本發明涉及煙草行業，特別是一種基于預測pi控制系統的片煙含水率控制方法。

背景技術：

在片煙生產過程中，預處理工藝是很重要的一個環節，該生產工藝段實現的最主要功能是對打葉復烤葉前的煙葉進行增穩正式處理，使片煙的溫度，濕度值達到規定的工藝技術指標。

滾筒式潤葉機控制目前最大的問題就是出口水分不夠穩定，潤葉過程的大滯后和不確定性使得對片煙含水率難以實現快速、準確的智能調節。在早期的控制中，主要依賴人工的手動調節—手動調節蒸汽閥門開度控制水分的變化。這樣煙葉的潤葉質量直接與操作員有關，手操作員經驗、疲勞程度、主觀因素影響較大，因此在潤葉過程中常常出現煙葉質量不穩定現象，控制效果因人而異?，F階段主要采用的控制方式為傳統的pid控制，pid控制時過程控制中最為經典的控制方法，pid調節器或其改進型在化工、冶金、機械和電力等工業過程控制領域中普遍應用。但是，在片煙含水率控制過程當中，由于片煙來料的牌號變化、滯后性、檢測干擾、環境參數變化以及水、料流量波動的影響，仍然會造成控制精度偏低，控制效果往往還不急人工操作效果，因此傳統的pid控制算法亟待改善。

技術實現要素：

針對所提到的問題，本發明提出了一種基于預測pi控制系統的片煙含水率控制方法，步驟包括：

1)所述預測pi控制系統獲取潤葉筒內片煙的水分值、進料流量信號和潤葉筒內溫度值；

2)所述預測pi控制系統根據調節器的輸出信號進行比較分析，調節水閥、蒸汽閥的開度以使所述潤葉筒出口水分值滿足要求，所述調節器的輸出信號為：

其中具有pi控制器的結構特征，為在τ時刻系統的輸出預期值是基于時間區域(t-τ，t)的控制作用，e(s)為偏差信號，k為初始增益，t為時間常數，e^-τs為延遲環節。

優選方案是：所述預測pi控制系統由潤葉筒、排潮系統、循環風系統、加料系統、儲水罐、管路系統組成。

優選方案是：所述潤葉筒的前后區域分別設置水閥和蒸汽閥，所述儲水罐中的水經過所述管路系統及所述水閥噴入所述潤葉筒內，對片煙加濕。

優選方案是：預測pi控制系統算法模型包括：

1)設定預測pi控制器的閉環傳遞函數為：

其中gc(s)為預測pi控制器的傳遞函數；gp(s)為被控對象的傳遞函數；

2)設定所述被控對象的傳遞函數為：

其中k為初始增益，t為時間常數，e^-τs為延遲環節；

3)設定所述預測pi控制器的閉環傳遞函數為：

其中α為可調參數，t為時間常數，e^-τs為延遲環節；

4)將公式2和公式3帶入公式1中，得出預測pi控制器的傳遞函數：

其中u(s)為調節器的輸出信號，e(s)為偏差信號，k為初始增益，t為時間常數，e^-τs為延遲環節；

5)根據公式4得出調節器的輸出信號為：

其中具有pi控制器的結構特征，可以解釋為在τ時刻系統的輸出預期值是基于時間區域(t-τ，t)的控制作用，根據α的取值不同，得到系統的相應曲線不同。

其中α為可調參數，t為時間常數，e^-τs為延遲環節，k為初始增益。

優選方案是：α為可調參數，調節其大小可以調節閉環系統響應的速度。當α＝1時，開環和閉環系統的時間常數相同；當α＞1時，閉環系統比開環系統響應慢；當α＜1時，閉環系統比開環系統響應快。

優選方案是：在保證系統具有較快的響應速度以及較小的超調量的情況下，選擇α為0.25。

優選方案是：根據經驗，對潤葉筒的水分模型取

本發明提供的基于預測pi控制系統的片煙含水率控制方法即具有傳統pi控制特性，同時也具有預測功能，用在類似于片煙含水率該類大滯后變化量中，仿真實驗及實際運用結果表明，預測pi控制器具有很好的魯棒性和快速跟蹤性能，計算量小，速度快，控制效果明顯優于傳統pid控制器。

