CN113273714B - 基于光电开关的计量管进料流量控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

提供一种基于光电开关的计量管进料流量控制装置及其控制方法，将计量管根据料高划分为多个用于表征内部烟料量的料区，并在计量管两侧设置用于安装与料区数量相同光电开关的安装支柱，实现对计量管内不同料区内烟料量的检测，通过计算确定计量管各料区对应的进料皮带机的调整频率，进而由控制单元根据光电开关反馈的烟料高度信息控制进料皮带机中电机上的变频器，实现进料皮带机中电机速度的控制，保证计量管出料口物料流量的稳定，避免叶丝流量波动大和梗丝料头流量波动大而造成后续工艺的布料质量。

Description

基于光电开关的计量管进料流量控制装置及其控制方法

技术领域

本发明属于烟草加工技术领域，具体涉及一种基于光电开关的计量管进料流量控制装置及其控制方法。

背景技术

比例掺配工序的工艺任务是将梗丝、膨胀烟丝、回收烟丝，按照产品配方设计比例要求，准确、均匀的掺配到干燥叶丝中，这些掺配烟草物质的吸味品质、理化性能等各不相同。它们对卷烟的内在质量、安全性、烟叶消耗、和生产成本等方面各自起到不同的作用。但不论是任何配方，在工艺加工中必须按规定比例均匀掺配混合，使每一只卷烟都能符合卷烟设计要求。假若掺配不当，混合不均，就会使同一配方卷烟吸味发生差异，影响卷烟质量的稳定性和一致性，甚至造成质量事故；随着降焦减害和卷烟工艺的要求不断提升，掺配工序的作用也原来越大，工序的工艺控制要求也原来越严格；目前，比例掺配工序中，烘丝机出来的烟料通过皮带机送至喂料机内，由喂料机再经过皮带机送至计量管内，从而保证由计量管下端送至电子皮带秤上的烟料流量稳定性，但烟料进入喂料机后，由喂料机内的均料装置将烟料摊匀，但在此过程中，容易将烟料造碎，影响烟料质量，影响烟料等级，增大了烟料分级难度，极大的影响了烟叶的等级质量，因此，为了消除上述弊端，将烘丝机出来的烟丝直接通过皮带机送至计量管内，但此种工序容易造成计量管下端送至电子皮带秤上的烟料流量稳定性差，因此，针对上述问题，有必要进行改进。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种基于光电开关的计量管进料流量控制装置及其控制方法，将计量管根据料高划分为多个用于表征内部烟料量的料区，并在计量管两侧设置用于安装与料区数量相同光电开关的安装支柱，实现对计量管内不同料区内烟料量的检测，通过计算确定计量管各料区对应的进料皮带机的调整频率，进而由控制单元根据光电开关反馈的烟料高度信息控制进料皮带机中电机上的变频器，实现进料皮带机中电机速度的控制，保证计量管出料口物料流量的稳定，避免叶丝流量波动大和梗丝料头流量波动大而造成后续工艺的布料质量。

本发明采用的技术方案：基于光电开关的计量管进料流量控制装置，包括固定于计量管两侧的安装支柱，所述计量管上划分有多个用于表征内部烟料量的料区，与多个料区数量相同并分布于各料区外部用于检测对应料区内的烟料的光电开关安装于安装支柱上，用于向所述计量管送料的进料皮带机中的电机上设有变频器，所述变频器和多个光电开关均与控制单元连接，并由控制单元根据多个光电开关反馈的烟料高度信息控制变频器实现进料皮带机中电机速度的控制。

其中，所述计量管由上至下依次划分为满料区、料多区、正常较多区、正常较少区、料少区和缺料区，多个所述光电开关分别为用于检测满料区内烟料的堵料位光电开关、用于检测料多区内烟料的满料位光电开关、用于检测正常较多区内烟料的高料位光电开关、用于检测正常较少区内烟料的中料位光电开关、用于检测少料区内烟料的低料位光电开关和用于检测缺料区内烟料的缺料位光电开关。

进一步地，所述安装支柱包括管状结构的支柱、管夹座和安装板，所述计量管两外侧均设有上下两端固定于计量管外壁上的支柱，与多个所述光电开关数量相同的管夹座分别分布于对应料区外侧并套装固定于支柱上，所述管夹座外壁上固定有与计量管侧壁平行的安装板，所述光电开关的发射端和接收端分别固定于计量管两外侧高度相同的安装板上。

进一步地，所述管夹座中部制有与支柱适配的通孔，所述管夹座一侧的开槽与通孔连通且套装于支柱上的管夹座通过将固定于开槽两侧耳板连接的螺栓高度可调式固定于支柱上

进一步地，所述安装支柱包括外壁上带有导向槽的铝型材制成的支柱和安装板，与多个所述光电开关数量相同的安装板一端与适配于支柱导向槽内的T形螺栓连接并通过螺母锁紧固定，所述安装板另一端伸出支柱设置，所述光电开关的发射端和接收端分别固定于计量管两外侧高度相同的安装板另一端上。

