CN114403487B - 一种松散回潮的加水控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种松散回潮的加水控制方法，包括：获取烟叶本身含水量与加水量之间的对应关系，并按照所述对应关系的数据变化趋势将来料含水率分为多段；对每一段来料含水率所对应的烟叶建立回归曲线方程，以表征加水量与来料含水率之间的关系；获取待生产烟叶的来料含水率，并根据待生产烟叶的来料含水率所对应的所述回归曲线方程得到所需加水量的预测值；根据所述预测值对烟叶松散回潮的加水量进行分段前馈控制。本发明能提高松散回潮工序的加水量控制精确度，增加各批次松散回潮的出口含水率的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及烟叶加工技术领域，尤其涉及一种松散回潮的加水控制方法。
背景技术
松散回潮作为烟厂制丝线影响烟叶质量的重要加工工序，其主要任务是增加片烟的含水率和温度，提升烟叶的耐加工性，该工序出口含水率的稳定性对后续多个工序的工艺指标都有着直接的影响。由于来料含水率和流量的波动、测量的滞后、温湿度环境的变化等的影响，松散回潮工序的出口含水率在实际生产中仍存在较大的波动。
当前松散回潮工序的含水率控制主要通过对入口物料流量和来料含水率的测量值来确定需要的加水量，但由于来料含水率波动、加水滞后、控制系统精确度低、人工干预频繁等原因导致无法实现对出口含水率的精确控制，因此，如何对松散回潮工序中的加水量进行控制，以实现烟叶的出口含水率的精确控制。
发明内容
本发明提供一种松散回潮的加水控制方法，解决现有松散回潮工序的加水量控制精确度低，易造成出口含水率波动大的问题，能提高各批次松散回潮的出口含水率的一致性，提高烟叶的生产品质。
为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：
一种松散回潮的加水控制方法，包括：
获取烟叶本身含水量与加水量之间的对应关系，并按照所述对应关系的数据变化趋势将来料含水率分为多段；
对每一段来料含水率所对应的烟叶建立回归曲线方程，以表征加水量与来料含水率之间的关系；
获取待生产烟叶的来料含水率，并根据待生产烟叶的来料含水率所对应的所述回归曲线方程得到所需加水量的预测值；
根据所述预测值对烟叶松散回潮的加水量进行分段前馈控制。
优选的，还包括：
对每一段来料含水率所对应的烟叶，建立出口含水率、来料含水率与加水量的对应方程kt＝a+byt+ε，其中，a表示截距项，b表示增益项，ε表示随机误差，kt为出口含水率与来料含水率的差值，yt为加水量；
在每一个时刻t，利用EWMA算法对所述对应方程来更新截距项，以计算得到该时刻的加水量的反馈控制值；
根据所述反馈控制值对烟叶松散回潮的加水量进行EWMA反馈控制。
优选的，还包括：
设置加水量的所述预测值和所述反馈控制值的加权系数，并结合所述分段前馈控制和所述EWMA反馈控制进行加水量加权计算，以得到加水量的加权值；
根据所述加权值对烟叶松散回潮的加水量进行控制。
优选的，还包括：
获取物料流量，在所述物料流量大于设定阈值时开始进行加水量的前馈控制，并在物料到达出口含水率检测点后，开始进行加水量的反馈控制。
优选的，还包括：
构造过程能力指数CPK控制图对各批次烟叶松散回潮工序的质量进行监控；
每个批次结束后，根据公式：
计算该批次的过程能力指数CPK来对该批次的整体质量进行评价，其中，TU为上规格界限，TL为下规格界限，μ为该批次的均值，σ为该批次的标准差。
优选的，还包括：
判断该批次的CPK是否超出控制界限，如果是，则选取新的样本数据重新对所述回归曲线方程进行回归拟合，以调整前馈控制。
优选的，还包括：
获取多个批次的CPK的均值μCPK和标准差σCPK，并根据公式：LCL＝μCPK-k.σCPK，计算得到下控制线LCL，如果被测批次的CPK低于所述下控制线LCL，则判定所述被测批次的质量不符合工序要求，且所对应的出口含水率控制模型需进行优化，其中，k为控制线系数。
优选的，所述利用EWMA算法对所述对应方程来更新截距项，以计算得到该时刻的加水量的反馈控制值，包括：
