CN110946314B - 一种气流烘丝的烟丝含水量的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气流烘丝的烟丝含水量的控制方法及系统，该方法包括：按设定值设置气流烘丝的干燥气流温度，并设置气流烘丝的出口含水率的目标值；获取气流烘丝工序的出口含水率的实测值，并根据所述目标值和所述实测值得到出口含水率的目标偏差值；建立PID反馈控制模型，用于根据所述目标偏差值调节干燥气流风速以对出口含水率进行反馈控制，使批次内的气流烘丝的出口含水率按所述目标值进行控制。本发明能提高各批次气流烘丝均匀度的一致性，提升生产过程质量控制能力。

Description

一种气流烘丝的烟丝含水量的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及烟草加工技术领域，尤其涉及一种气流烘丝的烟丝含水量的控制方法及系统。

背景技术

烟草加工过程中，烘丝工序是制丝加工中最重要的一环，在需要大量脱水的重加工工序时，则需采用气流式烘丝机进行处理。气流式烘丝机采用高温空气对烟丝、梗丝进行瞬间脱水，同时利用高温空气对烟丝、梗丝进行定型，以便获得燃烧性能较为优良的烟丝或梗丝原料。但实际生产过程中，采用气流式烘丝机烘丝处理时，由于高温空气的热惯性，实际调节空气温度时常具有很大的滞后性，使得待处理烟丝或梗丝无法及时受到适当的高温空气烘干处理。最终使得不同批次之间的烟丝或梗丝的水分含量波动较大，从而产生较多的不合格烟丝，影响最终烟支质量的稳定。

发明内容

本发明提供一种气流烘丝的烟丝含水量的控制方法及系统，解决现有气流烘丝的出口含水率控制不准确和不均匀的问题，能提高各批次气流烘丝的出口含水率的一致性，提升生产过程质量控制能力。

为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：

一种气流烘丝的烟丝含水量的控制方法，包括：

按设定值设置气流烘丝的干燥气流温度，并设置气流烘丝的出口含水率的目标值；

获取气流烘丝工序的出口含水率的实测值，并根据所述目标值和所述实测值得到出口含水率的目标偏差值；

建立PID反馈控制模型，用于根据所述目标偏差值调节干燥气流风速以对出口含水率进行反馈控制，使批次内的气流烘丝的出口含水率按所述目标值进行控制。

优选的，还包括：

实时获取设定时间内气流烘丝中的出口含水率和干燥气流风速，并按时间关系进行拟合得到出口含水率与干燥气流风速的回归拟合函数；

根据所述回归拟合函数建立干燥气流风速与出口含水率的双层EWMA控制模型，以构建不同批次间的气流烘丝的出口含水率的一致性控制模型。

优选的，还包括：

将干燥气流风速作为双层EWMA控制模型的控制输入，出口含水率作为双层EWMA控制模型的控制输出；

根据所述回归拟合函数得到出口含水率与干燥气流风速的双层EWMA控制模型的截距项和增益函数系数；

根据出口含水率的预设的所述目标值，通过调整双层EWMA控制模型的平滑系数来控制干燥气流风速，使不同批次间的出口含水率保持一致性。

优选的，还包括：

采集每个批次出口含水率的取值，并在每批结束后计算该批次的均方误差；

如果连续两个批次的均方误差都持续增大，则对所述双层EWMA控制模型中的平滑系数进行调整。

优选的，构建双层EWMA控制模型包括：

EWMA控制过程用以下模型来描述：

y_t＝a+f_β(u_t-1)+ε_t，

其中，y_t为时间点t的过程输出，a表示EWMA控制模型的截距项，f_β(u_t-1)是系数为β的控制输入输出的增益函数，u_t-1为控制系统在时间点t-1的控制输入，ε_t为过程扰动；