进一步地，所述安装板板面上制有腰型长孔且光电开关的发射端和接收端适配固定于对应侧安装板的腰型长孔内。

进一步地，所述支柱与计量管侧壁平行设置，所述支柱为上端倾斜段和下端竖直段组成的一体式结构或者分体式结构。

基于光电开关的计量管进料流量控制方法，包括以下步骤：

1)将计量管由上至下依次划分为满料区、料多区、正常较多区、正常较少区、料少区和缺料区，在计量管两侧壁上安装支柱，并在支柱上安装多个分别位于对应料区外侧的光电开关，即用于检测满料区内烟料的堵料位光电开关、用于检测料多区内烟料的满料位光电开关、用于检测正常较多区内烟料的高料位光电开关、用于检测正常较少区内烟料的中料位光电开关、用于检测少料区内烟料的低料位光电开关和用于检测缺料区内烟料的缺料位光电开关；将多个光电开关的输出端通过信号线与控制单元的输入端连接，在用于向所述计量管送料的进料皮带机中的电机上安装变频器，将控制单元的输出端通过信号控制线与变频器的输入端连接；

2)根据光电开关检测的物料高度位于计量管内的料区信息，对进料皮带机的运行速度进行调整，使进料皮带机与计量管成为动态的存储设备，从而达到计量管出料流量稳定，据此，首先计算烘丝机出口流量值：

L₂＝L₁×(1-W₁)×(1+W₂)

L_2max＝L₁×(1-W₁+0.5％)×(1+W₂+0.5％)

L_2min＝L₁×(1-W₁-0.5％)×(1+W₂-0.5％)

流量极差＝L_2max-L_2min

上式中，W₁为增温增湿机SIROX的进口物料水分,偏差为±0.5％；

W₂为烘丝机出口物料水分,偏差为±0.5％；

L₁为增温增湿机SIROX的进口流量，单位㎏/h,偏差为±0.5％；

L₂为烘丝机出口流量，单位㎏/h；

3)烘丝机出口与进口物料比K：所有条件不变，在测量时间相同的前提下，分别测量烘丝机进口烟丝流入量M₁和烘丝机出口烟丝流出量M₂，并分别记录测量烘丝机进口烟丝流入量M₁和烘丝机出口烟丝流出量M₂时对应的水分仪显示值W₃和W₄，根据测量结果，分别将烘丝机进口烟丝流入量M₁和烘丝机出口烟丝流出量M₂换算成干物质量M_G1和M_G2，计算公式如下：

M_G1＝M₁×(1-W₃)

M_G2＝M₂×(1-W₄)

根据M_G1和M_G2可得烘丝机出口与进口物料比

4)根据步骤3)得出的烘丝机出口与进口物料比K计算步骤2)中烘丝机出口理论流量L_c，即L_c＝K×L₂；

烘丝机出口流量误差值c的数值计算公式如下：

δ＝(1-W₁)×(1+W₂)×L₁×0.5％+L₁×(1-W₂)×0.5％-L₁×(1-W₁)×0.5％

由上可知，综合烘丝机出口理论流量L_c和烘丝机出口流量误差值δ，确定烘丝机出口设定流量L_cs＝L_c+δ；

5)计算跟踪系数X的区间范围：通过多个光电开关对叶丝高度对应于计量管内的料区信息进行检测，根据该检测信息，对进料皮带机进行对应的调速，从而稳定计量管叶丝出料端物料流量，在确定计量管内不同料区对应的进料皮带机运行频率之前，现确定跟踪系数X的区间范围，具体过程如下：

首先将计量管叶丝出料端的电子皮带秤的运行频率记作A，将进料皮带机与电子皮带秤的运行频率比值记作跟踪系数X，那么进料皮带机的运行频率修正值为AX，则AX＝f(t)，再根据计量管的体积V＝Sh，确定计量管存储叶丝量m，根据m＝V×ρ＝L₃×Δt的关系,得出

然后通过时间t建立计算式如下：

v(t)＝kf(t)

由上计算出跟踪系数X的区间范围，上式中，h为计量管的料高；S为计量管的截面积；ρ是烟丝密度；L₃是计量管入料口流量；L₂为烘丝机出口流量；l为计量管进口的进料皮带机的皮带有效长度；k是进料皮带机的皮带线速度与皮带运行频率比值；v为进料皮带机的速度；u为状态反馈量，和电子皮带秤瞬时流量相关；h₀为计量管的初始料高，即t＝0时计量管内的料高；u(t)为时滞函数，

6)根据计量管上划分的多个料区，将跟踪系数X在满料区、料多区、正常较多区、正常较少区、料少区和缺料区时分别调整为X-0.3、X-0.2、X-0.1、X+0.1、X+0.2、X+0.3，其中，0.1、0.2、0.3为固定值，代表计量管在不同存料区内进料皮带机频率跃变值，目的为更快的响应状态变化；再引入用于反应进料皮带机的进料频率对状态持续时间灵敏度的状态持续反馈系数Y；

