CN104850151B - 一种气流式烘丝机燃烧室温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气流式烘丝机燃烧室温度控制方法，属于制备烟草技术领域。本方法通过以PID控制为基础，加以模糊补偿来实现。所述PID控制为燃烧室温度PID控制，通过温度传感器采集的实际温度对设定温度的实时反馈调节，输出燃料阀门开度设定值y1；所述模糊补偿是引入模糊控制的误差e及变化速率de参数，分别乘以系数k1、k2后相加得出y2，作为PID输出值y1的补偿量，用于周期性修正y1。本气流式烘丝机燃烧室温度控制方法能够精确、预判性的快速调节燃烧室温度，能够较好的改善气流式烘丝机燃烧室温度控制的滞后性和超调现象，有利于减少工艺气温度的波动，有效稳定了气流式烘丝的烟丝干燥和膨胀过程。

Description

一种气流式烘丝机燃烧室温度控制方法

技术领域

本发明涉及一种气流式烘丝机燃烧室温度控制方法，属于制备烟草技术领域。

背景技术

在烟草制丝工艺中，气流式烘丝机燃烧室主要为烘丝机提供高温干燥气体，用于对烟丝的快速干燥、膨胀和定型，其温度的稳定性直接影响出口烟丝的水分、温度及其他感官质量的控制能力。由于气流烘丝过程是一个多干扰、大滞后、非线性的热容过程，由燃烧室提供的高流速传热介质(工艺气)与烟丝发生热交换作用后，回风至燃烧室循环加热，其中不同产品对工艺温度设定不同、来料烟丝水分的变化、批次间歇时间的变化，都会影响燃烧室温度的波动，这就使得其调节机构—燃料阀门的开度控制变得相当复杂，具体表现在以下几个方面：

(1)温度的控制具有大滞后性，尤其是高温气体控制。目前，气流式烘丝机燃烧炉主要采用天然气或柴油两种燃料，燃烧室温度要求在580℃左右，工艺气温度要求在230℃左右，经过热交换后的回风温度在130℃左右，燃烧室温度通过对设定温度的实时反馈，经PID调节燃料阀门开度的大小来实现调控，普遍存在滞后和超调现象。另外，燃料压力、阀门调节的灵敏性都对这种闭环控制产生直接影响。

(2)热容过程复杂，影响因素较多。在批次化生产模式下，批次间的生产间歇对燃烧室温度影响极大，即气流式烘丝机从空转到干燥状态转换期间，温度波动较大，燃料阀门的调整幅度也随之增大。另外，烟丝水分、加水量、蒸汽注入量及工艺气流量等参数的变化将直接造成回风温度的波动，对燃烧室温度产生间接影响。

(3)工艺要求的变化产生的影响因素。由于制丝生产线对不同烟丝加工要求不同，对工艺气温度的设定值也不同，燃烧室温度随之发生变化，尤其在烟丝种类的转换期间，温度波动较大，来回调控时间也较长。

燃烧室温度在上述众多因素的影响下，增大了控制难度，单纯通过传统的PID算法具有很多的局限性，燃料阀门的调控缺乏对温度变化的预判性，难以解决其滞后性和超调现象的弊端，往往出现大幅波动。如英国狄更生·莱格公司生产的气流式烘丝机(HXD)燃烧炉设备，柴油和天然气两用，燃烧室温度采用传统PID控制，设定值为580℃，燃料阀门开度波动范围为14％-33％，最大偏差达到了±27℃，标准偏差达到12℃以上，过程控制能力指数Cpk值在0.7以下，系统的稳定性较差，最终导致干燥过程的不稳定，烘丝机出口水分和温度的控制能力较低。