每到一个时间点t，EWMA控制模型都会通过一个简单的EWMA滤波更新截距项：α_t＝λ(y_t-f_b(u_t-1))+(1-λ)α_t-1，其中，y_t为时间点t过程输出的实际值，λ为EWMA预测权重，0≤λ≤1，b为过程模型中β的估计值，f_b(u_t-1)通过对过程控制模型进行回归分析的方法得到；

在生产过程的线性模型中增加一个趋势项d_t，可得到：y_t＝α_t-1+f_β(u_t-1)+dt+ε_t；

运用EWMA算法对截距项和趋势项进行估计后，可得到：

其中，λ₁，λ₂为EWMA平滑系数，0≤λ₁，λ₂≤1；

由此构造了双层EWMA控制模型，时刻t的控制输入由下式计算得到：

优选的，所述根据所述回归拟合函数建立干燥气流风速与出口含水率的双层EWMA控制模型，包括：

根据所述回归拟合函数得到出口含水率与干燥气流风速的双层EWMA控制模型的截距项α和增益函数系数；

根据实时获取的干燥气流风速和出口含水率的样本值，确定估算各时刻的截距项α_t和趋势项d_t；

建立干燥气流风速与出口含水率的数学表达模型：干燥气流风速u_t＝(y_T-α_t-d_t)/增益函数系数，其中，y_T为出口含水率的目标值，是常数。

本发明还提供一种气流烘丝的烟丝含水量的控制系统，包括：

第一设置单元，用于按设定值设置气流烘丝的干燥气流温度，并设置气流烘丝的出口含水率的目标值；

采集单元，用于获取气流烘丝工序的出口含水率的实测值，并根据所述目标值和所述实测值得到出口含水率的目标偏差值；

PID控制单元，用于建立PID反馈控制模型，用于根据所述目标偏差值调节干燥气流风速以对出口含水率进行反馈控制，使批次内的气流烘丝的出口含水率按所述目标值进行控制。

优选的，还包括：

拟合单元，用于实时获取设定时间内气流烘丝中的出口含水率和干燥气流风速，并按时间关系进行拟合得到出口含水率与干燥气流风速的回归拟合函数；

EWMA控制单元，用于根据所述回归拟合函数建立干燥气流风速与出口含水率的双层EWMA控制模型，以构建不同批次间的气流烘丝的出口含水率的一致性控制模型。

优选的，还包括：

第二设置单元，用于将干燥气流风速作为双层EWMA控制模型的控制输入，出口含水率作为双层EWMA控制模型的控制输出；

获取单元，用于根据所述回归拟合函数得到出口含水率与干燥气流风速的双层EWMA控制模型的截距项和增益函数系数；

调节单元，用于根据出口含水率的预设的所述目标值，通过调整双层EWMA控制模型的平滑系数来控制干燥气流风速，使不同批次间的出口含水率保持一致性。

优选的，还包括：

均方误差计算单元，用于采集每个批次出口含水率的取值，并在每批结束后计算该批次的均方误差；

修正单元，用于如果连续两个批次的均方误差都持续增大，则对所述双层EWMA控制模型中的平滑系数进行调整。

本发明提供一种气流烘丝的烟丝含水量的控制方法及系统，在同一批次内通过设置PID反馈控制模型调节干燥气流风速以控制出口含水率，解决现有气流烘丝的出口含水率控制不准确和不均匀的问题，能提高各批次气流烘丝均匀度的一致性，提升生产过程质量控制能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的具体实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1和图2是本发明提供一种气流烘丝的烟丝含水量的控制方法示意图；

图3是本发明提供的一种气流烘丝的烟丝含水量的控制结构示意图；

图4是本发明提供的另一种气流烘丝的烟丝含水量的控制结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。

针对当前气流烘丝中出口含水率控制不准确和不均匀，易造成批次内或批次间烟叶质量不一致，影响烟草品质的问题，本发明提供一种气流烘丝的烟丝含水量的控制方法及系统，在同一批次内通过设置PID反馈控制模型调节干燥气流风速以控制出口含水率，解决现有气流烘丝的出口含水率控制不准确和不均匀的问题，能提高各批次气流烘丝均匀度的一致性，提升生产过程质量控制能力。

