CN113974207A - 一种基于模糊控制的风力送丝系统自适应控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模糊控制的风力送丝系统自适应控制方法，针对负压风机的电机运转频率自动控制，根据各支管所需风速、卷烟机的运行数量以及各台卷烟机集丝仓料填满信号，建立电机频率动态特征函数，以实时控制电机输出频率；针对回风支管的负压控制和送丝支管的风速控制，涉及的风压设定值和风速设定值可通过伯努利方程构建出对应的内在关系，风压和风速互为反馈，通过PID运算，通过补风管的调节阀快速调节风压、风压并维持其稳定。与此同时，还增加了漏风补偿功能，通过一段时间内风速调节阀的阀门开度值和空气流速系数之间的拟合曲线得到漏风补偿系数，再确定漏风补偿值的大小，进而提高送丝过程风速的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于风力送丝系统的控制领域，具体涉及一种基于模糊控制的风力送丝系统自适应控制方法。
背景技术
风力送丝系统是卷烟工业企业实现自动化烟丝输送的主要方式之一，它采用负压抽吸原理，通过密闭管道将烟丝从送丝喂料机输送至卷烟机。负压风机产生的负压通过总管分配至各连接在总管上的负压支管，实现烟丝风力输送，为稳定管路内风压平衡，卷烟厂常采用总管和风管分别补风的方式，而在实际生产中存在着如下两个问题：
1、烟丝风力输送具有随机性和间歇性，导致主管和支管负压变化较大。为保证管内负压恒定，补风阀需频繁动作，导致耗能损失大、烟丝风送速度波动大，烟丝碎丝率较高。
2、生产中由于柔性喂丝机的均分盘分散烟丝不够均匀，为了防止烟丝输送时不会堵塞送丝管道，风机通常采用较高频率的转速运行来保证管内足够的负压，能耗较高。
专利文献CN111990687A公开了一种风力送丝方法，直接通过控制以9-12m/s的风速向卷烟机输送烟丝，但是这个风速范围是个经验值，准确性不强。
专利文献CN108552582A公开了一种风力送丝节能精益控制方法，通过对风力送丝系统运行特点和工艺需求进行深入分析，找出风力送丝工况变化的规律；根据卷包机组运行台数确定电机运行主频率，然后根据运行的各卷包机组不同要料情况，电机调节特性，和系统允许调节等待时间，确定微调电机频率；最终依据此对应关系在不同工况下调整风机运行频率实现风力的精益控制。该控制方式虽然考虑了卷包机组运行台数和各卷包机组不同要料情况，但是控制上有些参数仍然是经验值，且控制方法与本发明也不相同。
发明内容
鉴于上述，本发明的目的是提供一种基于模糊控制的风力送丝系统自适应控制方法，该方法可以实现了烟丝输送过程中风速的快速精准调节、送丝过程风速平稳控制、风力送丝柔和启停。
本发明实施例提供的一种基于模糊控制的风力送丝系统自适应控制方法，包括以下步骤：
对负压风机的电机运转频率自动控制，包括：根据风力送丝系统中卷烟机数量、各送丝支管所需风速、卷烟机运行数量以及各卷烟机烟丝仓料填满信号建立的电机频率动态特征函数计算电机运转频率，依据该电机运转频率进行自动控制；
对回风支管的风压控制，包括：以压力设定值作为回路风压主调节器的输入，回风支管的压力测量值作为回路风压主调节器的反馈，回路风压主调节器的输出作为风速副调节器的输入，送丝支管的风速测量值作为风速副调节器的反馈，组成回风支管风压调节系统，当要料信号结束时，通过回风支管风压调节系统进行风压PID运算，并依据风压PID运算结果通过安装在补风管上的补风阀调节回风支管风压以维护稳定；
对送丝支管的风速控制，包括：以风速设定值作为回路风速主调节器的输入，送丝支管的风速测量值作为回路风速主调节器的反馈，送丝支管回路风速主调节器的输出作为风压副调节器的输入，回风支管的风压测量值作为风压副调节器的反馈，组成送丝支管风速调节系统，当要料信号到来时，通过送丝支管风速调节系统进行风速PID运算，依据风速PID运算结果通过安装在回风支管上的调节阀调节风速以维持稳定。
在一个实施例中，所述据风力送丝系统中卷烟机数量、各送丝支管所需风速一致、卷烟机运行数量以及各卷烟机烟丝仓料填满信号建立的电机频率动态特征函数为：
