專利名稱：基于模型預測的烘絲機出口水分控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及烘絲機出口水分的自動控制技術及其實現(xiàn)方法。
背景技術：
卷煙廠制絲線的煙葉經(jīng)過葉預處理工序后進入烘絲工序，烘絲工序的主要目的之一就是對烘絲筒出口煙絲水分進行控制，烘絲筒采用飽和蒸汽和熱風對煙絲進行加熱，將煙絲中的水分蒸發(fā)，同時通過熱風將煙絲蒸發(fā)的水分帶走，從而達到控制煙絲水分的目的。目前的烘絲水分控制采用簡單PID算法并加以一些順序邏輯進行控制，各個控制回路之間相對獨立，協(xié)調(diào)性差，難以做到真正的閉環(huán)自動控制。由于在烘絲過程中影響煙絲出口水分的干擾因素多，如進料煙絲水分、進料煙絲流量、蒸汽壓力、排潮量、熱風溫度、風速等，而且該控制過程存在較強的非線性、不確定性、耦合性和滯后，存在主要問題在煙絲頭、尾段會出現(xiàn)水分控制波動相對較大，控制品質(zhì)的好壞和操作人員的經(jīng)驗、素質(zhì)以及責任心有關；在中間階段受外部干擾的影響大，調(diào)節(jié)時間長、控制波動大，需要人工干預，這樣的水分控制系統(tǒng)很難保證較高的控制精度要求和控制平穩(wěn)性，同時系統(tǒng)的改進和維護比較困難。出口水分波動影響了煙絲的內(nèi)在品質(zhì)，降低整體煙絲的質(zhì)量

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術問題在于提供一種基于模型預測的烘絲機出口水分控制方法，以解決上述背景技術中的缺點。本發(fā)明包含一種適用于烘絲機過程控制的智能集成優(yōu)化控制技術，可實現(xiàn)烘絲過程的綜合最優(yōu)化及自動化，針對不同階段的生產(chǎn)過程及不同的生產(chǎn)工藝模式，構建能描述依存于進料量與進料水分的過程動態(tài)特性的各類模型及其優(yōu)化方法，并以此模型為基礎開發(fā)出能適應進料量與進料水分變化、并具有克服烘絲過程中變量間相互干擾及各種不確定性因素影響的、具有自適應、自調(diào)節(jié)功能的優(yōu)化控制算法。以達到滿足對于不同生產(chǎn)階段出口煙絲水分的嚴格要求的目標。一種基于模型預測的烘絲機出口水分控制方法，將烘絲機出口水分控制系統(tǒng)分為三個過程干頭過程，中間過程和干尾過程，使出口水分盡快進入設定值±0. 5%的穩(wěn)定狀態(tài)，加快水分上升的速度，減少干頭部分“干煙絲”的量；在中間階段，保持出口水分穩(wěn)定在設定值附近；在干尾階段前期，盡量使煙絲穩(wěn)定在設定值上，不要使煙絲的出口水分過早地下降，減少干尾部分“干煙絲”的量，步驟如下
(1)、針對頭部生產(chǎn)過程無出口水分檢測信號的特點，基于煙草物料干燥機理，采用非參數(shù)模型建模的思想，通過對幾條輸入曲線采樣得到若干個點，從而將一段曲線的影響轉化為若干個采樣點的影響，構建依存于進料量與進料水分的筒溫、風溫、排潮風門、入口流量等工藝變量的基于RBF-ARX模型的設定模型；
(2)、根據(jù)所設置的各輸入量(排潮風門，筒溫，風溫和入口流量)的起點、終點的限制值和期望的出口水分的輸出曲線，計算出各輸入量的最優(yōu)設定曲線，使干頭過程中的操作變量按照優(yōu)化設定曲線變化。并根據(jù)來料情況自校正工藝變量設定模型的模型參數(shù)、提高其對于頭部烘絲過程的自適應能力，設計自調(diào)整模糊跟蹤控制算法使頭部烘絲過程出口水分快速達到設定值，以減少干頭葉絲、達到滿意的跟蹤控制效果及對不同來料流量及含水率的自適應能力；
(3)、對于中間連續(xù)生產(chǎn)過程，本發(fā)明采用RBF-ARX模型結構，建立依存于來料煙絲流量與水分的烘絲過程動態(tài)特性模型，以所構建的烘絲過程RBF-ARX模型為預測模型，考慮到不同工藝模式、不同操作模式的要求，設計出口煙絲水分的在線智能預測優(yōu)化控制算法;