如图1所示，一种气流烘丝的烟丝含水量的控制方法，包括：

S1：按设定值设置气流烘丝的干燥气流温度，并设置气流烘丝的出口含水率的目标值；

S2：获取气流烘丝工序的出口含水率的实测值，并根据所述目标值和所述实测值得到出口含水率的目标偏差值；

S3：建立PID反馈控制模型，用于根据所述目标偏差值调节干燥气流风速以对出口含水率进行反馈控制，使批次内的气流烘丝的出口含水率按所述目标值进行控制。

具体地，在气流烘丝工序的生产过程中，对出口含水率可以干燥气流温度、冷热风风阀开度和干燥气流风速等几方面进行影响和控制。为了避免多个影响因素同时作用造成生产过程的不稳定，可将其中的多个影响变量分别固定在一个适当的取值，仅调整其中的一个影响因素来对出口含水率进行控制。本方法通过将干燥气流温度进行固定值设置，通过调节干燥气流风速来实现出口含水率的调节。如图3所示，通过PID反馈控制模型对出口含水率进行实时调整，将出口含水率的实测值与目标值进行比对，然后根据目标偏差值作为PID反馈控制模型的输入，并根据输入的干燥气流风速进行自适应学习，进而确定调节P、I和D的参数取值，以实现出口含水率的控制，提高批次内出口含水率控制的稳定性，增加批次间控制的一致性。

该方法还包括：

S4：实时获取设定时间内气流烘丝工序中的出口含水率和干燥气流风速，并按时间关系进行拟合得到出口含水率与干燥气流风速的回归拟合函数；

S5：根据所述回归拟合函数建立干燥气流风速与出口含水率的双层EWMA控制模型，以构建不同批次间的气流烘丝工序的出口含水率的一致性控制模型。

具体地，在进行回归分析对气流烘丝的控制过程进行建模之前，首先要确定控制过程的输入(即控制参数)和输出(控制结果)。当前的控制模式可以通过调整干燥气流风速来实现对出口含水率的反馈控制。若出口含水率较高，则减小干燥气流风速来降低出口含水率，若出口含水率较低，则提高干燥气流风速以使出口含水率升高。对干燥气流风速的控制主要是通过PID反馈控制模型自动完成，操作人员也可根据实际情况对其进行手动调节。因此，该控制过程的输入即为干燥气流风速，输出为出口含水率。进一步采用双层指数加权移动平均(EWMA，Exponentially Weighted Moving Average)方法来建立出口含水率的质量一致性控制模型，并采用自适应算法来对该模型进行自动优化和修正，以控制不同批次间的气流烘丝工序的出口含水率的一致性。

进一步，构建双层EWMA控制模型包括：

假设EWMA控制过程可以用以下模型来描述：

y_t＝a+f_β(u_t-1)+ε_t，

其中，y_t为时间点t的过程输出，a表示EWMA控制模型的截距项，f_β()是系数为β的控制输入输出的增益函数，u_t-1为控制系统在时间点t-1的控制输入，ε_t为过程扰动；

每到一个时间点t，EWMA控制模型都会通过一个简单的EWMA滤波更新截距项：α_t＝λ(y_t-f_b(u_t-1))+(1-λ)α_t-1，其中，y_t为时间点t过程输出的实际值，λ为EWMA预测权重，0≤λ≤1，b为过程模型中β的估计值，f_b()可以通过对过程控制模型进行回归分析的方法得到；

