立了中央监控系统，国内多数复烤生产线的自动化水平较高，从硬件条件上为实施先进控制算法打下了基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够使打叶复烤生产线完全闭环自动控制的控制算法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种应用于打叶复烤生产线的控制方法，包括建立过程模型，预测PI和伪预测PI控制算法，所述的控制方法包括冷房水分控制方法和出口水分控制方法。本发明基于一阶惯性加纯滞后过程对象，采用预测PI控制算法设计系统控制器；基于第二类组合积分过程对象，采用伪预测PI控制算法设计系统控制器。其原理为基于被控对象的过程模型G_p(s)，假定期望的闭环传递函数G₀(s)，得到所需控制器的传递函数为：

一阶惯性加纯滞后过程模型，可以用传递函数

表示。假定期望的闭环传递函数为

式中：λ是可调参数。当λ＝1时，系统的开环与闭环的响应时间相同；当λ＜1时，系统的闭环响应比开环响应快；当λ＞1时，系统的闭环响应比开环响应慢。则控制器的传递函数为：

$G_c\left(s\right)=\frac{G_0\left(s\right)}{G_p\left(s\right)(1-G_0\left(s\right))}=\frac{\mathrm{Ts}+1}{k_p(\mathrm{\λTs}+1-e^{-\mathrm{\τs}})}$

控制器的输入输出关系为：

$U\left(s\right)=\frac{1}{\mathrm{\λ}{k}_p}(1+\frac{1}{\mathrm{Ts}})E\left(s\right)-\frac{1}{\mathrm{\λTs}}(1-e^{-\mathrm{\τs}})U\left(s\right)$

上式右边第一项具有PI控制器的结构形式；第二项可以解释为：控制器在t时刻的输出是基于在时间区间[t-τ，t]上的输出预测而得到的。比例常数大致为对象增益的倒数，积分时间为过程的时间常数，预测部分的参数与过程对象的滞后时间和时间常数有关。这种控制器称为预测PI控制器(PPI)。

第二类组合积分对象过程模型，可以用传递函数

表示。选择所期望的闭环传递函数具有以下形式：

式中：τ₁₀，τ₂₀，λ为整定参数。当λ＝1时，开环与闭环的响应时间相同；当λ＞1时，开环比闭环的响应时间快；λ＜1时，开环比闭环的响应时间慢。由此，可以推导出控制器的传递函数为：

$G_c\left(s\right)=\frac{G_0\left(s\right)}{G_p\left(s\right)(1-G_0\left(s\right))}=\frac{{\mathrm{\τ}}_{1}s(1-e^{-\mathrm{\λ}{\mathrm{\τ}}_{10}s})e^{-\mathrm{\λ}{\mathrm{\τ}}_{20}s}}{k(1-e^{-{\mathrm{\τ}}_{1}s})e^{-{\mathrm{\τ}}_{2}s}[\mathrm{\λ}{\mathrm{\τ}}_{10}s-(1-e^{-{\mathrm{\τ}}_{10}s})e^{-\mathrm{\λ}{\mathrm{\τ}}_{20}s}]}$

假定：λ＝1，τ₁₀＝τ₁，τ₂₀＝τ₂，k₀＝k，则：

$G_c\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\τ}}_{10}s}{k_0[{\mathrm{\τ}}_{10}s-(1-e^{-{\mathrm{\τ}}_{10}s})e^{-{\mathrm{\τ}}_{20}s}]}$

控制器在时间域的输入输出关系为：

$U\left(s\right)=\frac{1}{k_0}E\left(s\right)+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{10}s}(1-e^{-{\mathrm{\τ}}_{10}s})e^{-{\mathrm{\τ}}_{20}s}U\left(s\right)$

上式右边第一项为比例项，第二项可以解释为控制器在t时刻的输出是由控制器在过去时间[t-(τ₁₀+τ₂₀)，t-τ₂₀]的输出预测而得到的。

在比例作用下，控制器有一个初始阶跃，然后在一段时间内保持不变，再在变积分的作用下上升，最后在稳定积分的作用下稳定上升。此PI控制器既具有变积分作用，同时又具有预测功能，这种控制器称为伪预测PI控制器(QPI)。

建立打叶复烤生产线的过程模型，主要包括：

●烤房四个区的温度对象G_PT1(s)、G_PT2(s)、G_PT3(s)、G_PT4(s)；

●烤房四个区的水分对象G_MT1(s)、G_MT2(s)、G_MT3(s)、G_MT4(s)；

●回潮房两个区相对蒸汽阀位的水分对象G_MS1(s)、G_MS2(s)；

●回潮房两个区雾化流量水分对象G_MW1(s)、G_MW2(s)。

以输入、输出数据为基础并结合部分机理，建立各对象的“灰箱”模型。各对象的传递函数模型如表1。

表1对象的传递函数模型

根据建立的四个烤房温度对象模型，运用先进的预测PI控制算法，设计烤房四个温度控制器G_CT1(s)、G_CT2(s)、G_CT3(s)、G_PT4(s)，其传递函数如表2。