7)根据现代控制理论，即一般状态空间表达式，并结合现场实际，确定出电子皮带秤的进料量和出料量之间的状态空间表达式，以计量管物料质量M为状态变量，建立计量管质量状态表达式如下：

上式中，L₄为计量管(2)出料口流量；

令x＝M+L₄t，

则

8)验证系统能控性和能观测性：

首先，验证系统能控性，步骤7)

中所示系统的格拉姆矩阵W_c[0,t₁]为：

当t₁＞0时，它非奇异，因为在步骤7)的计量管质量状态表达式所示系统中，存在t₁＞0使格拉姆矩阵W_c[0,t₁]非奇异是其完全能控的充要条件，所以，在步骤7)

中所示系统完全能控；

再验证系统能观测性，步骤7)

中所示系统的格拉姆矩阵W₀[0,t₁]为：

当t₁＞0时，它非奇异，因为在步骤7)的计量管质量状态表达式所示系统中，存在t₁＞0使格拉姆矩阵W₀[0,t₁]非奇异是其完全能观测的充要条件，所以，在步骤7)

中所示系统完全能观测；

9)确定状态持续反馈系数Y：在互不相交且覆盖整个正实轴的左闭右开区间族c的每个区间c_n∈c(n∈Z₊)上使

c_n是一个区间，可写成：

其中，

是集合c_n的特征函数，由此可推得：

在区间[0,t₁]可求得F₁，[t₁,t₂]可求得F₂，[t₂,t₃]可求得F₃，……要使得L₄流量在很小的范围内稳定，即L₃-L₄趋于0，而L₄由电子皮带秤控制决定，因此得出状态持续反馈系数Y，即

10)根据堵料位光电开关、满料位光电开关、高料位光电开关、中料位光电开关、低料位光电开关和缺料位光电开关分别对满料区、料多区、正常较多区、正常较少区、料少区和缺料区检测到缺料状态至料满状态测得的状态持续时间分别为T1、T2、T3、T4、T5、T6，根据状态持续反馈系数Y和计量管各料区对应的状态持续时间，得出在烟料处于满料区、料多区、正常较多区、正常较少区、料少区和缺料区时，对应的修正后跟踪系数分别为X-0.3-T1Y、X-0.2-T2Y、X-0.1-T3Y、X+0.1+T4Y、X+0.2+T5Y、X+0.3+T6Y，从而确定烟料在满料区、料多区、正常较多区、正常较少区、料少区和缺料区时对应的进料皮带机频率分别为A·(X-0.3-T1Y)、A·(X-0.2-T2Y)、A·(X-0.1-T3Y)、A·(X+0.1+T4Y)、A·(X+0.2+T5Y)、A·(X+0.3+T6Y)。

本发明与现有技术相比的优点：

1、本技术方案将计量管根据料高划分为多个用于表征内部烟料量的料区，并在计量管两侧设置用于安装与料区数量相同光电开关的安装支柱，实现对计量管内不同料区内烟料量的检测，为控制单元控制进料皮带机提供依据，安装结构简单可靠；

2、本技术方案通过计算确定计量管各料区对应的进料皮带机的调整频率，进而由控制单元根据光电开关反馈的烟料高度信息控制进料皮带机中电机上的变频器，实现进料皮带机中电机速度的控制，保证计量管出料口物料流量的稳定，避免叶丝流量波动大和梗丝料头流量波动大而造成后续工艺中物料布料质量；

3、本技术方案计量管各料区对应的进料皮带机的调整频率计算过程合理可靠，为程控系统根据光电开关检测信息控制进料皮带机频率提供基础，具有较高的推广使用价值；

4、本技术方案计算过程简单易懂，算法可用于一般流量里控制，通用性较强。

附图说明

图1为本发明安装支柱的第一种结构的主视图；

图2为本发明安装支柱的第一种结构的侧视图；

图3为本发明安装支柱的第二种结构的主视图；

图4为本发明安装支柱的第二种结构的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图1-4描述本发明的实施例，从而对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

基于光电开关的计量管进料流量控制装置，包括固定于计量管2两侧的安装支柱1，所述计量管2上划分有多个用于表征内部烟料量的料区，与多个料区数量相同并分布于各料区外部用于检测对应料区内的烟料的光电开关3安装于安装支柱1上，用于向所述计量管2送料的进料皮带机中的电机上设有变频器，所述变频器和多个光电开关3均与控制单元连接，并由控制单元根据多个光电开关3反馈的烟料高度信息控制变频器实现进料皮带机中电机速度的控制。