在生产过程的线性模型中增加一个趋势项d_t，可得到：y_t＝α_t-1+f_β(u_t-1)+d_t+ε_t；

运用EWMA算法对截距项和趋势项进行估计后，可得到：

其中，λ₁，λ₂为EWMA平滑系数，0≤λ₁，λ₂≤1；

由此构造了双层EWMA控制模型，时刻t的控制输入可由下式计算得到：

如图2所示，该方就去还包括：

S6：将干燥气流风速作为双层EWMA控制模型的控制输入，出口含水率作为双层EWMA控制模型的控制输出；

S7：根据所述回归拟合函数得到出口含水率与干燥气流风速的双层EWMA控制模型的截距项和增益函数系数；

S8：根据出口含水率的预设的所述目标值，通过调整双层EWMA控制模型的平滑系数来控制干燥气流风速，使不同批次间的出口含水率保持一致性。

具体地，如图4所示，各批次之间通过双层EWMA控制模型对出口含水率进行控制，批次内通过PID反馈控制模型对出口含水率进行控制，能有效改善了该工序生产过程的控制水平，控制不同批次间的叶丝干燥工序的出口含水率的一致性。

该方法还包括：

S9：采集每个批次出口含水率的取值，并在每批结束后计算该批次的均方误差；

S10：如果连续两个批次的均方误差都持续增大，则对所述双层EWMA控制模型中的平滑系数进行调整。

具体地，在应用双层EWMA控制模型进行控制的过程中，每个批次结束后，都对批次的质量一致性进行分析。对批次质量的评价方法有很多，采用较为简单常见的一种评价方法，计算均方误差(MSE,Mean Square Error)：

其中，n为每个批次获取的样本个数，y_i为每个样本中出口含水率的取值。

在实际应用中，我们期望MSE越小越好，越小说明过程质量越稳定。若连续两个批次的MSE都增大，说明生产过程中出现了某种新的变化，导致当前的控制模式与生产实际不相适应了，因此需要对当前的控制模式进行调整。在双层EWMA控制模型中，比较容易实现的调整方式就是对平滑系数λ进行调整。实际上从信号处理的角度，EWMA可以被看成是一个低通滤波器，通过控制λ值，为剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式，因此从长期的角度来看，将λ取较小的值是较好的方式(通常可取λ＝0.20)。但λ值也决定了EWMA控制器跟踪过程发生变化的能力，即时效性，显然λ值越大，控制器得时效性就越强，反之越弱。当连续两个批次的MSE都增大时，可以先修正λ的取值，将λ值从0.20增加到0.40，若下一个批次MSE仍然增大，则将λ值从0.40增加到0.60。但为获取良好的长期过程趋势，λ值也不宜过大，因此当λ值已经达到0.60，再需要进行调整时，就需要用最新的3到5批的数据按照2.2和2.3中的方法重新进行回归拟合，并建立新的控制模型。

进一步，所述根据所述回归拟合函数建立干燥气流风速与出口含水率的双层EWMA控制模型，包括：

根据所述回归拟合函数得到出口含水率与干燥气流风速的双层EWMA控制模型的截距项α和增益函数系数；

根据实时获取的干燥气流风速和出口含水率的样本值，确定估算各时刻的截距项α_t和趋势项d_t；

建立干燥气流风速与出口含水率的数学表达模型：干燥气流风速u_t＝(y_T-α_t-d_t)/增益函数系数，其中，y_T为出口含水率的目标值，是常数。

可见，在气流烘丝出口含水率的自动反馈控制的基础上，采用一种双层EWMA方法构建了过程质量一致性控制模型，并设计了一种自适应算法对控制模型参数进行优化和修正。通过结果比对验证表明：改进后控制效果显著提升，过程均值与控制目标的平均偏移量、过程极差、均方误差分别减小了29％、2％和32％，过程能力指数提高了18％，有效的提高了气流烘丝的出口含水率的批次一致性和生产过程的质量控制能力。这种在线智能控制和优化调整的方法也可以推广应用到其它类似的制丝生产工序。

本发明提供一种气流烘丝的烟丝含水量的控制方法，同一批次内通过设置PID反馈控制模型调节干燥气流风速以控制出口含水率，在不同批次间采用双层EWMA控制模型对出口含水率进行一致性控制。解决现有气流烘丝工序的出口含水率控制不准确和不均匀的问题，能提高各批次气流烘丝均匀度的一致性，提升生产过程质量控制能力。

