卷烟厂风力平衡系统的快速PID 控制方法

黄 辉，吴 松，王美斌

（江西中烟有限责任公司赣州卷烟厂，江西赣州 341000）

0 引言

随着科技水平的不断进步，人们对产品质量要求也不断提高，精细化生产越来越重要。烟草行业为提高产品质量与节能减排，各大烟厂纷纷引入了集中工艺风力平衡系统，以确保烟支生产过程中系统卷烟机负压的稳定供应。目前系统负压主要通过对调节装置开度的调节来控制负压大小[1]。装置开度与负压成一定比例关系，通常采用PID（Proportion Integration Differentiation，比例、积分、微分）控制调节方式。PID 控制方式具有很强适应性，不受环境以及元器件老化等影响，但也存在响应时间长和超调量大的问题。针对该问题，本文采用了一种自适应PID 快速调节方式，将传统经验控制与PID 控制相结合的G-PID 控制算法，缩短系统响应时间、降低系统超调量，以达到快速稳定负压的目的。

1 PID 控制

PID 控制是最早发展起来的控制策略之一[2]，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。PID 控制的传递函数为：

其中，KP为比例系数，Ti为积分时间常数，τ 为微分时间常数，三者都是可调参数。

PID 控制器的输出信号为：

其中，e（t）为t 时刻u（t）当前值与上一时刻值的差值，系统稳定在e（t）=0。

在实际应用中，通常采用增量式离散PID 控制方式。假设采用时间间隔为T，则在k 时刻：偏差为e（k）；积分为e（k）+e（k-1）+e（k-2）+…+e（0）；微分为（e（k）-e（k-1））/T。其控制方程为：

这样，就只需确定Kp、Kd、Ki参数即可。Kp、Kd、Ki数值的确定取决于被控量与反馈量。令被控量的最大值为a，反馈量的最大值为b，取Kp=0.618×a/b、Kd=0.3×Kp、Ki=0.5×Kp。

2 传统经验控制

经验控制[3]，也称为记忆控制，是一种应用广泛的控制方式。该控制方式把由随机控制得出的结果用于指导下一次的控制。经验控制根据以往数据，通过输入数值，直接输出控制结果，具有极快的系统响应速度。但系统的自适应性能力差，在系统出现扰动或者干扰时，无法保持控制系统的稳定性。

3 卷烟机负压控制

卷烟机负压，即VE 负压，直接影响烟支空投等工艺指标，稳定合适的VE 负压，可以提高烟支生产质量。通常选用PID 调节方式来控制负压的稳定，控制流程如图1 所示[1，4-5]。

图1 VE 负压控制流程

从图2 可以看出，系统通过PID 调节，VE 负压可稳定保持在目标值附近。但从初始值到目标值有一段较长的执行时间，大约在第113 步进入稳定区域，响应时间相对较长，且存在较大的超调量。

图2 改进前VE 负压的PID 控制曲线

4 G_PID 控制

为了提高系统响应速度，在实际运行过程中，将阀门开度与对应的VE 负压值进行记录，当输入目标VE 负压值时，系统立即执行相应的阀门开度。此时，实际系统负压与目标VE 已接近，再启动PID 调节，进一步控制其达到目标值。具体操作流程如下：

（1）建立数据块区。数据块大小根据所需的存储数据量来决定，通常将数据分为20 等份，数据块大小设置为80 个字节，即可存储20 个实数变量。

（2）对目标量及受控量进行归一化处理，将目标量全量程按等差数列对应数据块，并在数据块内存入受控量的数值（初始值均为0）。

（3）运行系统，输入目标量，确定目标量所对应的受控量，执行机构执行动作。执行机构动作到位后，系统开始执行PID 控制算法，使系统稳定在目标值附近。系统运行过程中，对数据块内存储的受控量数值进行更新。

图3 为G_PID 控制程序的封装，各参数含义见表1。

表1 G_PID 参数

图3 G_PID 控制程序

5 G_PID 控制结果

5.1 仿真结果

以某卷烟机为例，负压Pve为目标值，被控量负压调节阀开度为K。数据块命名为DB10，大小为80 个字节，可存储20 个实数型开度变量。令Pve的最大值为20 000 Pa，则20 个开度值分别对应1000 Pa，2000 Pa，3000 Pa，……，20 000 Pa。

启动系统，输入目标值为20 000 Pa（Pve最大值），20 000 Pa 对应DB10.DBD19 中的开度值（初始值为0），执行器将阀门开度（初始开度为0）执行到位，并记录此时的负压值。然后以Pve为目标值执行PID 控制，控制期间阀门会连续动作，负压随之连续变化。当负压从上一档变为转变为下一档时，将此时的开度值存入上一档负压值对应的数据地址，直到系统稳定。为了减少系统运行压力，只有当存储值与当前值相差超过最大值的2%时才执行存储操作，否则不执行存储指令。

将改变目标值大小为实际所需的10 000 Pa，执行器快速将阀门开度稳定到DB10.DBD10 所存储的开度，然后以10 000 Pa为目标值执行PID 控制，直到系统稳定在目标值。改进后的系统仿真曲线如图4 所示。

图4 改进后VE 负压的G_PID 控制曲线

从图4 的仿真结果可以看出，在采用G_PID 控制后，系统在第33 步进入系统允许误差内，达到系统稳定，且调节时间段，没有出现超调现象。

5.2 应用结果

采用此控制模式对风力平衡系统进行升级改造，通过取2#、3#、4#、5#卷烟机的压力数据进行前后对比，数据如图5～图8 所示。

图5 2#卷烟机改造前后压力曲线

图6 3#卷烟机改造前后压力曲线

图7 4#卷烟机改造前后压力曲线

图8 6#卷烟机改造前后压力曲线

从以上结果可以看出，改造前当系统工况发生变化时，机组在10～22 s 才恢复到正常波动范围内，且波动一般超过300 Pa。改造后系统工况变化时，2～5 s 就可以调节到正常范围内，且波动一般不超过200 Pa。

6 结论

对传统PID 控制原理进行分析，在PID 控制的基础上引入传统经验控制。通过Simulink 仿真，结果表明G_PID 控制方式切实可行。通过实际的工程应用，验证G_PID 控制方式极大地提高了系统响应速度，并有效减少了系统超调量，有利于系统负压稳定性，技术可以在其他烟厂推广应用。