复烤机回潮区雾化加湿控制方式的改进论文_包鑫海,周德荣

摘要：复烤机出口水分的控制系统，具有大惯性、纯滞后、多干扰、强耦合的特点，本文采用模糊PID算法，配合26组雾化喷嘴的分级控制策略，使复烤机出口水分的控制响应更加迅速，过程更加平稳，从而提高了复烤机出口水分的过程控制能力。

关键词：复烤机；雾化加湿；模糊PID；分级控制

1.引言

复烤工序在整个打叶复烤加工工艺中属于核心环节，其干燥、回潮的控制水平直接影响到片烟成品装箱水分这一关键指标。复烤工序将片烟连续经过干燥、冷却、回潮三个阶段，将片烟含水率稳定在11%-13%的范围内，并尽可能的保证装箱后含水率的均匀性，以达到利于长期储存，提高醇化质量的目的。目前，某复烤厂的复烤机回潮区采用雾化水经循环风对烟叶进行加湿的方式来控制复烤机的出口水分。

2.存在问题

复烤机出口水分这一关键指标未能达到自动控制。复烤机针对出口水分的控制，属于大滞后、强耦合的控制系统。对于大部分的复烤机设备，都由4-5个干燥区，1个冷却区，2-3个回潮区组成，其中任意一个控制变量都会对出口水分产生影响。具体表现如下：1、通过回潮区加水量的调节，控制烟叶水分的系统属于大滞后系统，当出口水分出现偏差时难以通过精准的控制方式进行调节，极易出现超调，造成水口水分的不稳定。2、烟叶对水分的吸收能力会随着烟叶温度，烟叶等级、环境温度的变化而改变，目前缺乏一套合理的控制策略进行自动控制，只能通过人工进行经验调节，影响出口水分的快速响应和平稳性。

复烤机出口水分一直都是复烤工艺控制的重点和难点，其主要的性能指标为出口烟叶含水率的合格率和成品装箱水分。目前复烤机干燥区温度，回潮区温度都为PID自动控制，经过一定的技术革新，其稳定性和快速响应能力都达到了较高的控制水平。而针对复烤机出口水分这一指标，仍然处于人工/半自动的控制能力，当出口水分出现偏差时，需要人工依靠经验值进行调节，对操作人员的经验和能力水平有很强的依赖性，也不适应目前工业4.0的发展潮流，成为了目前复烤机控制水平提升的瓶颈。

3.控制方式的改进

烤片机出口水分的控制具有大惯性、纯滞后、多干扰的特点，依靠普通的闭环PID控制策略难以达到理想的控制效果。本控制方式是建立在雾化水喷嘴迷糊PID控制上的分级控制，针对不同烟叶等级，不同生产环境，根据出口水分的当前偏差E和当前偏差和上一次采样时间的偏差的差值Ec的变化，采用不同的PID控制参数，然后再根据PID算法的输出值CV，分级控制雾化水喷嘴开启的数量，从而达到控制烟叶出口水分的目的。

3.1控制策略

目前，复烤机共有230个雾化喷嘴，根据复烤机内部的风场情况，组合成环形和线性两种形态，分布在3个回潮区中：回潮一区部署2组环形喷嘴，6组线性喷嘴；回潮二区部署2组组环形喷嘴，6组线性喷嘴；回潮三区部署2组组环形喷嘴，8组线性喷嘴。为人工在工控机操作画面中手动开启或关闭。现将引入模糊PID控制思路，通过模糊化、确定模糊规则、解模糊等步骤，通过当前的出口水分偏差值和上次偏差的变化值，再将设定的模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出PID控制参数（Kp，Ki，Kd）的修正值△KP，△Ki，△Kd，PID算法得出的CV值，按照不同区间对三个回潮区的26组喷嘴进行控制。