表2四个温度控制器的传递函数

基于建立的温度控制器，设计四个对温度控制器限幅的非线性环节G_NT1(s)、G_NT2(s)、G_NT3(s)、G_NT4(s)。根据建立的烤房四个温度对象模型、四个水分对象模型和运用预测PI控制算法设计的四个温度控制器，确定冷房广义水分对象G_M1(s)。该广义水分对象具有第二类组合积分过程的特征，采用频率域准则简化，得到简化的冷房广义水分对象模型为：

$G_{M1}\left(s\right)=\frac{0.25}{240s}(1-e^{240s})e^{-30s}$

根据工艺要求，合理选择回潮两个区蒸汽阀位分配系数G_KS1(s)、G_KS2(s)和两个雾化水分比例系数G_KW1(s)、G_KW2(s)，以及对回潮两个区蒸汽阀位限幅的非线性环节。根据建立的回潮房两个相对蒸汽阀位的水分对象模型和两个雾化流量水分对象模型，确定出口广义水分对象G_M2(s)。该广义水分对象具有第二类组合积分过程的特征，采用频率域准则简化，得到简化的出口广义水分对象模型为：

$G_{M2}\left(s\right)=\frac{0.2}{90s}(1-e^{90s})e^{-10s}$

根据建立的冷房广义水分对象模型G_M1(s)，运用先进的伪预测PI控制算法，设计冷房水分控制方案，其冷房水分控制器的传递函数为：

$G_{\mathrm{CM}1}\left(s\right)=\frac{960s}{[240s-(1-e^{-240s})e^{-30s}]}$

根据建立的出口广义水分对象模型G_M2(s)，运用先进的伪预测PI控制算法，设计出口水分控制方案，其出口水分控制器的传递函数为：

$G_{\mathrm{CM}2}\left(s\right)=\frac{450s}{[90s-(1-e^{-90s})e^{-10s}]}.$

抗干扰环节G_D1(s)和G_D2(s)环节分别根据动态前馈补偿环节G_FD1(s)和G_FD2(s)设计。设计的基本原则是保证冷房水分与出口水分受这些干扰因素的影响达到最小。在设计的时候即考虑了抗干扰的快速性，又考虑了整体系统的稳定性。另外为了克服不同品质烟叶造成系统特性的改变，算法还融入了自适应功能。

有益效果

本发明对复烤线实施控制，可以减少现场操作人员的生产强度，降低生产成本，提高复烤烟叶质量及合格率，对整体提升企业的经济效益有着十分重要的意义，具体表现在以下几个方面：

●使烟叶的水分稳定地达到规定的工艺技术指标，提高水分的控制精度，提高烟叶的等级，极大地减少生产过程出现的水迹烟。

●克服人为因素的影响，如果不实施先进控制方案，由于回潮水流量的参数设定值都是操作人员凭经验给定，而不同的操作工的经验、操作熟练程度及责任心都不同，因此控制效果因人而异，产品质量波动大。

●降低操作人员的劳动强度，现在操作人员的劳动强度较大，频繁的更改回潮水流量的参数设定值，如果实施先进控制，则由控制系统自动进行输出控制，操作人员只要对水分进行设定，减轻了操作强度。

●减少设备的故障和事故，人工调整操作幅度大，阀位波动大，易出现设备故障和事故，增加维护维修成本。

●降低返料生产状态，提高生产负荷，减少能源消耗。

综上所述，本发明的优点是：是一种基于模型的控制算法，PI控制项能提高控制器的鲁棒性；预测控制项可以根据过去某一段时间的控制作用，来预测将来的控制作用，消除控制的盲目性，使生产完全闭环自动控制。

附图说明

图1预测PI控制器结构图；

图2伪预测PI控制器结构图；

图3冷房水分控制方案；

图4出口水分控制方案；

图5烤房温度在预测PI算法控制下的趋势；

图6冷房水分在伪预测PI算法控制下的趋势；

图7出口水分在伪预测PI算法控制下的趋势；

图8冷房水、出口水分在伪预测PI算法控制下的趋势；

图9回潮区两个蒸汽阀位在先进算法控制下的趋势。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施包括：算法的离散化、手自动的切换、编程语言实现、实验室模拟仿真、控制算法的参数整定以及现场调试。由于采用了实验室模拟仿真这个关键步骤，算法一旦下载安装，就可以直接进行控制，加上控制参数的优化，现场调试的时间一般不超过一个星期，这样就最大限度的避免了调试对生产的影响。

实施先进控制算法后在以下几个方面取得了良好的效果：

●烤房温度控制稳定，严格按照水分控制器G_CM1(s)的输出设定进行调整，四个区的温度能够控制在设定值的±0.3℃，波动减少，非常平稳，见图5。

●冷房水分和出口水分全自动闭环控制。即使在大的干扰下，冷房水分波动也很小，达到设定值的±0.3％，完全满足设定值的±0.5％工艺指标，见图6和图8。出口水分的控制精度同样也非常高，80％的时间达到设定值的±0.1％，90％的时间达到设定值的±0.2％，100％的时间达到设定值的±0.3％，见图7和图8。