根据公式：
和
计算出t时刻的加水量的反馈控制值，其中，
为在时刻t对截距项的估计值，
为反馈控制加水量，λ为EWMA系数，0<λ≤1，T为出口含水率的目标值，kt-1为t-1时刻的出口含水率与来料含水率的差值，yt-1为t-1时刻的加水量。
优选的，将来料含水率分为小于13.5％阶段、13.5～14.7％阶段及大于14.7％阶段的3段；
其中，处于小于13.5％阶段所对应的所述回归曲线方程为：y＝27.9-1.74x；
处于13.5～14.7％阶段所对应的所述回归曲线方程为y＝14.3-0.73x；
处于大于14.7％阶段所对应的所述回归曲线方程为：y＝10.2-0.45x。
优选的，根据公式：加水量的加权值＝p×前馈的预测值+(1-p)×反馈控制值，计算得到加水量的加权值，其中，p为加权系数，0<p≤1。
本发明提供一种松散回潮的加水控制方法，根据来料含水率的分段所对应的回归曲线对松散回潮工序进行分段前馈控制，进而采用EWMA算法进行EWMA反馈控制相结合，以对加水量进行控制，解决现有松散回潮工序的加水量控制精确度低，易造成出口含水率波动大的问题，能提高各批次松散回潮的出口含水率的一致性，提高烟叶的生产品质。
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是本发明提供一种松散回潮的加水控制方法示意图。
图2是本发明提供的一种松散回潮的控制模型的结构示意图。
图3是本发明提供的控制模型自学习控制示意图。
图4是本发明提供的控制模型应用前后的出口含水率变化比对图。
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。
针对当前烟叶的松散回潮工序中由于来料含水率波动、加水滞后、控制系统精确度低、人工干预频繁等原因导致无法实现对出口含水率的精确控制。本发明提供一种松散回潮的加水控制方法，解决现有松散回潮工序的加水量控制精确度低，易造成出口含水率波动大的问题，能提高各批次松散回潮的出口含水率的一致性，提高烟叶的生产品质。
如图1和图2所示，一种松散回潮的加水控制方法，包括：
S1：获取烟叶本身含水量与加水量之间的对应关系，并按照所述对应关系的数据变化趋势将来料含水率分为多段。
S2：对每一段来料含水率所对应的烟叶建立回归曲线方程，以表征加水量与来料含水率之间的关系。
S3：获取待生产烟叶的来料含水率，并根据待生产烟叶的来料含水率所对应的所述回归曲线方程得到所需加水量的预测值。
S4：根据所述预测值对烟叶松散回潮的加水量进行分段前馈控制。
具体地，当前松散回潮工序的含水率控制主要通过对入口物料流量和来料含水率的测量值来确定需要的加水量，但由于来料含水率波动、加水滞后、控制系统精确度低、人工干预频繁等原因导致无法实现对出口含水率的精确控制，因此有必要通过数据分析建立更为有效的控制模型。根据批次生产时来料含水率与出口含水率的数据采集，可以在得到烟叶本身含水率的变化与加水量之间在较小变化范围内仍呈线性关系，因此可按照对应关系的数据变化超势将来料含水率分为多段，并通过相应的回归曲线方程来表征每一段的加水量与来料含水率关系。进而通过回归曲线方程对烟叶松散回潮的加水量进行分段前馈控制，能提高松散回潮工序的加水量控制精确度，增加各批次松散回潮的出口含水率的一致性。
进一步，将来料含水率分为小于13.5％阶段、13.5～14.7％阶段及大于14.7％阶段的3段。其中，处于小于13.5％阶段所对应的所述回归曲线方程为：y＝27.9-1.74x；处于13.5～14.7％阶段所对应的所述回归曲线方程为：y＝14.3-0.73x；处于大于14.7％阶段所对应的所述回归曲线方程为：y＝10.2-0.45x。