其中，v为烟丝风送速度设定值，取值范围为16-20m/s，优选地，取值为18m/s，Ri为卷烟机的运行信号，设备运行时为1，停机时为0，以统计卷烟机运行数量，mi为卷烟机烟丝储存料位信号，烟丝填满时为1，烟丝未满时为0，k1、k2、k3、k4为经验系数，根据现场具体情况进行调整。
优选地，k1、k2、k3、k4取值分别为1.2-1.8，18-25,1.0-1.5，0.3-0.8。在一个实施例中，所述k1、k2、k3、k4取值分别为1.42,21.5,1.26,0.55，即电机频率动态特征函数为：
实施例中，在设定压力设定值和风速设定值时，保证压力设定值SP与风速设定值SV满足伯努利方程，即SP＝K(SV)2。
在一个实施例中，所述方法还包括：在漏风率大于设定阈值时，依据补风管的调节阀的阀门开度值、空气流速系数与漏风补偿系数建立的相关函数，计算漏风补偿系数，然后依据漏风补偿系数确定漏风补偿值，依据漏风补偿值调整调节阀开度，以进行漏风补偿。
在一个实施例中，所述依据补风管的调节阀的阀门开度值、空气流速系数与漏风补偿系数建立的相关函数为：
l＝0.5409val+0.07707R
其中，l为漏风补偿系数，val为阀门开度值，R为空气流速系数。
优选地，漏风率的设定阈值为5％-15％。阀门开度值保持在5％-15％范围内，增加漏风补偿以提高空气流速。所述方法控制送丝风速在18±0.5m/s范围内。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
针对负压风机的电机运转频率自动控制，根据各支管所需风速、卷烟机的运行数量以及各台卷烟机集丝仓料填满信号，建立电机频率动态特征函数，以实时控制电机输出频率；
针对回风支管的风压控制和送丝支管的风速控制，涉及的风压设定值和风速设定值可通过伯努利方程构建出对应的内在关系，风压和风速互为反馈，通过PID运算，通过补风管的调节阀快速调节风压、风压并维持其稳定。
与此同时，还增加了漏风补偿功能，通过一段时间内风速调节阀的阀门开度值和空气流速系数之间的拟合曲线得到漏风补偿系数，再确定漏风补偿值的大小，进而提高送丝过程风速的稳定性。
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为本发明实施例提供的风力送丝系统自适应控制方法的组成图；
图2为本发明实施例提供的风力送丝自适应控制系统的结构图；
图3为本发明实施例提供的回风支管风压控制对应的系统框图；
图4为本发明实施例提供的送丝支管风速控制对应的系统框图；
图5为本发明实施例提供的采用本发明方法前后的风速分布箱线图。
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。
为了解决现有风力送丝系统中存在的烟丝风送速度波动大、烟丝碎丝率较高以及能耗较高等问题。实施例提供了一种基于模糊控制的风力送丝系统自适应控制方法，采用双闭环控制方法，通过提出局部集中控制的概念，并在基于PID控制原理的基础上，对系统中的主要控制功能进行分析设计，将风速和风压互为关联控制，对各个支管风压实现按需平稳自适应控制，最终以实现管路风速恒定，同时增加漏风补偿功能，以防止烟丝堵塞。
图1为本发明实施例提供的风力送丝系统自适应控制方法的组成图。如图1所示，实施例提供的风力送丝系统自适应控制方法包括：负压风机的电机运转频率自动控制，用于提供风力送丝系统需要的负压吸风；回风支管的风压控制，用于稳定和平衡各支管的压力；送丝支管的风速控制，用于实现送丝风速的精准控制。
图2为本发明实施例提供的风力送丝自适应控制系统的结构图。如图2所示，负压风机采用SPS智能节电运行控制系统驱动。由于卷烟机运行数量R和各台卷烟机送丝时间和送丝时长的不确定，造成主管和支管内的风压P和风速V均会产生较大波动。为解决这个问题，根据风力送丝系统中卷烟机数量、各送丝支管所需风速、卷烟机运行数量以及各卷烟机烟丝仓料填满信号建立电机频率动态特征函数，具体为：