●操作比较平稳，避免了控制器输出大幅度的波动，图9为回潮区两个蒸汽阀位的实时趋势。

Claims (3)

1.一种应用于打叶复烤生产线的控制方法，包括建立过程模型，预测PI和伪预测PI控制算法，其特征在于：所述的控制方法包括冷房水分控制方法和出口水分控制方法，步骤包括：

(1)基于一阶惯性加纯滞后过程对象，采用预测PI控制算法设计系统控制器；基于第二类组合积分过程对象，采用伪预测PI控制算法设计系统控制器，所述的被控对象的过程模型G_p(s)，期望的闭环传递函数G₀(s)，得到所需控制器的传递函数为： $G_c\left(s\right)=\frac{G_0\left(s\right)}{G_p\left(s\right)(1-G_0\left(s\right))};$

(2)建立打叶复烤生产线的过程模型，主要包括：烤房四个区的温度对象G_PT1(s)、G_PT2(s)、G_PT3(s)、G_PT4(s)；烤房四个区的水分对象G_MT1(s)、G_MT2(s)、G_MT3(s)、G_MT4(s)；回潮房两个区相对蒸汽阀位的水分对象G_MS1(s)、G_MS2(s)；回潮房两个区雾化流量水分对象G_MW1(s)、G_MW2(s)；以输入、输出数据为基础，建立各对象的“灰箱”模型；

(3)根据建立的四个烤房温度对象模型，运用先进的预测PI控制算法，设计烤房四个温度控制器G_CT1(s)、G_CT2(s)、G_CT3(s)、G_PT4(s)；

(4)根据建立的烤房四个温度对象模型、四个水分对象模型和运用预测PI控制算法设计的四个温度控制器，确定冷房广义水分对象G_M1(s)；该广义水分对象具有第二类组合积分过程的特征，采用频率域准则简化，得到简化的冷房广义水分对象模型为： $G_{M1}\left(s\right)=\frac{0.25}{240s}(1-e^{240s})e^{-30s};$

(5)根据建立的回潮房两个相对蒸汽阀位的水分对象模型和两个雾化流量水分对象模型，确定出口广义水分对象G_M2(s)；该广义水分对象具有第二类组合积分过程的特征，采用频率域准则简化，得到简化的出口广义水分对象模型为：

$G_{M2}\left(s\right)=\frac{0.2}{90s}(1-e^{90s})e^{-10s};$

(6)根据建立的冷房广义水分对象模型G_M1(s)，运用先进的伪预测PI控制算法，设计冷房水分控制方案，其冷房水分控制器的传递函数为：

$G_{\mathrm{GM}1}\left(s\right)=\frac{960s}{[240s-(1-e^{-240s})e^{-30s}]};$

(7)根据建立的出口广义水分对象模型G_M2(s)，运用先进的伪预测PI控制算法，设计出口水分控制方案，其出口水分控制器的传递函数为：

$G_{\mathrm{CM}2}\left(s\right)=\frac{450s}{[90s-(1-e^{-90s})e^{-10s}]}.$

2.根据权利要求1所述的一种应用于打叶复烤生产线的控制方法，其特征在于：所述的一阶惯性加纯滞后过程模型，用传递函数

表示；期望的闭环传递函数为

式中：λ是可调参数；当λ＝1时，系统的开环与闭环的响应时间相同；当λ＜1时，系统的闭环响应比开环响应快；当λ＞1时，系统的闭环响应比开环响应慢，则控制器的传递函数为：控制器的输入输出关系为：

该式右边第一项具有PI控制器的结构形式；第二项为控制器在t时刻的输出，是基于在时间区间[t-τ，t]上的输出预测而得到的；比例常数大致为对象增益的倒数，积分时间为过程的时间常数，预测部分的参数与过程对象的滞后时间和时间常数有关，这种控制器称为预测PI控制器(PPI)。

3.根据权利要求1所述的一种应用于打叶复烤生产线的控制方法，其特征在于：所述的第二类组合积分对象过程模型，用传递函数

表示，所期望的闭环传递函数具有以下形式：

式中：τ₁₀，τ₂₀，λ为整定参数；当λ＝1时，开环与闭环的响应时间相同；当λ＞1时，开环比闭环的响应时间快；λ＜1时，开环比闭环的响应时间慢，由此，可以推导出控制器的传递函数为：

当λ＝1，τ₁₀＝τ1，τ₂₀＝τ₂，k₀＝k，则：

控制器在时间域的输入输出关系为：

式中右边第一项为比例项，第二项为控制器在t时刻的输出时由控制器在过去时间[t-(τ₁₀+τ₂₀)，t-τ₂₀]的输出预测而得到的；在比例作用下，控制器有一个初始阶跃，然后在一段时间内保持不变，再在变积分的作用下上升，最后在稳定积分的作用下稳定上升。此PI控制器既具有变积分作用，同时又具有预测功能，这种控制器称为伪预测PI控制器(QPI)。

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