计量管2由上至下依次划分的料区以及多个电开关3与之具体关系付下：所述计量管2由上至下依次划分为满料区2-1、料多区2-2、正常较多区2-3、正常较少区2-4、料少区2-5和缺料区2-6，多个所述光电开关3分别为用于检测满料区2-1内烟料的堵料位光电开关3-1、用于检测料多区2-2内烟料的满料位光电开关3-2、用于检测正常较多区2-3内烟料的高料位光电开关3-3、用于检测正常较少区2-4内烟料的中料位光电开关3-4、用于检测少料区2-5内烟料的低料位光电开关3-5和用于检测缺料区2-6内烟料的缺料位光电开关3-6。

如图1-2所示，安装支柱1第一种结构的具体安装如下：所述安装支柱1包括管状结构的支柱1-1、管夹座1-2和安装板1-3，所述计量管2两外侧均设有上下两端固定于计量管2外壁上的支柱1-1，与多个所述光电开关3数量相同的管夹座1-2分别分布于对应料区外侧并套装固定于支柱1-1上，所述管夹座1-2外壁上固定有与计量管2侧壁平行的安装板1-3，所述光电开关3的发射端和接收端分别固定于计量管2两外侧高度相同的安装板1-3上；具体的，所述管夹座1-2中部制有与支柱1-1适配的通孔，所述管夹座1-2一侧的开槽与通孔连通且套装于支柱1-1上的管夹座1-2通过将固定于开槽两侧耳板连接的螺栓高度可调式固定于支柱1-1上

如图3-4所示，安装支柱1第二种结构的具体安装如下：所述安装支柱1包括外壁上带有导向槽的铝型材制成的支柱1-1和安装板1-3，与多个所述光电开关3数量相同的安装板1-3一端与适配于支柱1-1导向槽内的T形螺栓1-4连接并通过螺母锁紧固定，所述安装板1-3另一端伸出支柱1-1设置，所述光电开关3的发射端和接收端分别固定于计量管2两外侧高度相同的安装板1-3另一端上。

安装支柱1的上述两种结构中，所述安装板1-3板面上制有腰型长孔1-5且光电开关3的发射端和接收端适配固定于对应侧安装板1-3的腰型长孔1-5内；具体的，所述支柱1-1与计量管2侧壁平行设置，所述支柱1-1为上端倾斜段和下端竖直段组成的一体式结构或者分体式结构。

基于光电开关的计量管进料流量控制方法，包括以下步骤：

1)将计量管2由上至下依次划分为满料区2-1、料多区2-2、正常较多区2-3、正常较少区2-4、料少区2-5和缺料区2-6，在计量管2两侧壁上安装支柱1-1，并在支柱1-1上安装多个分别位于对应料区外侧的光电开关3，即用于检测满料区2-1内烟料的堵料位光电开关3-1、用于检测料多区2-2内烟料的满料位光电开关3-2、用于检测正常较多区2-3内烟料的高料位光电开关3-3、用于检测正常较少区2-4内烟料的中料位光电开关3-4、用于检测少料区2-5内烟料的低料位光电开关3-5和用于检测缺料区2-6内烟料的缺料位光电开关3-6；将多个光电开关3的输出端通过信号线与控制单元的输入端连接，在用于向所述计量管2送料的进料皮带机中的电机上安装变频器，将控制单元的输出端通过信号控制线与变频器的输入端连接；

2)根据光电开关3检测的物料高度位于计量管2内的料区信息，对进料皮带机的运行速度进行调整，使进料皮带机与计量管2成为动态的存储设备，从而达到计量管2出料流量稳定，据此，首先计算烘丝机出口流量值：

L₂＝L₁×(1-W₁)×(1+W₂)

L_2max＝L₁×(1-W₁+0.5％)×(1+W₂+0.5％)

L_2min＝L₁×(1-W₁-0.5％)×(1+W₂-0.5％)

流量极差＝L_2max-L_2min

上式中，W₁为增温增湿机SIROX的进口物料水分,偏差为±0.5％；

W₂为烘丝机出口物料水分,偏差为±0.5％；

L₁为增温增湿机SIROX的进口流量，单位㎏/h,偏差为±0.5％；

L₂为烘丝机出口流量，单位㎏/h；

例：当L₁＝4300㎏/h，W₁＝0.21，W₂＝0.126，由此，计算

L₂＝4300×0.79×1.126≈3825㎏/h；

L_2max＝4300×(1-0.21+0.5％)×(1+0.126+0.5％)＝3866.3235

L_2min＝4300×(1-0.21-0.5％)×(1+0.126-0.5％)＝3783.9355

3)烘丝机出口与进口物料比K：所有条件不变，在测量时间相同的前提下，分别测量烘丝机进口烟丝流入量M₁和烘丝机出口烟丝流出量M₂，并分别记录测量烘丝机进口烟丝流入量M₁和烘丝机出口烟丝流出量M₂时对应的水分仪显示值W₃和W₄，根据测量结果，分别将烘丝机进口烟丝流入量M₁和烘丝机出口烟丝流出量M₂换算成干物质量M_G1和M_G2，计算公式如下：

M_G1＝M₁×(1-W₃)