其中，v为烟丝风送速度设定值，优选设置为18m/s，Ri为卷烟机的运行信号，设备运行时为1，停机时为0，以统计卷烟机运行数量，mi为卷烟机烟丝储存料位信号，烟丝填满时为1，烟丝未满时为0，k1、k2、k3、k4为经验系数，根据现场具体情况进行调整。
按照电机频率动态特征函数曲线实时控制电机输出频率，使总管风压能快速与所需的风速对应并保持相对稳定。保证在烟丝输送过程中，每条回风支管上的调节阀工作在特性最优的开度，停止送丝时每条支管的补风管的补风阀也能工作在最佳开度，从而实现最优的风速和风压控制，同时达到电机节能的目的。
由于卷烟机烟丝的风力送丝采用了间歇式的工作方式，完成一次烟丝风送工作周期约20-30秒，间隔时间大概3-5分钟，具有时间短、非连续性等特点。在烟丝输送过程中，每条回风支管内的风压均会产生剧烈波动，同时也对总回风管风压造成干扰，导致各条回风支管相互干扰、相互影响。为解决这个问题，对送丝支管和回风支管进行风速和风压控制。
图3为本发明实施例提供的回风支管风压控制对应的系统框图。如图3所示，对回风支管的风压控制时，以压力设定值SP作为回路风压主调节器的输入，回风支管的压力测量值作为回路风压主调节器的反馈，回路风压主调节器的输出作为风速副调节器的输入，送丝支管的风速测量值PV作为风速副调节器的反馈，组成回风支管风压调节系统，当要料信号结束时，依据回风风压调节系统对回风支管内风压进行风压PID运算，依据风压PID运算结果通过补风阀调节回风支管风压以维护稳定。需要说明的是，在设定压力设定值和风速设定值时，保证压力设定值SP与风速设定值SV满足伯努利方程，即SP＝K(SV)2。这样，在设定送丝管的风速设定值SV，可得到每条回风支管上所需调节压力的设定值SP，即SP＝K(SV)2。
图4为本发明实施例提供的送丝支管风速控制对应的系统框图。如图4所示，对送丝支管的风速控制时，以风速设定值SV作为回路风速主调节器的输入，送丝支管的风速测量值作为回路风速主调节器的反馈，送丝支管回路风速主调节器的输出作为风压副调节器的输入，回风支管的风压测量值作为风压副调节器的反馈，组成送丝支管风速调节系统，当烟丝要料信号到来时，依据送丝支管风速调节系统进行风速PID运算，依据风速PID运算结果通过安装在回风支管上的调节阀调节风速以维持稳定。
实施例提供的控制方法中，还具有漏风补偿功能，即烟丝在输送过程中，需要根据实际工况对漏风情况进行补偿。如果漏风风量不严重，空气流速系数R与送丝支管内风速和风压有良好的线性关系。当漏风率大于设定阈值时，系统在进行漏风补偿时先需要计算漏风补偿系数l，系统根据漏风补偿系数的大小再确定漏风补偿值的大小。其中，设定阈值可以为5％-15％之间，也就是当漏风率超过设定阈值时，进行漏风补偿。
实施例中，漏风补偿系数与风速调节阀的阀门开度值val和空气流速系数R相关，具体为：l＝0.5409val+0.07707R，通过实验进行验证，阀门开度值保持在5％-15％范围内，通过增加漏风补偿功能能够明显提高空气流速系数。
在一个实施例中，风力送丝系统由上位机、PLC控制器、智能电机控制器SPS、文丘里流量计、调节阀、超声波料位开关等构成。针对该风力送丝系统进行的风力送丝系统自适应控制方法中，构建并使用的电机频率特征函数为：
对原始控制方法和本发明提供的自适应控制方法控制下的风力送丝系统的运行情况进行抽样，随机抽取10个送丝周期进行风速稳定性比较，结果如表1和表2所示：
表1
表2
通过比较表1和表2，现有控制方法下的系统风速均值为18.23m/s，标准差为2.744m/s,本发明提出的自适应控制方法下的系统风速均值为18.22m/s，标准差为0.402m/s。虽然二者均值接近相同，但是本发明提出的自适应控制方法的风速标准差远小于现有系统，表明风速波动范围远小于现有系统，送丝风速更加稳定。
图5为本发明实施例提供的采用本发明方法前后的风速分布箱线图。如图5所示，基于本发明方法的风力送丝系统风速箱体高度(IQRange为0.7m/s)远小于原风力送丝系统风速箱体高度(IQRange为4.95m/s)，表明基于本发明方法的风力送丝系统风速波动区间远小于原风力送丝系统，送丝的风速稳定性更好。
