CN112051728A - 一种烘丝筒温控pid控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烘丝筒温控PID控制器，以模糊PID控制器为基础，输入为烟丝冷却水分设定偏差；根据概率统计分布确定烟丝冷却水分偏差和烟丝冷却水分偏差变化率的隶属度区间，并将该隶属度区间分配成负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM以及正大PS这7个隶属度规则区间进行表示，烟丝进料的料头和料尾阶段，7个隶属度规则区间的区间范围大于料中阶段7个隶属度规则区间的区间范围。还公开了一种烘丝筒温控PID控制方法，根据烘丝筒烟丝水分的特殊性，对隶属度区间进行调整，以提升模拟量控制的动态相应速度及精准度，实现对烘丝筒水分的精确控制。

Description

一种烘丝筒温控PID控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及烟丝水分控制领域，具体涉及一种烘丝筒温控PID控制器及控制方法。

背景技术

现有的常规PID控制系统与模糊PID控制系统输出都由三部分组成：

比例环节，根据偏差量成比例的调节系统控制量，以此产生控制作用，减少偏差。比例系数的作用是加快系统的响应速度，比例系数越打，系统响应速度越快，系统的调节精度越高。但容易产生超调，甚至会导致系统的不稳定；比例系数过小，会降低系统调节精度，系统响应速度变慢，调节时间变长，系统动、静态特性变坏。

积分环节，用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti的大小。Ti越小，积分作用越强。

微分环节，根据偏差量的变化趋势调节系统控制量，在偏差信号发生较大的变化以前，提前引入一个早期的校正。

常规PID控制遵循比例-积分-微分控制规律，其优点在于算法中包含了动态控制过程中将过去、现在和未来的所需信息，比例Kp代表了当前时刻的信息，起到及时纠正偏差的作用，在动态控制过程中是最后迅速的反应部分；积分Ti则代表了过去时刻的信息，属于动态控制中积累的过程，能够消除系统静差，使系统静态特性更加稳定；微分Td在输入信号有变化是起到超前控制作用，即预测控制作用，代表了未来时刻的信息，在动态控制开始时能够将控制状态最快调整到稳定，而在控制结束时能顾克服震荡，稳定控制系统，从而达到过渡状态转换的效果，三者彼此配合以达到动态控制原理的快速、平稳、准确。

模糊PID控制器以软件实现模糊控制来实现变积分系数模糊PID控制，在变积分系数模糊PID控制中需要用到各种算法来实现其推理过程，这些算法包括推理的数据结构、隶属函数的定义、隶属函数的形状及表示算法、控制规则的表示和识别算法以及反模糊化的算法等。模糊PID控制器实现了常规PID控制器无法对参数实现智能调节的问题，具有改善被控过程的动态和稳态性能作用，在提高系统抗干扰性及参数时变的鲁棒性等方面优于常规PID控制器。

烘丝机是保证卷烟内在质量的关键性设备，但具有较大的热惯性和滞后性，对于这类具有纯滞后性且没有具体数学模型的控制系统来说，常规PID控制很难达到理想的控制效果。滞后时间过长会导致控制系统对控制量的调节无法及时反应到工艺过程中，具体表现为烟丝在烘丝筒内停留时间过长，无法及时检测其冷却水分，所以在料头阶段只能根据前馈变化值来调节控制量，也因此得不到及时的反馈变量，导致系统很难控制，甚至不可控。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种烘丝筒温控PID控制器及控制方法，基于模糊PID控制，根据烘丝筒烟丝水分的特殊性，对隶属度区间进行调整，以提升模拟量控制的动态相应速度及精准度，实现对烘丝筒水分的精确控制。

本发明的技术方案为：

一种烘丝筒温控PID控制器，包括：

以模糊PID控制器为基础，输入为烟丝冷却水分设定偏差；

根据概率统计分布确定烟丝冷却水分偏差和烟丝冷却水分偏差变化率的隶属度区间，并将该隶属度区间分配成负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM以及正大PS这7个隶属度规则区间进行表示，烟丝进料的料头和料尾阶段，7个隶属度规则区间的区间范围大于料中阶段7个隶属度规则区间的区间范围。