附圖說明

圖1為siemensstep7自帶的pid控制塊示意圖；

圖2為單位負反饋控制系統示意圖；

圖3為預測pi控制器結構示意圖；

圖4為潤葉筒入口處煙葉水分變化曲線圖；

圖5為潤葉筒出口處煙葉水分變化曲線圖；

圖6為潤葉筒片煙出口含水率控制實際效果圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

一、滾筒潤葉機的結構與工作原理

片煙預處理貫通潤葉機主要由潤葉筒、排潮系統、循環風系統、加料系統、管路系統組成。片煙物料由筒前傳送帶運送到筒內，依靠簡體的轉動和筒內釘耙的作用，煙葉料在筒內翻滾并向后出料室逐步移動，出口處設置出口振篩，物料經振篩到下一個運送裝置，在打葉風分工藝段前端設電子皮帶秤，單位為kg/h。

潤葉筒的前后區域分別設置水閥和蒸汽閥，儲水罐中的水經過管路及水閥噴入筒內，對片煙加濕；蒸汽經過管路及氣閥噴入筒內，實現對片煙加熱及回潮處理，與物料進行熱交換，確保物料溫濕度均勻，處理過后的熱蒸汽與粉塵經排潮風機排到筒外。筒前和筒后分別設紅外水分儀一臺，測定筒前和筒后物料的實際水分值。

當設備啟動后，滾筒需先進行10-15分鐘預熱；當來料檢測光電管檢測到有物料送入時，則自動轉到啟動狀態；在連續供料的情況下，入口振篩應供給連續均勻的煙料，在出口水分值小于設定值的一半時，水泵以滿頻運行，當出口水分值達到設定值的一半時，系統轉入自動控制狀態；在運行過程中，若系統檢測到進料口無物料進入時，滾筒會中斷運轉一段時間，當又有物料進入時，系統轉入重新啟動狀態；若長時間物料中斷，系統則轉入快速倒料狀態；倒料完畢后，系統進入預熱狀態：當新一批物料及出口含水率正常后，系統又重新啟動轉入生產狀態。因此，可以將上述狀況概括的分為空料狀態(停止狀態、預熱狀態、冷卻狀態)和有料狀態(生產狀態、高速倒料狀態、重新啟動狀態)兩大類

二、片煙預處理關鍵設備概述及片煙出口水分控制常用方法

潤葉機自動加水控制方式分為自動和手動兩種。自動方式下，前后加水流量設定值自動計算，人工需輸入前加水比例和蒸汽含水量；手動方式下，前、后加水流量設定值均由人工輸入，同時不必再輸入前加水比例和蒸汽含水量。

加水總流量計算公式為：加水總流量＝(出口水分設定值-入口實際水分值)÷(100-出口設定水分值)*秤物料流量-蒸汽含水流量；單位kg/h。

在該控制過程中，借助siemensstep7自帶的pid控制塊，調用fb41連續pid控制來實現。如圖1所示，其中：

sp_int為設定值，如水分控制，為加水總量；

pv_in為過程值，通過加水流量計采集輸入；

pv_per為過程變量外設，即外圍設備的實際數值；

p_sel為比例分量，根據經驗值設定；

i_sel為積分分量，根據經驗值設定；

d_sel為微分分量，根據經驗值設定；

通過輸出值的轉化，配合水閥的開閉及加水水泵的泵頻來實現對水分的控制。

該種方法可以實現潤葉筒片煙出口水分的自動控制，但是控制相對滯后，特別是對片煙含水率變化這種大滯后控制對象，在煙草行業中很難達到精確化生產與管理。

本發明提出了一種基于預測pi控制系統的片煙含水率控制方法，步驟包括：

1)在預測pi控制系統中預先設置潤葉筒出口水分值、被控對象的數學模型、調節預測pi系統響應速度以及較小的超調量的調節參數值；

2)將采集到的潤葉筒入口水分值、進料流量信號、溫度值反饋到所述預測pi控制系統；

3)所述預測pi控制系統根據調節器的輸出信號為：

其中具有pi控制器的結構特征，為在τ時刻系統的輸出預期值是基于時間區域(t-τ，t)的控制作用，e(s)為偏差信號，k為初始增益，t為時間常數，e^-τs為延遲環節；