M_G2＝M₂×(1-W₄)

根据M_G1和M_G2可得烘丝机出口与进口物料比

经测量，5分钟内，当M₁＝358.5kg，W₃＝0.2133，M₂＝329kg，W₄＝0.1271，计算后，确定M_G1和M_G2的计算过程如下：

M_G1＝358.5kg×(1-21.33％)≈282.032kg

M_G2＝329kg×(1-12.71％)≈287.184kg

从而计算出

4)根据步骤3)得出的烘丝机出口与进口物料比K计算步骤2)中烘丝机出口理论流量L_c，即L_c＝K×L₂＝1.0183×3825≈3895；

烘丝机出口流量误差值c的数值计算公式如下：

δ＝(1-W₁)×(1+W₂)×L₁×0.5％+L₁×(1-W₂)×0.5％-L₁×(1-W₁)×0.5％

δ＝(1-0.21)×(1+0.126)×4300×0.5％+4300×(1-0.126)×0.5％-4300×(1-0.21)×0.5％

δ＝20.93111

由上可知，综合烘丝机出口理论流量L_c和烘丝机出口流量误差值δ，确定烘丝机出口设定流量L_cs＝L_c+δ＝3895+20.93111＝3915.93；

5)计算跟踪系数X的区间范围：通过多个光电开关3对叶丝高度对应于计量管2内的料区信息进行检测，根据该检测信息，对进料皮带机进行对应的调速，从而稳定计量管2叶丝出料端物料流量，在确定计量管2内不同料区对应的进料皮带机运行频率之前，现确定跟踪系数X的区间范围，具体过程如下：

首先将计量管2叶丝出料端的电子皮带秤的运行频率记作A，将进料皮带机与电子皮带秤的运行频率比值记作跟踪系数X，那么进料皮带机的运行频率修正值为AX，则AX＝f(t)，再根据计量管2的体积V＝Sh，确定计量管2存储叶丝量m，根据m＝V×ρ＝L₃×Δt的关系,得出

然后通过时间t建立计算式如下：

v(t)＝kf(t)

由上计算出跟踪系数X的区间范围，上式中，h为计量管2的料高；S为计量管2的截面积；ρ是烟丝密度；L₃是计量管2入料口流量；L₂为烘丝机出口流量；l为计量管2进口的进料皮带机的皮带有效长度；k是进料皮带机的皮带线速度与皮带运行频率比值；v为进料皮带机的速度；u为状态反馈量，和电子皮带秤瞬时流量相关；h₀为计量管2的初始料高，即t＝0时计量管2内的料高；u(t)为时滞函数，

当h＝1170mm，S＝300×600mm²，l＝12.3，ρ＝0.1g/cm3,L₃＝[3831.86,3958.39]，vmax＝12.3÷19.5＝123/195m/s，每个区间的初值[0,0.2)，[0.2,0.4)，[0.4,0.8)，[0.8,1.0)，[1.0,1.2)[1.2,1.5)，即h₀＝0,0.2,0.4,0.8,1.0，求得跟踪系数X的区间值为[0.1981,0.8347]；

6)根据计量管2上划分的多个料区，将跟踪系数X在满料区2-1、料多区2-2、正常较多区2-3、正常较少区2-4、料少区2-5和缺料区2-6时分别调整为X-0.3、X-0.2、X-0.1、X+0.1、X+0.2、X+0.3，其中，0.1、0.2、0.3为固定值，代表计量管2在不同存料区内进料皮带机频率跃变值，目的为更快的响应状态变化；再引入用于反应进料皮带机的进料频率对状态持续时间灵敏度的状态持续反馈系数Y；

7)根据现代控制理论，即一般状态空间表达式，并结合现场实际，确定出电子皮带秤的进料量和出料量之间的状态空间表达式，以计量管2物料质量M为状态变量，建立计量管2质量状态表达式如下：

上式中，L₄为计量管2出料口流量；

令x＝M+L₄t，

则

8)验证系统能控性和能观测性：

首先，验证系统能控性，步骤7)

中所示系统的格拉姆矩阵W_c[0,t₁]为：

当t₁＞0时，它非奇异，因为在步骤7)的计量管2质量状态表达式所示系统中，存在t₁＞0使格拉姆矩阵W_c[0,t₁]非奇异是其完全能控的充要条件，所以，在步骤7)

中所示系统完全能控；

再验证系统能观测性，步骤7)

中所示系统的格拉姆矩阵W₀[0,t₁]为：

当t₁＞0时，它非奇异，因为在步骤7)的计量管2质量状态表达式所示系统中，存在t₁＞0使格拉姆矩阵W₀[0,t₁]非奇异是其完全能观测的充要条件，所以，在步骤7)