优选地，所述根据概率统计分布确定烟丝冷却水分偏差和烟丝冷却水分偏差变化率的隶属度区间包括：

首先，依据经验和考虑烟丝稳定性设置初始烟丝冷却水分调整范围为[a,b]；

根据统计区间c对调整范围[a,b]内所有烟丝冷却水分设定值进行统计，确定统计宽度k＝(b-a)/c，并依据统计宽度确定调整范围[a,b]内烟丝冷却水分统计点值；

以烟丝冷却水分统计点值为统计自变量，对一定时间内的所有烟丝冷却水分设定值进行关于频数的概率密度统计，获得概率密度统计曲线，并验证概率验证统计曲线积分值接近1时，认为调整范围[a,b]为有效区间；

在验证调整范围[a,b]为有效区间的基础上，根据概率密度统计结果，统计频数大于设定阈值的最小烟丝冷却水分统计点值和最大烟丝冷却水分统计点值组成隶属度区间。

优选地，所述烟丝冷却水分偏差的隶属度区间与烟丝冷却水分偏差变化率的隶属度区间相同。

优选地，所述调整范围[a,b]设为[11.5,12.7]％。

优选地，所述将将该隶属度区间分配成负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM以及正大PS这7个隶属度规则区间进行表示包括：

负大NB：烟丝冷却水分统计点值处于-0.5～-0.3；

负中NM：烟丝冷却水分统计点值处于-0.5～-0.1；

负小NS：烟丝冷却水分统计点值处于-0.4～0；

零ZO：烟丝冷却水分统计点值处于-0.2～0.2；

正小PS：烟丝冷却水分统计点值处于0～0.4；

正中PM：烟丝冷却水分统计点值处于0.1～0.5；

正大PS：烟丝冷却水分统计点值处于0.3～0.5。

优选地，所述烘丝筒温控PID控制器以嵌入式控制为基础，还包括外围接口电路，具体包括：

用于输入模拟量的A/D转换器；用于输出模拟量的D/A转换器；

用于输入和输出开关量的第一光电耦合器和第二耦合器，所述第一光电耦合器和第二耦合器配合嵌入式控制器的GPIO通道实现开关量的输入输出；

用于接收参数设置值的输入模块；用于显示的显示模块。

一种烘丝筒温控PID控制方法，所述方法采用上述的烘丝筒温控PID控制器，所述方法包括以下步骤：

烘丝筒主控PLC输出的烟丝冷却水分设定偏差输入至所述烘丝筒温控PID控制器；

所述烘丝筒温控PID控制器依据输入的烟丝冷却水分设定偏差按照设定的隶属度区间计算输出控制量，并将该控制量输入至伺服控制器；

伺服控制器依据控制量控制伺服电机调整蒸汽薄膜阀。

优选地，所述的控制量的计算过程为：

依据输入的烟丝冷却水分设定偏差和对所述烟丝冷却水分设定偏差变化率按照设定的隶属度区间进行模糊化处理，获得比例系数kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td的隶属度；

然后，依据比例系数kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td的隶属度计算控制量。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

本发明提供的烘丝筒温控PID控制器，通过根据特定烟丝冷却水控制领域设定符合特定烟丝冷却水的隶属度区间，并根据确定的隶属度区间采用模糊PID控制原理输出精确的控制量，以解决采用PID控制会出现处理非线性、大滞后、时变等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是实施例提供的烘丝筒温控PID控制器的控制原理示意图；