相应地，本发明还提供一种气流烘丝的烟丝含水量的控制系统，包括：第一设置单元，用于按设定值设置气流烘丝的干燥气流温度，并设置气流烘丝的出口含水率的目标值。采集单元，用于获取气流烘丝工序的出口含水率的实测值，并根据所述目标值和所述实测值得到出口含水率的目标偏差值。PID控制单元，用于建立PID反馈控制模型，用于根据所述目标偏差值调节干燥气流风速以对出口含水率进行反馈控制，使批次内的气流烘丝的出口含水率按所述目标值进行控制。

该系统还包括：拟合单元，用于实时获取设定时间内气流烘丝中的出口含水率和干燥气流风速，并按时间关系进行拟合得到出口含水率与干燥气流风速的回归拟合函数。EWMA控制单元，用于根据所述回归拟合函数建立干燥气流风速与出口含水率的双层EWMA控制模型，以构建不同批次间的气流烘丝的出口含水率的一致性控制模型。

该系统还包括：第二设置单元，用于将干燥气流风速作为双层EWMA控制模型的控制输入，出口含水率作为双层EWMA控制模型的控制输出。获取单元，用于根据所述回归拟合函数得到出口含水率与干燥气流风速的双层EWMA控制模型的截距项和增益函数系数。调节单元，用于根据出口含水率的预设的所述目标值，通过调整双层EWMA控制模型的平滑系数来控制干燥气流风速，使不同批次间的出口含水率保持一致性。

该系统还包括：均方误差计算单元，用于采集每个批次出口含水率的取值，并在每批结束后计算该批次的均方误差。修正单元，用于如果连续两个批次的均方误差都持续增大，则对所述双层EWMA控制模型中的平滑系数进行调整。

可见，本发明提供一种气流烘丝的烟丝含水量的控制系统，在同一批次内通过设置PID反馈控制模型调节干燥气流风速以控制出口含水率，在不同批次间采用双层EWMA控制模型对出口含水率进行一致性控制。解决气流烘丝工序的出口含水率控制不准确和不均匀的问题，能提高各批次气流烘丝均匀度的一致性，提升生产过程质量控制能力。

以上依据图示所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种气流烘丝的烟丝含水量的控制方法，其特征在于，包括：

按设定值设置气流烘丝的干燥气流温度，并设置气流烘丝的出口含水率的目标值；

获取气流烘丝工序的出口含水率的实测值，并根据所述目标值和所述实测值得到出口含水率的目标偏差值；

建立PID反馈控制模型，用于根据所述目标偏差值调节干燥气流风速以对出口含水率进行反馈控制，使批次内的气流烘丝的出口含水率按所述目标值进行控制；

实时获取设定时间内气流烘丝中的出口含水率和干燥气流风速，并按时间关系进行拟合得到出口含水率与干燥气流风速的回归拟合函数；

根据所述回归拟合函数建立干燥气流风速与出口含水率的双层EWMA控制模型，以构建不同批次间的气流烘丝的出口含水率的一致性控制模型。

2.根据权利要求1所述的气流烘丝的烟丝含水量的控制方法，其特征在于，还包括：

将干燥气流风速作为双层EWMA控制模型的控制输入，出口含水率作为双层EWMA控制模型的控制输出；

根据所述回归拟合函数得到出口含水率与干燥气流风速的双层EWMA控制模型的截距项和增益函数系数；

根据出口含水率的预设的所述目标值，通过调整双层EWMA控制模型的平滑系数来控制干燥气流风速，使不同批次间的出口含水率保持一致性。

3.根据权利要求2所述的气流烘丝的烟丝含水量的控制方法，其特征在于，还包括：

采集每个批次出口含水率的取值，并在每批结束后计算该批次的均方误差；

如果连续两个批次的均方误差都持续增大，则对所述双层EWMA控制模型中的平滑系数进行调整。

4.根据权利要求3所述的气流烘丝的烟丝含水量的控制方法，其特征在于，构建双层EWMA控制模型包括：

EWMA控制过程用以下模型来描述：

y_t＝a+f_β(u_t-1)+ε_t，

其中，y_t为时间点t的过程输出，a表示EWMA控制模型的截距项，f_β(u_t-1)是系数为β的控制输入输出的增益函数，u_t-1为控制系统在时间点t-1的控制输入，ε_t为过程扰动；