中所示系统完全能观测；

9)确定状态持续反馈系数Y：在互不相交且覆盖整个正实轴的左闭右开区间族c的每个区间c_n∈c(n∈Z₊)上使

c_n是一个区间，可写成：

其中，

是集合c_n的特征函数，由此可推得：

在区间[0,t₁]可求得F₁，[t₁,t₂]可求得F₂，[t₂,t₃]可求得F₃，……要使得L₄流量在很小的范围内稳定，即L₃-L₄趋于0，而L₄由电子皮带秤控制决定，因此得出状态持续反馈系数Y，即

10)根据堵料位光电开关3-1、满料位光电开关3-2、高料位光电开关3-3、中料位光电开关3-4、低料位光电开关3-5和缺料位光电开关3-6分别对满料区2-1、料多区2-2、正常较多区2-3、正常较少区2-4、料少区2-5和缺料区2-6检测到缺料状态至料满状态测得的状态持续时间分别为T1、T2、T3、T4、T5、T6，根据状态持续反馈系数Y和计量管2各料区对应的状态持续时间，得出在烟料处于满料区2-1、料多区2-2、正常较多区2-3、正常较少区2-4、料少区2-5和缺料区2-6时，对应的修正后跟踪系数分别为X-0.3-T1Y、X-0.2-T2Y、X-0.1-T3Y、X+0.1+T4Y、X+0.2+T5Y、X+0.3+T6Y，从而确定烟料在满料区2-1、料多区2-2、正常较多区2-3、正常较少区2-4、料少区2-5和缺料区2-6时对应的进料皮带机频率分别为A·(X-0.3-T1Y)、A·(X-0.2-T2Y)、A·(X-0.1-T3Y)、A·(X+0.1+T4Y)、A·(X+0.2+T5Y)、A·(X+0.3+T6Y),测量状态持续时间分析表如下所述：

满料区2-1、料多区2-2、正常较多区2-3、正常较少区2-4、料少区2-5和缺料区2-6检测到缺料状态至料满状态测得的状态持续时间分别为T1＝[0,1.2]、T2＝[1.2,2.4]、T3＝[2.4,4.0]、T4＝[4.0,5.2]、T5＝[5.2,6.4]、T6＝[6.4,7.1]，电子皮带秤运行频率A＝[2,50]，X＝0.8，Y＝0.026，最终求得计量管2中物料处于以下料区时进料皮带机运行频率如下：

正常较多区2-3时，进料皮带机运行频率约为37.22HZ；

正常较少区2-4时，进料皮带机运行频率约为33.37HZ；

料多区2-2时，进料皮带机运行频率约为28.34HZ；

满料区2-1时，进料皮带机运行频率约为20.55HZ；

料少区2-5时，进料皮带机运行频率约为41.35HZ；

缺料区2-6时，进料皮带机运行频率约为44.81HZ；

验证：根据以上进料皮带机运行频率值，对设备控制修改过后，小组成员经过长时间观察，叶丝流量控制在设定值±0.5％以内，出料量稳定，叶丝与梗丝均能精准掺配，完成对策表中目标经验证，达到预期效果，满足要求。

上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (8)

1.基于光电开关的计量管进料流量控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将计量管(2)由上至下依次划分为满料区(2-1)、料多区(2-2)、正常较多区(2-3)、正常较少区(2-4)、料少区(2-5)和缺料区(2-6)，在计量管(2)两侧壁上安装支柱(1-1)，并在支柱(1-1)上安装多个分别位于对应料区外侧的光电开关(3)，即用于检测满料区(2-1)内烟料的堵料位光电开关(3-1)、用于检测料多区(2-2)内烟料的满料位光电开关(3-2)、用于检测正常较多区(2-3)内烟料的高料位光电开关(3-3)、用于检测正常较少区(2-4)内烟料的中料位光电开关(3-4)、用于检测少料区(2-5)内烟料的低料位光电开关(3-5)和用于检测缺料区(2-6)内烟料的缺料位光电开关(3-6)；将多个光电开关(3)的输出端通过信号线与控制单元的输入端连接，在用于向所述计量管(2)送料的进料皮带机中的电机上安装变频器，将控制单元的输出端通过信号控制线与变频器的输入端连接；

2)根据光电开关(3)检测的物料高度位于计量管(2)内的料区信息，对进料皮带机的运行速度进行调整，使进料皮带机与计量管(2)成为动态的存储设备，从而达到计量管(2)出料流量稳定，据此，首先计算烘丝机出口流量值：

L₂＝L₁×(1-W₁)×(1+W₂)

L_2max＝L₁×(1-W₁+0.5％)×(1+W₂+0.5％)

L_2min＝L₁×(1-W₁-0.5％)×(1+W₂-0.5％)