在一实施例中，设定物料流量5000kg/h，回风温度54～60℃，引射水蒸汽压力0.22～0.30MPa，热风风机频率32Hz，滚筒电机频率35Hz，出口含水率的工艺标准要求为18.5～20.5％，每6s自动采集一次数据。通过现场测算从松散回潮来料含水率检测点到加水点的时间为30s，加水点到出口含水率检测点的时间为90s，以此时间关系可建立来料含水率与加水量以及出口含水率的对应关系。在连续的多个生产批次中筛选出口含水率能够连续30s稳定在19.5±0.2范围内的数据作为加水效果较好的样本进行分析，由于在生产稳定的情况下物料流量基本保持不变，因此仅需要考虑来料含水率与加水量的关系，由于烟叶的吸水能力与烟叶本身的含水量相关，因此烟叶含水率的变化与加水量之间往往不能呈现线性相关关系，但在烟叶本身含水量的较小变化范围内仍呈显著的线性相关关系。按照数据的变化趋势可以将来料含水率分为三段，小于13.5％、13.5～14.7％、以及大于14.7％，分别命名为S1、S2、S3，并分段进行回归分析，得到三组回归曲线。
S1：y＝27.93-1.741x；
S2：y＝14.25-0.7341x； (1)
S3：y＝10.16-0.4539x；
其中，y表示加水量，L/h；x表示来料含水率。
计算S1和S2回归曲线的交点D1，S2和S3回归曲线的交点D2分别为(x＝13.59,y＝4.27)、(x＝14.60,y＝3.53)，据此将来料含水率的分段进行修正，小于13.6％、13.6～14.6％、以及大于14.6％，分别命名为S1’、S2’、S3’。对数据进行重新分段回归，得到新的回归曲线。
S1’：y＝27.90-1.7375x；
S2’：y＝14.28-0.7360x； (2)
S3’：y＝10.19-0.4562x；
由此，当物料流量稳定在设定值5000kg/h时，可根据来料含水率的检测值来预测需要的加水量的取值，对加水量设定值进行实时前馈控制。
该方法还包括：
S5：对每一段来料含水率所对应的烟叶，建立出口含水率、来料含水率与加水量的对应方程kt＝a+byt+ε，其中，a表示截距项，b表示增益项，ε表示随机误差，kt为出口含水率与来料含水率的差值，yt为加水量。
S6：在每一个时刻t，利用EWMA算法对所述对应方程来更新截距项，以计算得到该时刻的加水量的反馈控制值。
S7：根据所述反馈控制值对烟叶松散回潮的加水量进行EWMA反馈控制。
进一步，所述利用EWMA算法对所述对应方程来更新截距项，以计算得到该时刻的加水量的反馈控制值，包括：
根据公式：
和
计算出t时刻的加水量的反馈控制值，其中，
为在时刻t对截距项的估计值，
为反馈控制加水量，λ为EWMA系数，0<λ≤1，T为出口含水率的目标值，kt-1为t-1时刻的出口含水率与来料含水率的差值，yt-1为t-1时刻的加水量。
具体地，通过前馈控制能够根据来料的变化对加水量进行合理的调整，但难以反映加工过程中的变化情况，因此有必要在前馈控制的同时根据加工过程状况同时对加水量进一步进行控制。Ingolfsso等首次提出EWMA反馈控制器，后来该方法被广泛用于半导体加工过程输出偏差的反馈控制，本文将此方法应用于松散回潮工序的出口含水率反馈控制中。
在各工序工艺参数保持不变的情况下，在来料含水率的同一分段上，出口含水率vt和来料含水率xt的差kt与加水量yt基本满足单输入单输出过程:
kt＝a+byt+ε； (3)
其中，a表示截距项，b表示增益项，ε表示随机误差。
在每一个时刻t，都能够通过一个EWMA算法来更新截距项，并由此计算出该时刻的反馈输入值：
其中，
为反馈控制加水量；λ为EWMA系数，0＜λ≤1；T为出口含水率的目标值；
为在时刻t对截距项的估计值，其初始值
和增益项的b可通过式(2)转换计算得到。由于式(2)是由筛选出口含水率接近目标值T＝19.5的数据回归分析得到的，因此可知在S′1分段下
于是，
b＝0.5755。同样可得，在S′2分段下，
b＝1.3587；S′3分段下，
b＝2.1920。
在实际应用时，由于数据的分段回归，进行EWMA迭代反馈的时刻之间可能会存在一定的时间间隔，比如在某个时刻的来料含水率处于S′3分段，但它的前三个采样时刻的来料含水率都处于S′2分段，直到前面第四个采用时刻的来料含水率才处于S′3分段。这时，以距离当前时刻最近的处于同一分段的时刻，即前面第四个采用时刻为t-1，采用式(4)、(5)计算EWMA反馈加水量。
如图2所示，该方法还包括：
