CN114343220B - 一种基于进料总水分补偿的烘丝出口水分控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于进料总水分补偿的烘丝出口水分控制方法，该方法针对烟丝在烘丝工序中的出口水分波动，设计一种基于进料总水分补偿的前馈‑反馈复合控制系统。该方法计算烘丝进口端的进料总水分扰动，结合进料总水分前馈补偿与烘丝出口水分反馈控制，及时调整热风温度。该方法综合考虑剧烈频繁波动的进料扰动，快速消除扰动对出口水分被控量的影响，进一步提高过程水分合格率，这对于提升制丝生产过程关键工序质量具有重要价值。

Description

一种基于进料总水分补偿的烘丝出口水分控制方法
技术领域
本发明涉及烟丝生产过程的关键工序控制技术领域，具体为一种基于进料总水分补偿的烘丝出口水分控制方法。
背景技术
在烟草行业的生产加工领域，烘丝是制丝生产的关键工序之一。现阶段，国内采用多种烘丝设备，如薄板式烘丝机、滚筒式烘丝机等。烟丝与筒体加热器及热风充分接触，并进行热质交换，从而达到干燥物料的目的。
目前，为维持烘丝出口水分稳定，出口水分常常与筒体温度、热风温度等系统变量关联，形成典型的单回路控制系统。该方法设计简单，操作方便，可以满足大部分生产工艺的要求。然而，在实际生产过程中，现有的出口水分测量往往存在长达5分钟级别的时间滞后。这导致热风温度等操纵变量调节不及时，反馈控制效果不佳，出口水分波动明显。
事实上，造成出口水分波动的主要原因来自于烘丝进料端的原料扰动，包括烘丝进口水分及进料瞬时流量的变化。其中，烘丝进口水分呈现波动频繁无序的特点。同时，由于前序工段来料情况等因素影响，一段时间内需要对进料瞬时流量进行手动调整。二者共同作用，导致烘丝出口水分控制系统调节效果不佳。
总之，需要综合考虑烘丝进口水分及进料瞬时流量的扰动对出口水分的影响，设计先进的控制技术及方法，快速消除扰动对出口水分的影响，以进一步提高烘丝过程出口水分合格率。
发明内容
本发明针对背景技术中存在的问题，设计一种基于进料总水分补偿的前馈-反馈复合控制系统，及时调节热风温度以维持烘丝出口水分稳定。该方法包括以下步骤：
1、基于烘丝出口水分反馈控制系统，设计基于进料总水分补偿的前馈校正环节，将前馈校正环节与反馈控制系统复合，构成烘丝出口水分前馈-反馈复合控制系统；
2、实时采集烘丝出口水分控制系统参数，包括出口水分mo、进口水分mi、进料瞬时流量q，烘丝进口水分及出口水分由红外水分仪测量，进料瞬时流量由电子皮带秤测得；
3、计算进料总水分ma及其变化量△ma：
ma＝mi×q
式中，烘丝出口水分控制系统在生产初期调整为稳态平衡，为系统进口水分平衡值，/>为系统进料瞬时流量平衡值；
4、在热风温度与烘丝出口水分之间的反馈过程通道，计算出口水分设定值与实际值mo的偏差e，出口水分控制器根据偏差e计算热风温度的反馈控制量u：
u＝e×Wc(s)
式中，Wc(s)为反馈回路控制器；
5、在热风温度关于进料总水分扰动的前馈校正通道，设计基于进料总水分扰动的前馈补偿器，根据进料总水分变化量△ma计算热风温度的前馈补偿量f：
式中，Wff(s)为前馈补偿控制器，Wo(s)为热风温度与烘丝出口水分之间的过程通道传递函数，Wd(s)为进料总水分关于烘丝出口水分的扰动通道传递函数。采用时域法建模，测定进料总水分、烘丝出口水分、热风温度系统参数的响应曲线，根据曲线的特征参数，求得过程通道及扰动通道传递函数；
6、将反馈控制量u与前馈补偿量f加和，得到热风温度的最优调节变化量△x：△x＝u+f；
7、实时调节热风温度，更新前馈-反馈复合控制系统各参数变量，及时对烘丝出口水分进行稳定控制。
有益效果：
本发明公开了一种基于进料总水分补偿的烘丝出口水分控制方法，该方法设计一种基于进料总水分补偿的前馈-反馈复合控制系统，以维持烘丝出口水分稳定。该方法综合考虑剧烈频繁波动的进料水分和流量变化的扰动，快速消除扰动对出口水分的影响，进一步提高过程水分合格率，这对于提升制丝生产过程关键工序质量具有重要价值。
附图说明
图1为本发明一种基于进料总水分补偿的烘丝出口水分控制方法方框图；
图2为本发明实施例中基于单回路控制系统的烘丝出口水分调节效果图；
图3为本发明实施例中基于进料总水分补偿的前馈-反馈复合控制系统的烘丝出口水分调节效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。由具体的操作流程说明本方法在制丝生产工序中烘丝出口水分控制的实施效果。本实施案例在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
某制丝生产线采用振动流化干燥机对烘丝出口水分进行控制，烘丝进口及出口水分由红外水分仪测量，进料瞬时流量由电子皮带秤测得。为减少烘丝出口水分波动，提高过程水分合格率，决定采用本发明技术进行控制系统设计。具体过程如下：
1、烘丝出口水分控制系统在生产初期调整为稳态平衡，记录各烘丝出口水分控制系统参数。其中，系统进口水分平衡值系统出口水分设定值/>系统进料瞬时流量平衡值/>系统热风温度初始稳态值/>
2、实时采集烘丝出口水分控制系统参数，包括出口水分mo、进口水分mi、进料瞬时流量q。其中，表1为烘丝出口水分控制系统参数的部分数据。
表1烘丝出口水分控制系统参数
3、计算进料总水分ma及其变化量△ma。
如表1所示，以序列11为例，系统实时的进口水分mi＝44.7％，进料瞬时流量q＝1611kg/h，计算进料总水分ma及其变化量△ma：
ma＝mi×q＝44.7×1611＝72011.7
4、在热风温度与烘丝出口水分之间的反馈过程通道，计算出口水分设定值与实际值mo的偏差e，出口水分控制器根据偏差e计算热风温度的反馈控制量u。
如表1所示，以序列11为例，计算偏差e与反馈控制量u：
u＝e×Wc(s)＝P×e+I×∑e＝0.3
式中，Wc(s)采用PI控制器，其中比例作用P＝1，积分作用I＝0.5。
5、在热风温度关于进料总水分扰动的前馈校正通道，设计基于进料总水分扰动的前馈补偿器。
首先，基于本实施例中的系统参数，采用时域法建模，得到热风温度与烘丝出口水分之间的过程传递函数进料总水分关于烘丝出口水分的扰动传递函数
然后，计算前馈补偿控制器：
式中，Kff为静态前馈系数，T1为控制通道时间常数，T2为扰动通道时间常数。本实施例中，采用静态前馈补偿方法，即忽略动态前馈控制系统的时间常数，计算前馈补偿量f。如表1所示，以序列11为例：
6、将反馈控制量u与前馈补偿量f加和，得到热风温度的最优调节变化量△x。
如表1所示，以序列11为例，计算最优调节变化量△x：
△x＝u+f＝0.3+0.2＝0.5
因此，当进料总水分较少或出口水分减少时，应减小热风温度的大小，热风温度值应该修正为
7、实时调节热风温度，更新前馈-反馈复合控制系统各参数变量，及时对烘丝出口水分进行稳定控制。
如图2、图3所示，图中反映了不同控制系统对烘丝出口水分的控制效果。通过计算烘丝出口水分标准差，进一步反映水分波动程度。不同控制系统标准差的计算结果如表2所示。
表2不同控制系统关于烘丝出口水分标准差对比
系统 烘丝出口水分标准差
单回路控制系统 0.327
复合控制系统 0.145
由表2可见，基于进料总水分补偿的前馈-反馈复合控制系统的烘丝出口水分控制，其波动显然要低于基于单回路控制系统的烘丝出口水分，出口水分更加稳定。
综上所述，由于进料总水分波动频繁且幅值较大，反馈控制是在出口水分已发生较大偏差后再进行控制，系统存在一定的控制滞后，其调节效果不佳。前馈-反馈复合控制首先根据进料总水分扰动进行提前补偿，减少进料干扰对于出口水分的影响，可以快速消除扰动对烘丝出口水分的影响，进一步提高过程水分合格率。