(4)、RBF-ARX預測控制器通過對出料端水分儀檢測的水分值與設定水分值比較在線計算出熱風風量和排潮風量的最優(yōu)值；熱風風量風門以RBF-ARX預測控制輸出的熱風風量最優(yōu)值為設定值，自動控制伺服氣缸調(diào)節(jié)熱風風量風門開啟度的大?。慌懦憋L量風門以RBF-ARX預測控制輸出的排潮風量最優(yōu)值為設定值，自動控制伺服氣缸調(diào)節(jié)排潮風量風門開啟度的大??；筒溫蒸汽閥根據(jù)筒體設定溫度值與溫度傳感器檢測的筒體溫度值比較，自動跟蹤調(diào)節(jié)氣動薄膜調(diào)節(jié)閥開啟度的大小，控制蒸汽流量，并最終穩(wěn)定在筒體設定溫度值附近；加熱系統(tǒng)上伺服氣缸根據(jù)熱風設定溫度值與溫度傳感器測量的熱風溫度值比較，自動跟蹤調(diào)節(jié)，并最終穩(wěn)定在熱風設定溫度值附近；
(5)、針對尾部生產(chǎn)過程無入口來料即時信號但有歷史來料量及水分信號的特點，基于煙草物料干燥機理，構建依存于進料量與進料水分的筒溫、風溫、排潮風門、筒體轉速等工藝變量的設定模型；
(6)、根據(jù)所設置的各輸入量(排潮風門，筒溫，風溫和筒體電機頻率)的起點、終點的限制值和期望的出口水分的輸出曲線，計算出各輸入量的最優(yōu)設定曲線，使干尾過程中的操作變量按照優(yōu)化設定曲線變化，并根據(jù)來料情況自校正工藝變量設定模型的模型參數(shù)、提高其對于尾部烘絲過程的自適應能力，采用自調(diào)整模糊跟蹤控制算法使尾部烘絲過程出口水分盡可能維持在設定值，以減少干尾葉絲、達到滿意的跟蹤控制效果及對不同來料流量及含水率的自適應能力；
(7)、干頭、中間過程以及干尾過程的動態(tài)特性建模采用RBF-ARX模型結構。各模型利用歷史數(shù)據(jù)、通過離線方式進行模型結構和參數(shù)的優(yōu)化；
(8)、基于所構建的干頭、干尾過程動態(tài)特性模型，在線優(yōu)化干頭、干尾過程中的筒溫、排潮風門等各工藝變量的設定值模型，以適應來料情況的變化；
(9)、通過運用嵌入式PC技術的模塊化嵌入式控制器系統(tǒng)實現(xiàn)烘絲過程智能集成優(yōu)化控制運算，達到基于模型預測的烘絲機出口水分控制。 有益效果
本發(fā)明具有以下優(yōu)點
1、可實現(xiàn)烘絲過程控制的自動化，避免在生產(chǎn)過程中的人工干預；
2、控制精度高且具有很強的克服現(xiàn)場各種干擾的能力，可使頭尾段的出口水分控 制在設定值的±0. 5%以內(nèi)、中間段的出口水分控制在設定值的±0. 2%以內(nèi)且標準偏差(0.10%、可快速抑制各種干擾引起的出口水分波動；可最大限度地減少頭尾段的干煙絲量，可使頭部干煙絲量小于來料流量的O. 7%0 (干煙絲為水分< 7%的煙絲)、尾部干煙絲量小于來料流量的I. 4%o (干煙絲為水分< 7%的煙絲)，可極大地減少煙絲的浪費和造碎，能夠適用于不同牌號的煙絲，可在工業(yè)PLC級的嵌入式PC控制系統(tǒng)中實現(xiàn)，可滿足實際工業(yè)應用的要求。


圖I為烘絲機過程變量時序關系說明。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的技術手段、創(chuàng)作特征、工作流程、使用方法達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實 施例，進一步闡述本發(fā)明。I、烘絲機過程變量時序關系如圖I所示。煙絲從上一道工序到來之前，先在距離烘絲機滾筒較遠的位置、也就是U4的位置檢測此時的煙絲瞬時流量值；經(jīng)過NK時間之后，來到u5的位置檢測此時的入口水分值；再經(jīng)過nkl的時間，煙絲才進入滾筒，在滾筒中運行的過程，會在每一個采樣時刻檢測此時的排潮風門、熱風溫度、筒體溫度和筒體電機頻率等；最后經(jīng)過nk2的時間，煙絲出筒，檢測出口水分。