图2是实施例提供的烘丝筒温控PID控制器的结构示意图；

图3是实施例提供的模糊PID控制Kp规则表；

图4是实施例提供的模糊PID控制Ti规则表；

图5是实施例提供的模糊PID控制Td规则表；

图6是实施例提供的烘丝筒温控PID控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

如图1～5，实施例提供了一种烘丝筒温控PID控制器，由于模糊控制是一种智能控制方式，且不需要建立被控对象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响，因此，本实施例中以模糊PID控制为基础来构建烘丝筒温控PID控制器，使得该烘丝筒温控PID控制器更适合温度控制这样复杂的控制系统。

烘丝筒温度控制以烘丝筒筒壁温度设定值为主，最终效果体现在烟丝冷却水分上，所以将烟丝冷却水分设定值作为参考输入，并对烟丝冷却水分值进行实时检测，以此得到烟丝冷却水分偏差e和烟丝冷却水分偏差变化率ec，将两者代入模糊逻辑推理中。通常情况下隶属度区间的构成一般分为模糊统计法、例证法、专家经验法和二元对比排序法，这里由于行业的特殊性，不具有普遍存在依据，所以实施例提出通过专家经验加概率分布得到所需隶属度区间。

由于烟草行业的特殊性，不同牌号不同批次之间的烟丝品质差异较大，即使相同的烟丝，如果牌号不同，冷却水分设定值也不同，区间划分是在12.0％-12.2％之间，而行业标准是整批次均值稳定在±0.5％以内，所以取值范围调整到[11.5％,12.7％]之间，统计数据为所有牌号半年内相同数量批次数据，设定统计区间为500，则统计宽度k＝(12.7-11.5)％/500，则调整范围[11.5％,12.7％]内烟丝冷却水分统计点值按照0.0024梯度分别为11.5,11.50024,11.5048,11.5072,…,12.7。

以烟丝冷却水分统计点值为统计自变量，对半年内所有烟丝冷却水分设定值进行关于频数的概率密度统计，获得概率密度统计曲线，并验证概率验证统计曲线积分值为0.985910376，接近1时，认为调整范围[11.5％,12.7％]为有效区间，本实施例中，当统计曲线积分值与1的差值小于0.02时，则认为统计曲线积分值接近1。

在验证调整范围[11.5％,12.7％]为有效区间的基础上，根据概率密度统计结果，统计频数大于设定阈值的最小烟丝冷却水分统计点值11.9％和最大烟丝冷却水分统计点值12.2％组成隶属度区间[11.9％,12.2％]。

在获得隶属度区间[11.9％,12.2％]后，通过对操作人员的人工经验和考核标准进行分析，对隶属度区间进一步优化，将该隶属度区间分配成负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM以及正大PS这7个隶属度规则区间进行表示，具体包括：

负大NB：烟丝冷却水分统计点值处于-0.5～-0.3；

负中NM：烟丝冷却水分统计点值处于-0.5～-0.1；

负小NS：烟丝冷却水分统计点值处于-0.4～0；

零ZO：烟丝冷却水分统计点值处于-0.2～0.2；

正小PS：烟丝冷却水分统计点值处于0～0.4；

正中PM：烟丝冷却水分统计点值处于0.1～0.5；

正大PS：烟丝冷却水分统计点值处于0.3～0.5。

在制定模糊PID控制表过程中，再次对烘丝筒特性进行了原理分析与人工经验借鉴，发现烘丝筒在整批生产过程中按照进料的时间存在较多状态，大体分为料头、料中、料尾三个阶段，而料中冷却水分波动较为稳定，基本按照参考输入上下稳态波动，而料头料尾水分波动剧烈，通过对操作人员进行咨询，发现人工在料头、料尾调控中较料中存在幅度大速度快的特性，综合分析，提出将料头、料尾与料中的隶属度区间和模糊PID规则表进行分离式制定，在料头、料尾水分波动剧烈时对Δkp、Δki、Δkd调整幅度偏大，隶属度区间放大，以此得到更好的响应速度。因此，烟丝进料的料头和料尾阶段，7个隶属度规则区间的区间范围大于料中阶段7个隶属度规则区间的区间范围。