实施例提供的风力送丝自适应控制方法，送丝风速可以控制在18±0.5m/s范围内，并且能够依据设定的风速、卷烟机开机数量以及各卷烟机集丝箱料满信号，快速控制电机输出频率、调节阀开度，实现系统要料停料平缓控制。该方法既实现了电机调频节能，又提高了风力送丝控制的精准性和稳定性。
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 (10)
1.一种基于模糊控制的风力送丝系统自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
对负压风机的电机运转频率自动控制，包括：根据风力送丝系统中卷烟机数量、各送丝支管所需风速、卷烟机运行数量以及各卷烟机烟丝仓料填满信号建立的电机频率动态特征函数计算电机运转频率，依据该电机运转频率进行自动控制；
对回风支管的风压控制，包括：以压力设定值作为回路风压主调节器的输入，回风支管的压力测量值作为回路风压主调节器的反馈，回路风压主调节器的输出作为风速副调节器的输入，送丝支管的风速测量值作为风速副调节器的反馈，组成回风支管风压调节系统；当要料信号结束时，通过回风支管风压调节系统进行风压PID运算，并依据风压PID运算结果通过安装在补风管上的补风阀调节回风支管风压以维护稳定；
对送丝支管的风速控制，包括：以风速设定值作为回路风速主调节器的输入，送丝支管的风速测量值作为回路风速主调节器的反馈，送丝支管回路风速主调节器的输出作为风压副调节器的输入，回风支管的风压测量值作为风压副调节器的反馈，组成送丝支管风速调节系统，当要料信号到来时，通过送丝支管风速调节系统进行风速PID运算，并依据风速PID运算结果通过安装在回风支管上的调节阀调节风速以维持稳定。
2.根据权利要求1所述的基于模糊控制的风力送丝系统自适应控制方法，其特征在于，所述据风力送丝系统中卷烟机数量、各送丝支管所需风速一致、卷烟机运行数量以及各卷烟机烟丝仓料填满信号建立的电机频率动态特征函数为：
其中，v为烟丝风送速度设定值，取值范围为16-20m/s，Ri为卷烟机的运行信号，设备运行时为1，停机时为0，以统计卷烟机运行数量，mi为卷烟机烟丝储存料位信号，烟丝填满时为1，烟丝未满时为0，k1、k2、k3、k4为经验系数，根据现场具体情况进行调整。
3.根据权利要求2所述的基于模糊控制的风力送丝系统自适应控制方法，其特征在于，k1、k2、k3、k4取值分别为1.2-1.8，18-25,1.0-1.5，0.3-0.8。
4.根据权利要求2所述的基于模糊控制的风力送丝系统自适应控制方法，其特征在于，所述k1、k2、k3、k4取值分别为1.42,21.5,1.26,0.55，即电机频率动态特征函数为：
5.根据权利要求1所述的基于模糊控制的风力送丝系统自适应控制方法，其特征在于，在设定压力设定值和风速设定值时，保证压力设定值SP与风速设定值SV满足伯努利方程，即SP＝K(SV)2。
6.根据权利要求1所述的基于模糊控制的风力送丝系统自适应控制方法，其特征在于，还包括：在漏风率大于设定阈值时，依据补风管的调节阀的阀门开度值、空气流速系数与漏风补偿系数建立的相关函数，计算漏风补偿系数，然后依据漏风补偿系数确定漏风补偿值，依据漏风补偿值调整调节阀开度，以进行漏风补偿。
7.根据权利要求6所述的基于模糊控制的风力送丝系统自适应控制方法，其特征在于，所述依据补风管的调节阀的阀门开度值、空气流速系数与漏风补偿系数建立的相关函数为：
l＝0.5409val+0.07707R
其中，l为漏风补偿系数，val为阀门开度值，R为空气流速系数。
8.根据权利要求6或7所述的基于模糊控制的风力送丝系统自适应控制方法，其特征在于，漏风率的设定阈值为5％-15％。
9.根据权利要求6或7所述的基于模糊控制的风力送丝系统自适应控制方法，其特征在于，阀门开度值保持在5％-15％范围内，增加漏风补偿以提高空气流速。
10.根据权利要求1所述的基于模糊控制的风力送丝系统自适应控制方法，其特征在于，所述方法控制送丝风速在18±0.5m/s范围内。
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