煙絲從有流量檢測值(u4)起到檢測到出口水分(y)，經(jīng)歷了較長的時間，在干頭前期這么長的時間段中，整個系統(tǒng)有輸入變量可被檢測到，但沒有輸出量(出口水分)被檢測到。而在干尾段煙絲斷流之后，系統(tǒng)會沒有入口流量、入口水分這兩個輸入變量，但有輸出變量。因此，就是一個具有很大時滯的系統(tǒng)，并可將烘絲過程分為三個過程干頭過程，中間過程和干尾過程。i)干頭過程從檢測到入口流量的時刻起到出口水分基本穩(wěn)定在設定值時止。ii)中間過程當出口水分穩(wěn)定后，即進入中間過程。iii)干尾過程當入口流量由正常值變?yōu)镺時，標志著干尾過程開始，當出口水分下降到3%時，標志著整個烘絲過程結束。2、烘絲機出口水分受到檢測到這一點的入口水分和入口流量的影響(但存在一個很大的延遲)，還受到在滾筒中較長時間的筒溫、風溫、排潮風門的影響。為此，采用RBF-ARX建模方法，構建干頭、中間過程及干尾階段的烘絲過程動態(tài)模型。RBF-ARX模型是一種具有線性ARX模型結構的非線性時變模型。它的自變量是一組表征系統(tǒng)非線性狀態(tài)的信號量，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡結構對模型參數(shù)進行實時在線調(diào)整。與線性ARX模型類似，RBF-ARX模型在局部的線性區(qū)間內(nèi)有著優(yōu)越的近似效果，另外它的參數(shù)能自己更新、自調(diào)整。因此，它還有全局適應的特性。在本發(fā)明中，采用高斯核的RBF網(wǎng)絡來逼近狀態(tài)相依ARX模型中的函數(shù)系數(shù)。3、用于構建干頭過程動態(tài)特性模型的高斯核RBF-ARX模型的結構如下
}<β) = Φ + —1> + Φ；>'( — -)- + — no)
+ C^lJi, U(t — I* samph) + B-,U(t ~2* sample) + ... + 5. kU(t — nh * sample)
44 CD
+ u4(t — NK — Kk1 —I* sample) + …+ #4(i — NK - nh — nb * sample)
+ b{u5 (t — Kk1 — I * iiWfpte)+... + (t — nkt — nb* sample)
其中，
權利要求
1.一種基于模型預測的烘絲機出口水分控制方法，將烘絲機出口水分控制系統(tǒng)分為三個過程干頭過程，中間過程和干尾過程，使出口水分盡快進入設定值±0. 5%的穩(wěn)定狀態(tài)，加快水分上升的速度，減少干頭部分“干煙絲”的量；在中間階段，保持出口水分穩(wěn)定在設定值附近；在干尾階段前期，盡量使煙絲穩(wěn)定在設定值上，不要使煙絲的出口水分過早地下降，減少干尾部分“干煙絲”的量，其特征在于，步驟如下 (1)、針對頭部生產(chǎn)過程無出口水分檢測信號的特點，基于煙草物料干燥機理，采用非參數(shù)模型建模的思想，通過對幾條輸入曲線采樣得到若干個點，從而將一段曲線的影響轉化為若干個采樣點的影響，構建依存于進料量與進料水分的筒溫、風溫、排潮風門、入口流量等工藝變量的基于RBF-ARX模型的設定模型； (2)、根據(jù)所設置的各輸入量的起點、終點的限制值和期望的出口水分的輸出曲線，計算出各輸入量的最優(yōu)設定曲線，使干頭過程中的操作變量按照優(yōu)化設定曲線變化，根據(jù)來料情況自校正工藝變量設定模型的模型參數(shù)、提高其對于頭部烘絲過程的自適應能力，設計自調(diào)整模糊跟蹤控制算法使頭部烘絲過程出口水分快速達到設定值，以減少干頭葉絲、達到滿意的跟蹤控制效果及對不同來料流量及含水率的自適應能力； (3)、對于中間連續(xù)生產(chǎn)過程，本發(fā)明采用RBF-ARX模型結構，建立依存于來料煙絲流量與水分的烘絲過程動態(tài)特性模型，以所構建的烘絲過程RBF-ARX模型為預測模型，考慮到不同工藝模式、不同操作模式的要求，設計出口煙絲水分的在線智能預測優(yōu)化控制算法; (4)、RBF-ARX預測控制器通過對出料端水分儀檢測的水分值與設定水分值比較在線計算出熱風風量和排潮風量的最優(yōu)值；熱風風量風門以RBF-ARX預測控制輸出的熱風風量最優(yōu)值為設定值，自動控制伺服氣缸調(diào)節(jié)熱風風量風門開啟度的大??