其中，模糊PID规则表为：

1、如果隶属度规则区间是ZO，且比例是适中，则输出不调整；

2、如果隶属度规则区间是PM，且比例是适中，则输出向上微调；

3、如果隶属度规则区间是PS，且比例是适中，则输出不调整；

4、如果隶属度规则区间是PB，且比例是适中，则输出大幅向上调整；

5、如果隶属度规则区间是PB，且比例是偏大，则输出大幅向上调整；

6、如果隶属度规则区间是PB，且比例是偏小，则输出向上微调；

7、如果隶属度规则区间是PM，且比例是偏小，则输出不调整；

8、如果隶属度规则区间是PM，且比例是偏大，则输出大幅向上调整；

9、如果隶属度规则区间是NS，且比例是适中，则输出不调整；

10、如果隶属度规则区间是NS，且比例是偏大，则输出大幅向下调整。

在确定隶属度规则区间的基础上，通过模糊PID控制规则表(图2所示的模糊PID控制Kp规则表，图3所示的模糊PID控制Ti规则表以及图4所示的模糊PID控制Td规则表)可推算出控制系统中采集到的e和ec(e的变化量)所占的隶属度。

通过上述论证可对现有常规PID控制中的e和ec进行模糊化处理，求出PID中Kp、Ti、Td的隶属度，然后将其套入PID公式中进行计算获得控制量。

如图5所示，烘丝筒温控PID控制器系统由嵌入式控制器LPC2214加上相应的接口电路组成，实现系统中各种信号的检测、信息处理、系统参数设定以及控制和显示等功能。

系统中的模拟量输入信号由相应的传感器检测后，由嵌入式控制器LPC2214内嵌的A/D转换器采集。

由于嵌入式控制器LPC2214内核没有D/A转换器，一般系统需要模拟量控制，因此我们外扩了D/A转换器，得到需要的模拟量输出信号。

系统中有一些开关量输入信号和开关量输出信号，这些开关量输入信号的采集和开关量输出信号的控制具有嵌入式控制器LPC2214自身的开关量GPIO通道加上相应的光电耦合器等来完成。系统参数的设定由键盘模块输入，需要显示的参数有LCD进行显示。

将烘丝筒温控PID控制器替代原有的常规PID温度控制器，作为调节烘丝筒薄板温度的控制器，其控制原理是对蒸汽薄膜阀的开度控制，即最后一环控制为蒸汽薄膜阀，对烘丝筒内输入蒸汽，以提升烘丝筒薄板温度，达到烘干烟丝的效果，烘丝筒薄板温度则有经验公式根据蒸气压力换算得出。具体地，如图6所示，一种烘丝筒温控PID控制方法包括：

(1)烘丝筒主控PLC输出的烟丝冷却水分设定偏差输入至上述烘丝筒温控PID控制器；

(2)烘丝筒温控PID控制器依据输入的烟丝冷却水分设定偏差按照设定的隶属度区间计算输出控制量，具体过程为：

依据输入的烟丝冷却水分设定偏差和对烟丝冷却水分设定偏差变化率按照设定的隶属度区间和图2和图5所示的规则表进行模糊化处理，获得比例系数kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td的隶属度；

然后，依据比例系数kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td的隶属度计算控制量。

(3)将该控制量输入至伺服控制器，伺服控制器依据控制量控制伺服电机调整蒸汽薄膜阀。

现有常规PID温度控制对其自身的温度调控已经存在滞后性，所以不能准确有效的控制烘丝筒内的温度，而上述烘丝筒温控PID控制方法具有自适应性，可以对PID参数Kp、Ki、Kd实时计算，并通过脉冲的方式对烘丝机温控系统这种滞后性较大的过程控制预测能力更好，能更好的适应设备自身的阶段转换。

烘丝筒温控PID控制可以使输入偏差e得到更好的平滑性，即使输入量超标，也不会像常规PID控制一样可能引起震荡，使过程控制更加稳定、响应速度快，对温度控制存在的惯性问题有良好的控制效果。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种烘丝筒温控PID控制器，其特征在于，包括：

