CN102331712B - 滚筒烘丝过程的变参数控制方法 - Google Patents

Abstract

一种滚筒烘丝过程的变参数控制方法，包括由出口含水率和热风温度构成的串级控制系统。热风温度控制作为控制系统中的副回路或内环，出口含水率控制作为控制系统中的主回路或外环，其控制输出为内环控制器的给定输入，其特征在于：出口含水率控制采用带死区的变参数PID控制方式，当出口含水率与设定的含水率偏差

在死区范围内（

）时，PID控制器不产生控制动作，避免了因频繁动作而造成执行机构的损坏；而当偏差在一个设定的较小范围内（

）时，减小比例系数、增大积分系数和微分系数；当偏差在较大范围内（

）时，增大比例系数、减小积分系数和微分系数，使得既有利于加快响应速度、减小稳态误差，又可以保证很好的稳定性、防止积分饱和。

Description

滚筒烘丝过程的变参数控制方法

技术领域

本发明涉及烟草生产的相关技术领域，具体地说是一种滚筒烘丝过程的变参数控制方法。

背景技术

在烟草加工过程中，烘丝环节是制丝生产线上的重要环节，直接影响成品烟丝的质量。其主要功能是确保烘丝机出口烟丝达到卷烟工艺要求的含水率，提高烟丝的成丝率和填充值，改变烟丝的物理性能。

在烘丝过程中，当烘筒热风的温度发生波动时，出口烟丝的物理质量（整丝率、碎丝率和填充值）和感官质量都会受到较大的影响（《中国烟草学报》, 2007(6), 24-29；《郑州轻工业学院学报（自然科学版）》, 2009(1), 5-8），且烘丝过程传热滞后较大，当热风温度发生变化或有扰动产生时，系统不能立即感知，控制作用严重滞后，从而影响对含水率的及时控制（《电气传动自动化》, 2007(6), 32-35；《烟草科技》, 2005(6), 10-15）。因而将出口含水率和热风温度构成串级控制系统，热风温度控制作为串级控制系统中的副回路或内环，当热风温度发生变化时，预先进行调节，使得其尚未导致出口含水率有明显变化前就已经被克服。出口含水率控制作为串级控制系统中的主回路或外环，其控制输出为内环控制器的给定输入。由于内环的存在可以显著减小其相位滞后，外环的动态品质可以得到适当的提高，对负荷侧扰动的抑制能力也有所提高。

传统的烘丝过程出口含水率的串级控制框图如图1所示。

但这种基于传统PID（固定控制器参数）控制的方案存在以下两个突出问题：一是在正常生产阶段，由于烘丝过程的非线性性和滞后等特点，使得含水率PID控制器参数无法设置在最优状态，出口含水率波动幅度大；二是出口含水率测量含有较严重的噪声，原一阶滤波环节存在严重缺陷：滤波时间常数太大，控制作用滞后，控制品质下降；滤波时间常数太小，测量波动大，控制作用频繁，也会造成热风温度控制频繁，从而影响执行器的使用寿命。

发明内容

本发明的目的正是针对上述现有技术所存在的问题，提出了一种滚筒烘丝过程的变参数控制方法──带死区的变参数PID(PID Controller with Variable Arguments, VAPID)含水率控制方法，通过在线调节PID参数来提高控制性能，可有效解决烘丝过程中非线性和大滞后对烟丝出口含水率的影响，增强系统抗干扰能力，提高烟丝出口含水率控制精度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的滚筒烘丝过程的变参数控制方法，包括由出口含水率和热风温度构成的串级控制系统，热风温度控制作为串级控制系统中的副回路或内环，当热风温度发生变化时，预先进行调节，使得其尚未导致出口含水率有明显变化前就已经被克服，出口含水率控制作为串级控制系统中的主回路或外环，其控制输出为内环控制器的给定输入，其中：出口含水率控制采用带死区的变参数PID控制方式，当出口含水率与设定的含水率偏差                                               

在死区范围内（）时，该PID不产生控制动作，避免了因频繁动作而造成执行机构的损坏；而当偏差在一个设定的较小范围内（

）时，适当减小比例系数、增大积分系数和微分系数；当偏差在较大范围内（）时，适当增大比例系数、减小积分系数和微分系数，使得既有利于加快响应速度、减小稳态误差，又可以保证很好的稳定性、防止积分饱和。

带死区的PID控制算法表达式可表示为：

                                             

                                                    

式中，是出口含水率和设定值的跟踪偏差；是一个可调参数，根据实际控制对象用实验确定，若

太小，会使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的目的；

太大，会使系统产生较大的滞后，通常选取为被控参数的5%之内；

采用Gauss函数为基础构成变参数含水率控制器参数P、I、D的增益函数

、

、

，其函数形式为：

                                

                                       

                                   

                                         

                                    

                                           

式中，

、

、是传统PID控制器的控制参数。、

、

为修正系数，

主要取决于控制变量的限幅值和对象的稳定性，可在

中选取；

反映稳态值附近的积分作用，可在中选取；

反映稳态值附近的微分作用，一般选取为，

是我们期望PID控制参数发生变化的区间，应根据实际被控对象和性能指标要求确定；

变参数PID控制器的结构形式有三种：一种标准形和两种变体。这里采用其标准的结构形式，即将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象（滚筒）进行控制，如图3所示。