目前，关于燃烧室温度控制的研究众多，有经典PID控制、模糊控制、模糊PID控制等，都未能有效解决温度超调问题。另外，采用模糊控制和模糊PID控制的方法，对于燃烧室高温气体控制的经验数据难以收集，模糊数据库的建立及规则库的定义相对复杂，且易偏离实际，因此均无法获得一个精确的数学模型。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种气流式烘丝机燃烧室温度控制方法，能够较好的改善气流式烘丝机燃烧室温度控制的滞后性和超调现象，有利于减少工艺气温度的波动，有效稳定气流式烘丝的烟丝干燥和膨胀过程，能够实现高温气体的精确、预判性的快速调节。

为了实现上述目的，本气流式烘丝机燃烧室温度控制方法通过以PID控制为基础，加以模糊补偿来实现；

具体包括以下步骤：

(1)通过温度传感器采集的燃烧室温度与设定值实时比较，经过温度PID控制器运算，实时输出燃料阀门开度y1；

(2)设定燃烧室温度采集周期t，计算温度采样值C(t)与设定值C的误差e(t)；

(3)计算当前温度采样值与前一周期的采样值的差值，作为单位周期内的温度变化速率de(t)；

(4)计算模糊补偿量y2，即y2＝k1×e(t)+k2×de(t)，所述k1、k2为经验值，根据不同的工艺要求进行DOE试验整定；

(5)计算y1与y2的差值，最终得出燃料阀门开度设定值Y，即Y＝y1-y2；

(6)定义所述温度PID控制器死区范围，当处于死区时，k1为零。

进一步，所述PID控制器实时输出燃料阀门开度y1和模糊补偿量y2为周期性输出。

进一步，所述燃烧室温度工艺要求范围是580±20℃。

与现有技术相比，本气流式烘丝机燃烧室温度控制方法以传统PID控制模型为基础，通过引入模糊控制的误差和变化速率参数，来计算补偿量，用于对传统PID输出的修正。本发明结合了PID控制和模糊控制的优点，既具有PID控制精度高的特点，又具有模糊算法良好的预判性和灵活性，无需收集大量的经验数据，避免了建立模糊控制模型繁琐、复杂的步骤，易于电控程序的设计和实现，能够精确、预判性的快速调节燃烧室温度，能够较好的改善气流式烘丝机燃烧室温度控制的滞后性和超调现象，有利于减少工艺气温度的波动，有效稳定了气流式烘丝的烟丝干燥和膨胀过程。

附图说明

图1为气流式烘丝机设备原理示意图；

图2为本发明的控制流程图；

图3为原有的气流式烘丝机控制方式的燃烧室温度趋势图；

图4为本发明的气流式烘丝机控制方式的燃烧室温度趋势图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，燃料进入燃烧炉点燃后，产生高温持续对热交换器进行加热，高速流动的工艺气在气流式烘丝机内与烟丝发生热交换，即烟丝的干燥、膨胀过程，降温后的回风气体再次进入热交换器进行循环。当燃烧室温度与设定值产生偏差时，通过调节燃料阀门开度的大小，实现对温度的闭环控制。

如图2所示，本发明通过以PID控制为基础，加以模糊补偿来实现。所述PID控制为燃烧室温度PID控制，通过温度传感器采集的实际温度对设定温度进行实时反馈调节，输出燃料阀门开度设定值y1；所述模糊补偿是引入模糊控制的误差e(t)及变化速率de(t)参数，分别乘以系数k1、k2后相加得出y2，作为PID输出值y1的补偿量，用于周期性修正y1。

具体实施例：

本实施例的工艺环境：燃烧室温度设定值C为580℃，允差范围±20℃，燃料为天然气。

实施例具体步骤如下：

(1)通过PID控制器，将温度传感器采集的燃烧室温度数据C1与设定值C进行比较，实时输出燃料阀门开度y1，作为驱动阀门定位器自动调节的瞬时给定值。在本实施例中，y1的统计均值为25.2；

(2)根据运行设备的温度变化特性，设定燃烧室温度采集周期t为20秒，周期性采集温度采样值C(t)，并计算与设定值C的差值，得出误差e(t)，即e(t)＝C(t)-C。例如，当周期性采集温度采样值C(t)＝582℃时，得出误差e(t)＝582-580＝2℃；