4)所述預測pi控制系統根據所述調節器的輸出信號進行自動比較分析，調節水閥、蒸汽閥的開度以使所述潤葉筒出口水分值滿足要求。

優選方案是：所述預測pi控制系統由潤葉筒、排潮系統、循環風系統、加料系統、儲水罐、管路系統組成。

優選方案是：所述潤葉筒的前后區域分別設置水閥和蒸汽閥，所述儲水罐中的水經過所述管路系統及所述水閥噴入所述潤葉筒內，對片煙加濕。

優選方案是：預測pi控制系統算法模型包括：

1)設定預測pi控制器的閉環傳遞函數為：

其中gc(s)為預測pi控制器的傳遞函數；gp(s)為被控對象的傳遞函數；

2)設定所述被控對象的傳遞函數為：

其中k為初始增益，t為時間常數，e^-τs為延遲環節；

3)設定所述預測pi控制器的閉環傳遞函數為：

其中α為可調參數，t為時間常數，e^-τs為延遲環節；

4)將公式2和公式3帶入公式1中，得出預測pi控制器的傳遞函數，：

其中u(s)為調節器的輸出信號，e(s)為偏差信號，k為初始增益，t為時間常數，e^-τs為延遲環節；

5)根據公式4得出調節器的輸出信號為：

其中具有pi控制器的結構特征，可以解釋為在τ時刻系統的輸出預期值是基于時間區域(t-τ，t)的控制作用，因此這種控制器被稱為預測pi控制器，如圖3所示，根據α的取值不同，得到系統的相應曲線不同，其中α為可調參數，t為時間常數，e^-τs為延遲環節，k為初始增益,。

優選方案是：α為可調參數，調節其大小可以調節閉環系統響應的速度。當α＝1時，開環和閉環系統的時間常數相同；當α＞1時，閉環系統比開環系統響應慢；當α＜1時，閉環系統比開環系統響應快。

優選方案是：在保證系統具有較快的響應速度以及較小的超調量的情況下，選擇α為0.25。

優選方案是：根據經驗，對潤葉筒的水分模型取

預測pi控制算法主要思想是將pi功能和預測功能有機結合起來，該算法既具有預測功能，又具有pi控制器功能。通過大量的試驗，表明預測pi控制器能夠有效地處理水分控制大滯后問題，在被控系統的參數發生變化時，預測pi控制器具有較強的魯棒性與可靠性。如圖2所示。

實施例

工業上最常見的模型為一階純滯后模型根據實際經驗，對潤葉筒水分模型取進行研究，則所述預測pi控制系統根據調節器的輸出信號為：

α的取值不同，得到的系統響應曲線也不同。在保證系統具有較快的響應速度以及較小的超調量的情況下，選擇α為0.25。

如圖4所示，潤葉筒入口水分值在21％左右波動，取波動值3％，即來料水分值在18％到24％之間，潤葉筒出口水分設定值為19％，在t＜1000之前，潤葉筒入口水分值為20.8％，且出口水分已經達到穩定；在t＝1000時，入口水分值編程18.2％；在t＝2200時，潤葉筒入口水分值變為23.2％。

如圖5所示，出口水分值在18.8％到19.1％之間，且跟蹤設定值的速度越快。這表明：在大滯后的控制系統中，即使在系統存在較大干擾，輸出也會較快地跟蹤設定值，而且控制作用平穩，系統具有良好的穩定性。

如圖6所示，直線為片煙水分設定值，曲線為過程值，在08:00:00-08:00:20為系統跟隨時間，跟隨時間較短，小于30s；08:00:20以后為系統穩定運行期，在穩定運行階段，潤葉筒的出口水分輸出比較平滑，波動較小，系統的抗干擾能力較強。

盡管本發明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發明的領域，對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發明并不限于特定的細節和這里示出與描述的圖例。