3.2模糊PID的应用

模糊PID控制克服传统PID无法实时条件参数的缺陷，可根据实时偏差和偏差的变化实时改变PID的KP，KI，KD参数，是现代PID控制策略中较为先进的技术。

图1 模糊PID控制示意图

1、通过出口水分仪实时采集复烤机出口水分，采集周期为1秒，经平滑处理后进入堆栈，再根据系统的设定值进行比较，得到偏差E、当前偏差和上一次的偏差的差值EC。根据出口水分的变化范围假定为8%~16%，将其分为8个部分，分别为8%~9%，9%~10%，10%~11%，11%~12%，12%~13%，13%~14%，14%~15%，15%~16%，然后把9%、10%，11%，12%，13%，14%，15%分别用NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB表示。EC的变化范围为E的两倍，即0 %~16%，同理得出EC的模糊区间。

2、根据复烤机出口水分的控制系统，采用三角隶属度函数计算E和EC的隶属度值。公式（1）和对应的曲线图如下：

（1）

图2 三角形隶属度函数示意图

3、通过E和EC的隶属度，根据PID控制的模糊规则表查出△Kp，△Ki，△Kd所对应的隶属度。

表1 △Kp，△Ki，△Kd所属隶属度规则表

4、采用重心法作为解模糊的计算方法，根据△Kp，△Ki，△Kd的隶属度值，计算△Kp，△Ki，△Kd的输出值。公式（2）如下：

（2）

z0为解模糊后的精确值；zi为模糊控制量论域内的值；为zi的隶属度值。

5、根据实际生产调整后的PID参数Kp，Ki，Kd值作为初始值，再将计算出的△Kp，△Ki，△Kd的值作为偏移量对Kp，Ki，Kd的值进行调整，然后将最终的Kp，Ki，Kd的值代入PID控制器，作为控制参数进行系统控制。

3.3分级控制

复烤机的出口水分控制，经模糊PID控制得到的输出值CV，变化范围为0%~100%。根据16组雾化喷嘴在复烤机回潮一区、二区、三区的分布情况和作用强度的差别，将16组喷嘴分别划分为不同的优先级，根据CV值的变化，顺序开启或关闭雾化喷嘴。

3.4料头处理

针对复烤机出口水分的料头控制，由于在过料的初始阶段，烟叶还未到达出口端时，出口水分检测为0，无法形成有效的反馈来进行PID控制，若此时不进行任何干预，极易造成出口水分的超调，造成水渍烟等严重质量问题。因此应在料头阶段进行预控制，首先根据上一批次在系统运行平稳时记录下当前的出口水分的输出值CV，然后作为下一批次生产时的料头CV值，在料头烟叶未达到出口时的PID输出预设值保持不变，待烟叶到达出口，出口水分检测达到规定范围内，再转入到正常的PID控制。

4.实际运行效果

根据相同模块，润叶、打叶工序采用相同的工艺要求进行控制的情况下，在相同工艺条件下对比控制策略改进前后的复烤机出口水分控制更加平稳，成片烟装箱水分合格率有原来的99.90%提高到99.95%，变异系数由原来的1.44%降低到1.40%，出口水分的控制水平显著提高。

图3 复烤机出口水分过程控制图

图4 复烤机改进前后的出口水分控制图

通过复烤回潮区加湿控制方式的改进，有效解决了原系统出口水分控制精度低的问题，通过实际使用认证，控制方式的改进取得了非常明显的效果，提高了烟叶物理保润性能和感官保润性能，改善了烟叶感官舒适度。同时提高了烟叶外观质量和内在品质。

5.结束语

采用常规的控制方法对复烤机出口水分进行控制，会由于调整不及时，跟踪滞后，稳定性差的问题，造成复烤机出口水分的频繁震荡，片烟含水率的合格率得不到保障。采用模糊PID和分级控制之后，出口水分的控制能力得到提升。对于工业过程控制，还有很多的控制方法和数学模型，如何根据具体的设备情况得到适合的数学模型，采用适合的控制策略，一直都是设备生产或使用厂商的研究方向。

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论文作者:包鑫海,周德荣

论文发表刊物:《电力设备》2020年第2期

论文发表时间:2020/4/30