每到一个时间点t，EWMA控制模型都会通过一个简单的EWMA滤波更新截距项：α_t＝λ(y_t-f_b(u_t-1))+(1-λ)α_t-1，其中，y_t为时间点t过程输出的实际值，λ为EWMA预测权重，0≤λ≤1，b为过程模型中β的估计值，f_b(u_t-1)通过对过程控制模型进行回归分析的方法得到；

在生产过程的线性模型中增加一个趋势项d_t，可得到：y_t＝α_t-1+f_β(u_t-1)+d_t+ε_t；

运用EWMA算法对截距项和趋势项进行估计后，可得到：

其中，λ₁，λ₂为EWMA平滑系数，0≤λ₁，λ₂≤1；

由此构造了双层EWMA控制模型，时刻t的控制输入由下式计算得到：

5.根据权利要求4所述的气流烘丝的烟丝含水量的控制方法，其特征在于，所述根据所述回归拟合函数建立干燥气流风速与出口含水率的双层EWMA控制模型，包括：

根据所述回归拟合函数得到出口含水率与干燥气流风速的双层EWMA控制模型的截距项α和增益函数系数；

根据实时获取的干燥气流风速和出口含水率的样本值，确定估算各时刻的截距项α_t和趋势项d_t；

建立干燥气流风速与出口含水率的数学表达模型：干燥气流风速u_t＝(y_T-α_t-d_t)/增益函数系数，其中，y_T为出口含水率的目标值，是常数。

6.一种气流烘丝的烟丝含水量的控制系统，其特征在于，包括：

第一设置单元，用于按设定值设置气流烘丝的干燥气流温度，并设置气流烘丝的出口含水率的目标值；

采集单元，用于获取气流烘丝工序的出口含水率的实测值，并根据所述目标值和所述实测值得到出口含水率的目标偏差值；

PID控制单元，用于建立PID反馈控制模型，用于根据所述目标偏差值调节干燥气流风速以对出口含水率进行反馈控制，使批次内的气流烘丝的出口含水率按所述目标值进行控制；

拟合单元，用于实时获取设定时间内气流烘丝中的出口含水率和干燥气流风速，并按时间关系进行拟合得到出口含水率与干燥气流风速的回归拟合函数；

EWMA控制单元，用于根据所述回归拟合函数建立干燥气流风速与出口含水率的双层EWMA控制模型，以构建不同批次间的气流烘丝的出口含水率的一致性控制模型。

7.根据权利要求6所述的气流烘丝的烟丝含水量的控制系统，其特征在于，还包括：

第二设置单元，用于将干燥气流风速作为双层EWMA控制模型的控制输入，出口含水率作为双层EWMA控制模型的控制输出；

获取单元，用于根据所述回归拟合函数得到出口含水率与干燥气流风速的双层EWMA控制模型的截距项和增益函数系数；

调节单元，用于根据出口含水率的预设的所述目标值，通过调整双层EWMA控制模型的平滑系数来控制干燥气流风速，使不同批次间的出口含水率保持一致性。

8.根据权利要求7所述的气流烘丝的烟丝含水量的控制系统，其特征在于，还包括：

均方误差计算单元，用于采集每个批次出口含水率的取值，并在每批结束后计算该批次的均方误差；

修正单元，用于如果连续两个批次的均方误差都持续增大，则对所述双层EWMA控制模型中的平滑系数进行调整。

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