在计算机采样控制中，其控制输出可表示为：

       

和传统的固定PID参数的控制方法相比，本发明提出的带死区的变参数PID控制方法通过在线调节PID参数来提高控制性能，具有结构简单、整定方便、计算量小等优点，可有效解决烘丝过程中非线性和大滞后对烟丝出口含水率的影响，增强系统抗干扰能力，提高烟丝出口含水率控制精度。

附图说明

图1为传统的烘丝过程出口含水率的串级控制框图。

图2为改进的带死区的变参数PID串级控制框图。

图3为变参数PID控制器的标准形式。

图4为本发明采用的带死区的变参数含水率控制算法框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

影响烟丝含水率的主要物理参数有蒸汽压力、热风温度、烘筒转速和排潮风门开度。其中，排潮风门开度根据工艺段来控制，在正常烘丝过程中，排潮风门开度保持不变。烘筒转速在生产的不同阶段采用不同转速值。蒸汽压力采用闭环PID控制，其给定值由系统根据烟丝来料流量和入口烟丝含水率以及当前出口所需含水率设定值计算而得。

出口含水率控制采用图2所示的带死区的变参数PID控制方式。其中死区的算法表达式可用下式表示：

                                             

                                                    

而变参数PID控制器的参数P、I、D的增益函数

、

、

可用下式表示：

                                                                       

                                   

                                         

                                    

                                           

采用图3所示的标准控制器形式，则控制输出可表示为：

                             

                                    

实施例

以下以某卷烟厂SH625型烘丝机（烘前秤流量5400kg/h）为实例对本发明内容做具体的描述，并着重描述在正常生产阶段，采用本发明内容进行的变参数PID控制过程。

当烟丝完全进入烘丝机后（即正常生产阶段），设定烘筒转速为28r/min；保持排潮风门开度为69.50％不变；蒸汽压力采用常规PID控制调节，其给定值设定为0.3MPa；出口含水率控制采用带死区的变参数PID调节方式。具体实施步骤如下：

1.         首先，根据设备状态和性能指标要求，设定死区区间

和控制参数变化区间；

2.         然后，确定传统含水率PID控制器的参数，分两个步骤进行：

（1）       对烘丝过程进行建模，确定模型参数

考虑到烘丝机具有较大的热惯性、滞后时间大等特点，用一阶惯性时滞环节来表示其动态过程：

对其作单位阶跃响应测试，得到相应的阶跃响应曲线，通过作图法分别确定上式中的参数

、和

，从而得到对象的数学模型。

（2）       确定传统PID控制器的参数

根据上面得到的模型，采用Ziegler-Nichols整定法,并根据性能指标要求进行反复调整测试确定传统含水率控制器的参数分别为

、

和

。

3.  进一步，利用Gauss函数为基础构成新的变参数含水率控制器的参数

、

、

，分别由下式确定：

其中，

、、

为修正系数，其值根据设备状态和性能指标的要求分别设定为：

、

和

。

4.最后，按照图4所示的带死区的变参数PID控制算法框图，在西门子S7-400上利用其编程语言STEP7实现控制功能。

本发明实际应用效果：以误差平方积分准则（ISE：

）作为性能指标进行比较。随机抽取50批次原有烘丝控制方法下的出口烟丝进行分析，其出口含水率平均标准偏差为0.17％；性能指标为17.35；而在本发明采用的控制方法下，对50个取样批次的出口烟丝进行分析，其出口含水率平均标准偏差为0.15％；性能指标为21.8，性能提高25.6％。

Claims (1)

1.一种滚筒烘丝过程的变参数控制方法，包括由出口含水率和热风温度构成的串级控制系统，热风温度控制作为串级控制系统中的副回路或内环，当热风温度发生变化时，预先进行调节，使得其尚未导致出口含水率有明显变化前就已经被克服；出口含水率控制作为串级控制系统中的主回路或外环，其控制输出为内环控制器的给定输入，其特征在于：出口含水率控制采用带死区的变参数PID控制方式，当出口含水率与设定的含水率偏差 

在死区范围内

时，控制器不产生控制动作，避免了因频繁动作而造成执行机构的损坏；而当偏差在一个设定的较小范围内

时，减小比例系数、增大积分系数和微分系数；当偏差在较大范围内

时，增大比例系数、减小积分系数和微分系数，使得既有利于加快响应速度、减小稳态误差，又可以保证很好的稳定性、防止积分饱和；

带死区的PID控制算法表达式表示为：

    

    

式中，

是出口含水率和设定值的跟踪偏差；

是一个可调参数，根据实际控制对象用实验确定，若

太小，会使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的目的；

太大，会使系统产生较大的滞后，通常选取为被控参数的5%之内；

采用Gauss函数为基础构成变参数含水率控制器参数P、I、D的增益函数

、

、

，其函数形式为：

    

  

    

    

  

式中，

、

、

是传统PID控制器的控制参数，

、、

为修正系数，主要取决于控制变量的限幅值和对象的稳定性，在

中选取；

反映稳态值附近的积分作用，在

中选取；

反映稳态值附近的微分作用，一般选取为，是我们期望PID控制参数发生变化的区间，应根据实际被控对象和性能指标要求确定；

变参数PID控制器采用其标准的结构形式，即将偏差

的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象滚筒进行控制；

在计算机采样控制中，其控制输出表示为：

    

。

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