流量极差＝L_2max-L_2min

上式中，W₁为增温增湿机SIROX的进口物料水分,偏差为±0.5％；

W₂为烘丝机出口物料水分,偏差为±0.5％；

L₁为增温增湿机SIROX的进口流量，单位㎏/h,偏差为±0.5％；

L₂为烘丝机出口流量，单位㎏/h；

3)烘丝机出口与进口物料比K：所有条件不变，在测量时间相同的前提下，分别测量烘丝机进口烟丝流入量M₁和烘丝机出口烟丝流出量M₂，并分别记录测量烘丝机进口烟丝流入量M₁和烘丝机出口烟丝流出量M₂时对应的水分仪显示值W₃和W₄，根据测量结果，分别将烘丝机进口烟丝流入量M₁和烘丝机出口烟丝流出量M₂换算成干物质量M_G1和M_G2，计算公式如下：

M_G1＝M₁×(1-W₃)

M_G2＝M₂×(1-W₄)

根据M_G1和M_G2可得烘丝机出口与进口物料比

4)根据步骤3)得出的烘丝机出口与进口物料比K计算步骤2)中烘丝机出口理论流量L_c，即L_c＝K×L₂；

烘丝机出口流量误差值c的数值计算公式如下：

δ＝(1-W₁)×(1+W₂)×L₁×0.5％+L₁×(1-W₂)×0.5％-L₁×(1-W₁)×0.5％

由上可知，综合烘丝机出口理论流量L_c和烘丝机出口流量误差值δ，确定烘丝机出口设定流量L_cs＝L_c+δ；

5)计算跟踪系数X的区间范围：通过多个光电开关(3)对叶丝高度对应于计量管(2)内的料区信息进行检测，根据该检测信息，对进料皮带机进行对应的调速，从而稳定计量管(2)叶丝出料端物料流量，在确定计量管(2)内不同料区对应的进料皮带机运行频率之前，现确定跟踪系数X的区间范围，具体过程如下：

首先将计量管(2)叶丝出料端的电子皮带秤的运行频率记作A，将进料皮带机与电子皮带秤的运行频率比值记作跟踪系数X，那么进料皮带机的运行频率修正值为AX，则AX＝f(t)，再根据计量管(2)的体积V＝Sh，确定计量管(2)存储叶丝量m，根据m＝V×ρ＝L₃×Δt的关系,得出

然后通过时间t建立计算式如下：

v(t)＝kf(t)

由上计算出跟踪系数X的区间范围，上式中，h为计量管(2)的料高；S为计量管(2)的截面积；ρ是烟丝密度；L₃是计量管(2)入料口流量；L₂为烘丝机出口流量；l为计量管(2)进口的进料皮带机的皮带有效长度；k是进料皮带机的皮带线速度与皮带运行频率比值；v为进料皮带机的速度；u为状态反馈量，和电子皮带秤瞬时流量相关；h₀为计量管(2)的初始料高，即t＝0时计量管(2)内的料高；u(t)为时滞函数，

6)根据计量管(2)上划分的多个料区，将跟踪系数X在满料区(2-1)、料多区(2-2)、正常较多区(2-3)、正常较少区(2-4)、料少区(2-5)和缺料区(2-6)时分别调整为X-0.3、X-0.2、X-0.1、X+0.1、X+0.2、X+0.3，其中，0.1、0.2、0.3为固定值，代表计量管(2)在不同存料区内进料皮带机频率跃变值，目的为更快的响应状态变化；再引入用于反应进料皮带机的进料频率对状态持续时间灵敏度的状态持续反馈系数Y；

7)根据现代控制理论，即一般状态空间表达式，并结合现场实际，确定出电子皮带秤的进料量和出料量之间的状态空间表达式，以计量管(2)物料质量M为状态变量，建立计量管(2)质量状态表达式如下：

上式中，L₄为计量管(2)出料口流量；

令x＝M+L₄t，

则

8)验证系统能控性和能观测性：

首先，验证系统能控性，步骤7)

中所示系统的格拉姆矩阵W_c[0,t₁]为：

当t₁＞0时，它非奇异，因为在步骤7)的计量管(2)质量状态表达式所示系统中，存在t₁＞0使格拉姆矩阵W_c[0,t₁]非奇异是其完全能控的充要条件，所以，在步骤7)

中所示系统完全能控；

再验证系统能观测性，步骤7)

中所示系统的格拉姆矩阵W₀[0,t₁]为：

当t₁＞0时，它非奇异，因为在步骤7)的计量管(2)质量状态表达式所示系统中，存在t₁＞0使格拉姆矩阵W₀[0,t₁]非奇异是其完全能观测的充要条件，所以，在步骤7)

中所示系统完全能观测；

9)确定状态持续反馈系数Y：在互不相交且覆盖整个正实轴的左闭右开区间族c的每个区间c_n∈c(n∈Z₊)上使

c_n是一个区间，可写成：

其中，

是集合c_n的特征函数，由此可推得：

在区间[0,t₁]可求得F₁，[t₁,t₂]可求得F₂，[t₂,t₃]可求得F₃，……要使得L₄流量在很小的范围内稳定，即L₃-L₄趋于0，而L₄由电子皮带秤控制决定，因此得出状态持续反馈系数Y，即