S8：设置加水量的所述预测值和所述反馈控制值的加权系数，并结合所述分段前馈控制和所述EWMA反馈控制进行加水量加权计算，以得到加水量的加权值。
S9：根据所述加权值对烟叶松散回潮的加水量进行控制。
进一步，根据公式：加水量的加权值＝p×前馈的预测值+(1-p)×反馈控制值，计算得到加水量的加权值，其中，p为加权系数，0<p≤1。
该方法还包括：获取物料流量，在所述物料流量大于设定阈值时开始进行加水量的前馈控制，并在物料到达出口含水率检测点后，开始进行加水量的反馈控制。
在实际应用中，在生产批次开始之初，当物料流量大于3000kg/h时(记为t0)开始进行前馈控制，在每个数据采集时刻按照式(2)的前馈预测计算30s后的加水量设定值进行加水控制；而在t0+120s后，有物料到达出口含水率检测点，这时由式(2)和式(5)的反馈控制都可以计算得到一个加水量的取值，可通过加权的方式得到30s后的加水量设定值进行加水控制，通过多个批次的试验结果的比较，取p＝0.60效果最佳。
如图3所示，该方法还包括：
构造过程能力指数CPK控制图对各批次烟叶松散回潮工序的质量进行监控。
每个批次结束后，根据公式：
计算该批次的过程能力指数CPK来对该批次的整体质量进行评价，其中，TU为上规格界限，TL为下规格界限，μ为该批次的均值，σ为该批次的标准差。
该方法还包括：
判断该批次的CPK是否超出控制界限，如果是，则选取新的样本数据重新对所述回归曲线方程进行回归拟合，以调整前馈控制。
该方法还包括：获取多个批次的CPK的均值μCPK和标准差σCPK，并根据公式：LCL＝μCPK-k.σCPK，计算得到下控制线LCL，如果被测批次的CPK低于所述下控制线LCL，则判定所述被测批次的质量不符合工序要求，且所对应的出口含水率控制模型需进行优化，其中，k为控制线系数。
具体地，在应用整合的控制模型对松散回潮工序的加水量进行控制的过程中，每个批次结束后，都需要通过计算该批次的过程能力指数CPK来对该批次的整体质量进行评价。
其中，TU、TL分别为上下规格界限，μ、σ分别为该批次的均值和标准差。
根据历史批次的CPK数据可构造批次质量监控的控制图，选取15到20个批次的CPK计算控制界限：
其中，k为控制线系数，通常取k＝3；μCPK和σCPK为被选择的多个批次CPK的均值和标准差。以此对最新批次的CPK进行监控，由于CPK越小说明批次质量越差，因此仅需要判断最新批次的CPK是否低于下控制线LCL，若低于，则说明当前批次质量下降了，现在的控制模型不符合工序现状，需要进行自学习优化。在最新的2-3个批次的数据中筛选出口含水率能够连续30s稳定在19.5±0.2范围内的数据作为样本，按照分段方式分别进行前馈预测的统计回归拟合分析，并按照式(6)重新计算反馈控制的估计参数，实现对整合控制模型的更新。
在实际应用中，利用卷烟厂MES系统中采集的在线监控数据来验证控制模型的有效性。试验设备：WQ3316型滚筒式叶片回潮机、710e NDC型在线水分仪、iFIX服务器、实时数据库，以及自行开发的整合控制系统。根据控制模型的数据要求，保持物料流量5000kg/h，回风温度54～60℃，引射水蒸汽压力0.22～0.30MPa，热风风机频率32Hz，滚筒电机频率35Hz等运行参数不变，采集卷烟的松散回潮工序的数据进行分析并同时计算加水量的设定值通过OPC方式写入iFIX服务器实现加水量的实时控制。
为了比对控制模型的有效性，首先对单个批次的出口含水率变化趋势进行比较分析，如图4所示。可以发现，运用了整合的控制模型对加水量进行控制后，出口含水率明显更为集中，更靠近目标值19.5。进一步，对多个批次的质量水平进行比较，表1为整合的控制模型应用前后各10个批次的过程质量指标的数据对比。
表1
在表1中，整合的控制模型应用前后的对比中可以看到，控制模型应用前的出口含水率的均值偏移量|T-μ|的平均值为0.129，控制模型应用后减小到了0.075，减少了41.8％，过程标准差σ从系统应用前的0.211减少到系统应用后的0.185，减小了约12.3％，过程能力指数CPK从系统应用前的1.38提高到控制模型应用后的1.67，提高了约21％。说明运用整合的控制模型能够有效提高该工序的过程质量水平。