以模糊PID控制器为基础，输入为烟丝冷却水分设定偏差；

根据概率统计分布确定烟丝冷却水分偏差和烟丝冷却水分偏差变化率的隶属度区间，并将该隶属度区间分配成负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM以及正大PS这7个隶属度规则区间进行表示，烟丝进料的料头和料尾阶段，7个隶属度规则区间的区间范围大于料中阶段7个隶属度规则区间的区间范围。

2.如权利要求1所述的烘丝筒温控PID控制器，其特征在于，所述根据概率统计分布确定烟丝冷却水分偏差和烟丝冷却水分偏差变化率的隶属度区间包括：

首先，依据经验和考虑烟丝稳定性设置初始烟丝冷却水分调整范围为[a,b]；

根据统计区间c对调整范围[a,b]内所有烟丝冷却水分设定值进行统计，确定统计宽度k＝(b-a)/c，并依据统计宽度确定调整范围[a,b]内烟丝冷却水分统计点值；

以烟丝冷却水分统计点值为统计自变量，对一定时间内的所有烟丝冷却水分设定值进行关于频数的概率密度统计，获得概率密度统计曲线，并验证概率验证统计曲线积分值接近1时，认为调整范围[a,b]为有效区间；

在验证调整范围[a,b]为有效区间的基础上，根据概率密度统计结果，统计频数大于设定阈值的最小烟丝冷却水分统计点值和最大烟丝冷却水分统计点值组成隶属度区间。

3.如权利要求1所述的烘丝筒温控PID控制器，其特征在于，所述烟丝冷却水分偏差的隶属度区间与烟丝冷却水分偏差变化率的隶属度区间相同。

4.如权利要求1所述的烘丝筒温控PID控制器，其特征在于，所述调整范围[a,b]设为[11.5,12.7]％。

5.如权利要求1所述的烘丝筒温控PID控制器，其特征在于，所述将该隶属度区间分配成负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM以及正大PS这7个隶属度规则区间进行表示包括：

负大NB：烟丝冷却水分统计点值处于-0.5～-0.3；

负中NM：烟丝冷却水分统计点值处于-0.5～-0.1；

负小NS：烟丝冷却水分统计点值处于-0.4～0；

零ZO：烟丝冷却水分统计点值处于-0.2～0.2；

正小PS：烟丝冷却水分统计点值处于0～0.4；

正中PM：烟丝冷却水分统计点值处于0.1～0.5；

正大PS：烟丝冷却水分统计点值处于0.3～0.5。

6.如权利要求1～5任一项所述的烘丝筒温控PID控制器，其特征在于，所述烘丝筒温控PID控制器以嵌入式控制为基础，还包括外围接口电路，具体包括：

用于输入模拟量的A/D转换器；用于输出模拟量的D/A转换器；

用于输入和输出开关量的第一光电耦合器和第二耦合器，所述第一光电耦合器和第二耦合器配合嵌入式控制器的GPIO通道实现开关量的输入输出；

用于接收参数设置值的输入模块；用于显示的显示模块。

7.一种烘丝筒温控PID控制方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1～6任一项所述的烘丝筒温控PID控制器，所述方法包括以下步骤：

烘丝筒主控PLC输出的烟丝冷却水分设定偏差输入至所述烘丝筒温控PID控制器；

所述烘丝筒温控PID控制器依据输入的烟丝冷却水分设定偏差按照设定的隶属度区间计算输出控制量，并将该控制量输入至伺服控制器；

伺服控制器依据控制量控制伺服电机调整蒸汽薄膜阀。

8.如权利要求6所述的烘丝筒温控PID控制器，其特征在于，所述的控制量的计算过程为：

依据输入的烟丝冷却水分设定偏差和对所述烟丝冷却水分设定偏差变化率按照设定的隶属度区间进行模糊化处理，获得比例系数kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td的隶属度；

然后，依据比例系数kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td的隶属度计算控制量。

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