10)根据堵料位光电开关(3-1)、满料位光电开关(3-2)、高料位光电开关(3-3)、中料位光电开关(3-4)、低料位光电开关(3-5)和缺料位光电开关(3-6)分别对满料区(2-1)、料多区(2-2)、正常较多区(2-3)、正常较少区(2-4)、料少区(2-5)和缺料区(2-6)检测到缺料状态至料满状态测得的状态持续时间分别为T1、T2、T3、T4、T5、T6，根据状态持续反馈系数Y和计量管(2)各料区对应的状态持续时间，得出在烟料处于满料区(2-1)、料多区(2-2)、正常较多区(2-3)、正常较少区(2-4)、料少区(2-5)和缺料区(2-6)时，对应的修正后跟踪系数分别为X-0.3-T1Y、X-0.2-T2Y、X-0.1-T3Y、X+0.1+T4Y、X+0.2+T5Y、X+0.3+T6Y，从而确定烟料在满料区(2-1)、料多区(2-2)、正常较多区(2-3)、正常较少区(2-4)、料少区(2-5)和缺料区(2-6)时对应的进料皮带机频率分别为A·(X-0.3-T1Y)、A·(X-0.2-T2Y)、A·(X-0.1-T3Y)、A·(X+0.1+T4Y)、A·(X+0.2+T5Y)、A·(X+0.3+T6Y)。

2.根据权利要求1中所述的基于光电开关的计量管进料流量控制方法的装置，其特征在于：包括固定于计量管(2)两侧的安装支柱(1)，所述计量管(2)上划分有多个用于表征内部烟料量的料区，与多个料区数量相同并分布于各料区外部用于检测对应料区内的烟料的光电开关(3)安装于安装支柱(1)上，用于向所述计量管(2)送料的进料皮带机中的电机上设有变频器，所述变频器和多个光电开关(3)均与控制单元连接，并由控制单元根据多个光电开关(3)反馈的烟料高度信息控制变频器实现进料皮带机中电机速度的控制。

3.根据权利要求2所述的基于光电开关的计量管进料流量控制方法的装置，其特征在于：所述计量管(2)由上至下依次划分为满料区(2-1)、料多区(2-2)、正常较多区(2-3)、正常较少区(2-4)、料少区(2-5)和缺料区(2-6)，多个所述光电开关(3)分别为用于检测满料区(2-1)内烟料的堵料位光电开关(3-1)、用于检测料多区(2-2)内烟料的满料位光电开关(3-2)、用于检测正常较多区(2-3)内烟料的高料位光电开关(3-3)、用于检测正常较少区(2-4)内烟料的中料位光电开关(3-4)、用于检测少料区(2-5)内烟料的低料位光电开关(3-5)和用于检测缺料区(2-6)内烟料的缺料位光电开关(3-6)。

4.根据权利要求2所述的基于光电开关的计量管进料流量控制方法的装置，其特征在于：所述安装支柱(1)包括管状结构的支柱(1-1)、管夹座(1-2)和安装板(1-3)，所述计量管(2)两外侧均设有上下两端固定于计量管(2)外壁上的支柱(1-1)，与多个所述光电开关(3)数量相同的管夹座(1-2)分别分布于对应料区外侧并套装固定于支柱(1-1)上，所述管夹座(1-2)外壁上固定有与计量管(2)侧壁平行的安装板(1-3)，所述光电开关(3)的发射端和接收端分别固定于计量管(2)两外侧高度相同的安装板(1-3)上。

5.根据权利要求4所述的基于光电开关的计量管进料流量控制方法的装置，其特征在于：所述管夹座(1-2)中部制有与支柱(1-1)适配的通孔，所述管夹座(1-2)一侧的开槽与通孔连通且套装于支柱(1-1)上的管夹座(1-2)通过将固定于开槽两侧耳板连接的螺栓高度可调式固定于支柱(1-1)上。

6.根据权利要求2所述的基于光电开关的计量管进料流量控制方法的装置，其特征在于：所述安装支柱(1)包括外壁上带有导向槽的铝型材制成的支柱(1-1)和安装板(1-3)，与多个所述光电开关(3)数量相同的安装板(1-3)一端与适配于支柱(1-1)导向槽内的T形螺栓(1-4)连接并通过螺母锁紧固定，所述安装板(1-3)另一端伸出支柱(1-1)设置，所述光电开关(3)的发射端和接收端分别固定于计量管(2)两外侧高度相同的安装板(1-3)另一端上。

7.根据权利要求4或6所述的基于光电开关的计量管进料流量控制方法的装置，其特征在于：所述安装板(1-3)板面上制有腰型长孔(1-5)且光电开关(3)的发射端和接收端适配固定于对应侧安装板(1-3)的腰型长孔(1-5)内。

8.根据权利要求7所述的基于光电开关的计量管进料流量控制方法的装置，其特征在于：所述支柱(1-1)与计量管(2)侧壁平行设置，所述支柱(1-1)为上端倾斜段和下端竖直段组成的一体式结构或者分体式结构。

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