可见，本发明提供一种松散回潮的加水控制方法，根据来料含水率的分段所对应的回归曲线对松散回潮工序进行分段前馈控制，进而采用EWMA算法进行EWMA反馈控制相结合，以对加水量进行控制，解决现有松散回潮工序的加水量控制精确度低，易造成出口含水率波动大的问题，能提高各批次松散回潮的出口含水率的一致性，提高烟叶的生产品质。
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 (5)
1.一种松散回潮的加水控制方法，其特征在于，包括：
获取烟叶本身含水量与加水量之间的对应关系，并按照所述对应关系的数据变化趋势将来料含水率分为多段；
对每一段来料含水率所对应的烟叶建立回归曲线方程，以表征加水量与来料含水率之间的关系；
获取待生产烟叶的来料含水率，并根据待生产烟叶的来料含水率所对应的所述回归曲线方程得到所需加水量的预测值；
根据所述预测值对烟叶松散回潮的加水量进行分段前馈控制；
对每一段来料含水率所对应的烟叶，建立出口含水率、来料含水率与加水量的对应方程kt＝a+byt+ε，其中，a表示截距项，b表示增益项，ε表示随机误差，kt为出口含水率与来料含水率的差值，yt为加水量；
在每一个时刻t，利用EWMA算法对所述对应方程来更新截距项，以计算得到该时刻的加水量的反馈控制值；
根据所述反馈控制值对烟叶松散回潮的加水量进行EWMA反馈控制；
设置加水量的所述预测值和所述反馈控制值的加权系数，并结合所述分段前馈控制和所述EWMA反馈控制进行加水量加权计算，以得到加水量的加权值；
根据所述加权值对烟叶松散回潮的加水量进行控制；
所述利用EWMA算法对所述对应方程来更新截距项，以计算得到该时刻的加水量的反馈控制值，包括：
根据公式：
和
计算出t时刻的加水量的反馈控制值，其中，
为在时刻t对截距项的估计值，
为反馈控制加水量，λ为EWMA系数，0<λ≤1，T为出口含水率的目标值，kt-1为t-1时刻的出口含水率与来料含水率的差值，yt-1为t-1时刻的加水量；
根据公式：加水量的加权值＝p×前馈的预测值+(1-p)×反馈控制值，计算得到加水量的加权值，其中，p为加权系数，0<p≤1；
所述对每一段来料含水率所对应的烟叶建立回归曲线方程，包括：
将来料含水率分为小于13.5％阶段、13.5～14.7％阶段及大于14.7％阶段的3段；
其中，处于小于13.5％阶段所对应的所述回归曲线方程为y＝27.9-1.74x；
处于13.5～14.7％阶段所对应的所述回归曲线方程为：y＝14.3-0.73x；
处于大于14.7％阶段所对应的所述回归曲线方程为：y＝10.2-0.45x；
其中，y表示加水量，L/h；x表示来料含水率，xt表示t时刻的来料含水率。
2.根据权利要求1所述的松散回潮的加水控制方法，其特征在于，还包括：
获取物料流量，在所述物料流量大于设定阈值时开始进行加水量的前馈控制，并在物料到达出口含水率检测点后，开始进行加水量的反馈控制。
3.根据权利要求2所述的松散回潮的加水控制方法，其特征在于，还包括：
构造过程能力指数CPK控制图对各批次烟叶松散回潮工序的质量进行监控；
每个批次结束后，根据公式：
计算该批次的过程能力指数CPK来对该批次的整体质量进行评价，其中，TU为上规格界限，TL为下规格界限，μ为该批次的均值，σ为该批次的标准差。
4.根据权利要求3所述的松散回潮的加水控制方法，其特征在于，还包括：
判断该批次的CPK是否超出控制界限，如果是，则选取新的样本数据重新对所述回归曲线方程进行回归拟合，以调整前馈控制。
5.根据权利要求4所述的松散回潮的加水控制方法，其特征在于，还包括：
获取多个批次的CPK的均值μCPK和标准差σCPK，并根据公式：LCL＝μCPK-k.σCPK，计算得到下控制线LCL，如果被测批次的CPK低于所述下控制线LCL，则判定所述被测批次的质量不符合工序要求，且所对应的出口含水率控制模型需进行优化，其中，k为控制线系数。
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