(3)进入下一采集周期时，计算当前周期的温度采样值C(t)与前一周期的采样值C(t-1)的差值，得出单位周期内的温度变化速率de(t)，即de(t)＝C(t)-C(t-1)。例如，前一周期的采样值C(t-1)＝582℃，当前周期的温度采样值C(t)＝583℃，此时e(t)＝3℃，得出单位周期内的温度变化速率de(t)＝583-582＝1℃；

(4)系数k1、k2的取值分别为0.6、0.4，计算模糊补偿量y2，即y2＝0.6×3+0.4×1＝2.2，模糊调节对原有的PID控制输出值y1给出2.2的修正值；

(5)计算y1与y2的差值，若当前PID控制器输出值y1为23，最终得出燃料阀门开度设定值Y＝23-2.2＝20.8；

(6)定义PID调节死区范围为设定值C的0.5％，即当燃烧室温度数据C1＝580±2.9℃时，PID控制器停止调节，系数k1赋值为零。

Y、y1、y2对应阀门定位器的输入值时均转换为百分数。

从现场设备运行安全考虑，限定模糊补偿量y2的范围为±5，限定燃料阀门开度设定值Y的范围为0-50。

系数k1、k2取值，根据现场工艺要求进行DOE试验整定，分别设定2²全因子和2个中心点的试验，根据响应优化器优化结果得出k1、k2的最佳值分别为0.6、0.4。

本实施例的PID算法和模糊补偿算法均通过可编程逻辑控制器PLC实现。

本实施例试验环境为每个生产批次时间在64分钟左右，监控层数据采集分析周期为15秒，即每个生产批次采集的有效数据约为256个。

从图3、图4中比较得出，本发明的气流式烘丝机燃烧室温度控制方法的燃烧室温度趋势图比原有的控制方式，温度波动幅度减弱，变化趋势明显平稳，本发明的控制方法效果显著。

通过本实施例可见，燃烧室温度波动明显减少，尤其在生产初始阶段。每个生产批次内最大偏差降至±12℃，标准偏差达到5℃以下，过程控制能力指数Cpk值在1.36以上。燃烧室为气流式烘丝机提供的工艺气温度趋于平稳，取得较好的稳定干燥过程，出口烟丝的水分控制能力得到显著提高。

同时，燃烧室温度的稳定控制，使得燃料阀门开度波动范围收窄，由原来的14％-33％降至18％-27％以内，燃料阀门开度均值由25.2％降至22.3％，天然气平均耗用量由92立方/小时下降至85立方/小时，起到了节能降耗的益处。

Claims (3)

1.一种气流式烘丝机燃烧室温度控制方法，其特征在于，所述方法通过以PID控制为基础，加以模糊补偿来实现；

具体包括以下步骤：

(1)通过温度传感器采集的燃烧室温度与设定值实时比较，经过温度PID控制器运算，实时输出燃料阀门开度y1；

(2)设定燃烧室温度采集周期t，计算温度采样值C(t)与设定值C的误差e(t)；

(3)计算当前温度采样值与前一周期的采样值的差值，作为单位周期内的温度变化速率de(t)；

(4)计算模糊补偿量y2，即y2＝k1×e(t)+k2×de(t)，所述k1、k2为经验值，根据不同的工艺要求进行DOE试验整定；

(5)计算y1与y2的差值，最终得出燃料阀门开度设定值Y，即Y＝y1-y2；

(6)定义所述温度PID控制器死区范围，当处于死区时，k1为零。

2.根据权利要求1所述的一种气流式烘丝机燃烧室温度控制方法，其特征在于，

所述PID控制器实时输出燃料阀门开度y1和模糊补偿量y2为周期性输出。

3.根据权利要求1所述的一种气流式烘丝机燃烧室温度控制方法，其特征在于，

所述燃烧室温度工艺要求范围是580±20℃。