烟草工艺过程中组合积分系统的应用探讨

王凤玲 王宾 王长杰

摘要：烟草工艺在以往过程中所应用的方法主要是人工智能以及PID等，这些方法具有一定的缺陷无法有效控制组合积分系统，控制的精度也非常低，最低只能将烘丝出口含水率控制在0.5%的范围。本文在此设计了在烟草工艺过程中，如何应用组合积分系统，然后对该方法的特点等进行分析，以为更好的应用该方法提供理论指引。

关键词：烟草工艺；组合积分系统；含水率

引言

作为一种新型的过程系统，组合积分系统的本质是开环稳定且可将被近似成一阶对象。比如通常情况下，烟草工艺都可以被认为是一阶时滞对象。以往的控制策略虽然在一定程度上可以满足生产需求，但是伴随工业化进程的加快，这些控制方式无法较好的控制组合积分对象，实现的精度非常低，能够控制的烘丝出口含水率比较有限，在很多情况下都无法实现闭环控制。因此，本文在此探讨新的控制方法。

一、烟草行业的组合积分系统

就组合积分而言，其针对的对象时开环稳定的对象，所传递的函数主要包括两个或以上的积分时滞对象。通常情况下，组合积分的对象主要有四种类型。在烘丝过程中，其出口含水率的过程可以应用组合积分系统的传递函数进行表示。通过传送带将烟丝传送到滚筒时，滚筒设有夹套，然后通入中压蒸汽，对筒内的空气和烟丝进行加热。由于滚筒不断的旋转，加上热风所产生的作用，使得烟丝不断的向前移动，进而实现脱水的目的。在这一过程中，被控制的变量也就是烟丝的出口含水率。如果把通入的中压蒸汽的阀位设计成一个跃阶，保持出口含水率大约一分钟以后，就会缓缓的直线下降，最终趋于稳定状态。而下降的时间主要和热风的速度以及滚筒的旋转速度有关。

对于润风和润叶而工序而言，其含水率的过程和传递函数比较相似。但是加热方式有很大不同，各个系统的加热方式都会存在一定的差异。对于膨胀烟丝而言，其出口含水率的过程的传递函数属于比较典型的类型。在膨胀烟丝的入口点和旋转的滚筒之间存在一个高压水喷头，该喷头会将高压水以雾状形式喷出，然后由烟丝所吸收[1]。对于打叶复烤厂回潮工段，其出口含水率的过程也比较典型，在对其进行控制时主要包含这样几个部分。总流量由一个调节总阀进行控制，各个部分的水流量主要由手动进行控制。传送带会将烟叶分数输送到回潮工段的各个部分，通过对手动阀门进行调整，达到控制水流量的目的，进而满足该工艺的生产要求。

二、组合积分系统控制算法

组合积分系统即便没有模型失配，也不管如何整定PID控制器，都经常会出现系统阶跃响应失调的情况，有可能是响应比较慢，也有可能是响应无法达到设定的点，无法实现响应速度和鲁棒稳定性的平衡。假设并不存在滞后的组合积分系统，也没有PID控制器。可以采用新的整定方法，整定PID的最优参数。为更好的进行比较，可以设置几组PID参数。但是不管如何整定PID参数，都无法实现稳定性和响应速度的平衡。为更好的解决该问题，并且对积分的特殊性加以考虑，以模型为基础构建一种新的算法，进而对控制器的传递函数进行推导。

由于比例的作用，控制器会设置一个初始阶跃响应，并在特定的时间段内保持不变，此后变积分會发挥其作用，使得初始跃阶不断上升，再在稳定积分的影响下，实现平稳的上升[2]。所以，在此情况下，控制器不仅具有PI控制器的典型特征变积分作用，而且可以进行预测，因此可以将其称为伪预测PID控制器。该控制器主要有3个参数，分别是过程的稳态增益、上升的时间和纯滞后时间。根据设计程序所具有的相似性，可以对组合积分系统的控制器传递函数进行推导。可以发现，新的伪预测PID控制算法使得系统的闭环阶跃响应性能得到了极大的改善。在过程对象出现变化的情况下，就会存在严重的模型失配现象。而就控制性能来说，新的控制算法要优于PID控制器。

三、应用情况分析

烘丝过程的出口含水率指标，具有一定的复杂性，控制起来比较困难。与中压蒸汽的阀位相比，可以将其传递函数近似成组合积分系统。为防止中压蒸汽压力影响烘丝筒的温度，可以从中引入温度控制器回路，然后按照串级控制模式进行设计，并且还应设置前馈补偿环节，对总脱水量发生变化而导致的干扰进行补偿。为在控制烘丝含水量的过程中更好的应用新的控制算法，需要构建新的传递函数模型，无需建立单独的含水率模型。

在控制器的输出上加入一系列跃阶信号，进而将中压蒸汽的阀位而不断的进行调整。为确保在工艺要求的范围内控制出口含水率，将跃阶幅度控制在10以下的水平。在一些情况下，跃阶测试的信号出现不规则的情况，主要是由于人工进行的干预，目的是预防出口超出工艺条件。而通常情况下，温度会比较快的响应，纯滞后并不显著，并且能够发现控制器的输出响应呈现出一阶特性。然后采用最小二乘法，可以得出相应的传递函数。

在卷烟厂实际应用该控制策略时，发现控制性能提升的非常明显。在正常生产条件下，原来的控制方案能够对出口含水率的控制在0.5%上下的水平，而在一些不正常的生产条件下，比如在进料含水率出现比较大的变化情况时，能够控制的精度则是1%上下。为防止出现更大的波动，必须要使用新的控制方案，进而控制好出口含水率。在此情况下，取得了非常好的控制作用，出口含水率的变化幅度非常小。

结语

以往烟草工艺中所使用的方法在当前时期已经无法满足实际生产的需要，必须要应用新的算法，本文对此进行分析。并且认为在新的模式下，取得了非常显著的控制效果。在实际应用中，还要结合实际情况不断进行优化，以提升该算法的适用性。

参考文献：

[1]任正云，郑达，罗平.组合积分系统在烟草工艺过程中的应用[J].烟草科技，2017，42（11）：23-26.

[2]罗平.组合积分系统研究及应用[D].东华大学，2016.