Claims (6)

1.一种基于进料总水分补偿的烘丝出口水分控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)基于烘丝出口水分反馈控制系统，设计基于进料总水分补偿的前馈校正环节，将前馈校正环节与反馈控制系统复合，构成烘丝出口水分前馈-反馈复合控制系统；
2)实时采集烘丝出口水分控制系统参数，包括出口水分mo、进口水分mi、进料瞬时流量q；
3)计算进料总水分ma及其变化量Δma；
4)在热风温度与烘丝出口水分之间的反馈过程通道，计算出口水分设定值与实际值mo的偏差e，出口水分控制器根据偏差e计算热风温度的反馈控制量u；
5)在热风温度关于进料总水分扰动的前馈校正通道，设计基于进料总水分扰动的前馈补偿器，根据进料总水分变化量Δma计算热风温度的前馈补偿量f；
6)将反馈控制量u与前馈补偿量f加和，得到热风温度的最优调节变化量：Δx＝u+f；
7)实时调节热风温度，更新前馈-反馈复合控制系统各参数变量，及时对烘丝出口水分进行稳定控制；
进料总水分ma及其变化量Δma按照下式计算：
ma＝mi×q
式中，为系统进口水分平衡值，/>为系统进料瞬时流量平衡值。
2.根据权利要求1所述的烘丝出口水分控制系统参数变量的平衡值，其特征在于，烘丝出口水分控制系统在生产初期调整为稳态平衡，即调节热风温度系统变量，以满足烘丝出口水分合格率。
3.根据权利要求1所述的一种基于进料总水分补偿的烘丝出口水分控制方法，其特征在于，热风温度的反馈控制量u按照下式计算：
u＝e×Wc(s)
式中，Wc(s)为反馈回路控制器。
4.根据权利要求1所述的一种基于进料总水分补偿的烘丝出口水分控制方法，其特征在于，热风温度的前馈补偿量f按照下式计算：
式中，Wff(s)为前馈补偿控制器，Wo(s)为热风温度与烘丝出口水分之间的过程通道传递函数，Wd(s)为进料总水分关于烘丝出口水分的扰动通道传递函数。
5.根据权利要求4所述的一种基于进料总水分补偿的烘丝出口水分控制方法，其特征在于，过程通道及扰动通道传递函数，采用时域法建模，测定进料总水分、烘丝出口水分、系统热风温度系统参数的响应曲线，根据曲线的特征参数，求得过程通道及扰动通道传递函数。
6.根据权利要求1所述的一种基于进料总水分补偿的烘丝出口水分控制方法，其特征在于，烘丝进口水分及出口水分由红外水分仪测量，进料瞬时流量由电子皮带秤测量。
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