；排潮風量風門以RBF-ARX預測控制輸出的排潮風量最優(yōu)值為設定值，自動控制伺服氣缸調(diào)節(jié)排潮風量風門開啟度的大??；筒溫蒸汽閥根據(jù)筒體設定溫度值與溫度傳感器檢測的筒體溫度值比較，自動跟蹤調(diào)節(jié)氣動薄膜調(diào)節(jié)閥開啟度的大小，控制蒸汽流量，并最終穩(wěn)定在筒體設定溫度值附近；加熱系統(tǒng)上伺服氣缸根據(jù)熱風設定溫度值與溫度傳感器測量的熱風溫度值比較，自動跟蹤調(diào)節(jié)，并最終穩(wěn)定在熱風設定溫度值附近； (5)、針對尾部生產(chǎn)過程無入口來料即時信號但有歷史來料量及水分信號的特點，基于煙草物料干燥機理，構建依存于進料量與進料水分的筒溫、風溫、排潮風門、筒體轉速等工藝變量的設定模型； (6)、根據(jù)所設置的各輸入量(排潮風門，筒溫，風溫和筒體電機頻率)的起點、終點的限制值和期望的出口水分的輸出曲線，計算出各輸入量的最優(yōu)設定曲線，使干尾過程中的操作變量按照優(yōu)化設定曲線變化，并根據(jù)來料情況自校正工藝變量設定模型的模型參數(shù)、提高其對于尾部烘絲過程的自適應能力，采用自調(diào)整模糊跟蹤控制算法使尾部烘絲過程出口水分盡可能維持在設定值，以減少干尾葉絲、達到滿意的跟蹤控制效果及對不同來料流量及含水率的自適應能力； (7)、干頭、中間過程以及干尾過程的動態(tài)特性建模采用RBF-ARX模型結構，各模型利用歷史數(shù)據(jù)、通過離線方式進行模型結構和參數(shù)的優(yōu)化； (8)、基于所構建的干頭、干尾過程動態(tài)特性模型，在線優(yōu)化干頭、干尾過程中的筒溫、排潮風門等各工藝變量的設定值模型，以適應來料情況的變化；(9)、通過運用嵌入式PC技術的模塊化嵌入式控制器系統(tǒng)實現(xiàn)烘絲過程智能集成優(yōu)化控制運 算，達到基于模型預測的烘絲機出口水分控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于模型預測的烘絲機出口水分控制方法針對煙葉烘絲機在工作過程中復雜的狀態(tài)變化及生產(chǎn)工藝模式多樣性的特點,構建基于智能預測模型和人工智能操作模式的烘絲機智能集成優(yōu)化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)烘絲過程的綜合最優(yōu)化及自動化。針對生產(chǎn)過程的不同階段及不同的生產(chǎn)工藝模式，構建能描述依存于進料量與進料水分的過程動態(tài)特性的模型。以此模型為基礎，設計出可同時或有選擇地調(diào)節(jié)多個工藝變量、能適應進料量與進料水分變化、具有克服烘絲過程中變量間相互干擾及各種不確定性因素影響、具有自適應、自調(diào)節(jié)功能的在線優(yōu)化控制算法，可滿足不同工況下對出口煙絲水分的嚴格要求。
文檔編號A24B9/00GK102871214SQ20121037626
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月8日 優(yōu)先權日2012年10月8日
發(fā)明者王小飛, 楊玉波, 彭輝, 楊洪藝, 李中鋒, 郭克松, 張海軍, 彭曉燕, 王文格, 劉斌 申請人:秦皇島煙草機械有限責任公司