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摘 要:烟草工艺过程中采用常规的PID控制算法或人工智能方法等,不能对组合积分系统进行有效控制,控制精度低,烘丝出口含水率仅能控制在±0.5%范围内,抗干扰能力差。基于模型预测控制的基本原理,设计了烟草工艺过程中组合积分系统的新型控制算法,分析了该算法的传递函数及特点。新的控制方案在烘丝含水率控制过程中的应用表明,可以将出口含水率控制在±0.3%范围内,提高了控制精度;当总脱水量发生变化产生干扰时,仍能保证出口含水率的稳定。
关键词:组合积分系统、烟草工艺、应用
一、前言
组合积分系统是新型的过程系统,在本质上是开环稳定的,并可通过将时滞项用一阶Pade近似而将其近似为一阶对象。例如,烟草工艺过程通常被视为一阶时滞对象,采用常规的PID控制算法、Smith预估算法或内模控制算法等。这些控制策略在某种程度上满足了目前工业生产的需要,但随着现代工业的快速发展,传统的控制方式已不适用于组合积分对象的控制,控制精度低,烘丝出口含水率仅能控制在±0.5%范围内,甚至难以进行闭环控制。为此,针对烟草行业的工艺过程设计了组合积分系统的新型控制算法。
二、烟草行业中的组合积分系统
定义:组合积分对象是一类开环稳定对象,其传递函数由两个或多个积分时滞对象组成。一般情况下,有4种典型的组合积分对象。
烘丝过程的出口含水率过程(相对于筒壁蒸汽加热的阀位)具有传递函数。比如烟丝由传送带A输送到滚筒B,滚筒B有夹套,通入中压蒸汽D加热筒内烟丝与空气。烟丝在滚筒的旋转和热风作用下向前移动,并脱去水分。被控变量是位于C的烟丝出口含水率,假如将通入的中压蒸汽D的阀位做一个阶跃,出口含水率将保持不变约1 min,然后稳定地直线下降,直到达到一个新的稳态值。下降时间依赖于滚筒旋转的速度以及热风速度。
润风、润叶工序出口含水率过程具有相同类型的传递函数。由于加热方式不同,这些系统的加热方式有细微的差别。卷烟厂膨胀烟丝出口含水率过程(相对于加水的阀位)的传递函数可以简化形式。比如A是膨胀烟丝的入口点, B是旋转的滚筒,在其中间有一系列的高压水喷头,高压水以雾状形式从喷头中喷出,被烟丝均匀地吸收。
打叶复烤厂回潮工段的出口含水率过程(相对于加水调节总阀),出口含水率控制过程分为几部分,由一个调节总阀控制总流量,手动控制各部分的水流量。比如A为以一定速度从右至左移动的传送带,B为回潮室,C为水流量调节总阀,D为出口含水率测量点。烟叶经过传送带依次输送到回潮工段的各部分,通过改变各部分的手动阀调整水流量,以满足工艺要求。
三、组合积分系统的先进控制算法
对于组合积分系统,即使是无模型失配,不管PID控制器如何整定,系统的阶跃响应经常出现超调、响应慢或很长时间都难于达到设定点,难以在响应速度与鲁棒稳定性之间达到平衡。
假定无纯滞后的组合积分系统和PID控制器的结构分别为1/s(1-e-10s)、Gc=1/Kp[1+1Tis]。运用Ziegler-Nichols (Z-N)[3]整定方法,PID的最优整定参数为KP=10,Ti=20。为了比较方便,其它几组PID参数也同時给出。无论PID参数如何整定,都不能在响应速度和稳定性之间达到平衡。为了解决这一问题,考虑到组合积分对象的特殊性,设计了一种基于模型的控制算法。
四、实际工业应用
烘丝过程的出口含水率是一个比较复杂难以控制的变量,是一种较典型的组合积分系统。为了克服中压蒸汽压力对烘丝筒温度的影响,引入一个温度控制回路,将整个系统设计为串级控制模式,同时还设计了一个前馈补偿环节补偿由于总脱水量变化引起的干扰。
为了将新的控制算法应用到烘丝含水率控制过程,需要建立Gp2(s)和Gp2(s)Gp1(s)的传递函数模型。不必建立单独的含水率模型Gp1(s),通过下面的测试便可获得Gp2(s)和Gp2(s)Gp1(s)的模型。
首先,将一系列阶跃信号叠加在控制器Gc2(s)的输出上,也就是不断改变中压蒸汽的阀位。为了保证出口含水率在工艺要求范围内,这些阶跃的幅度限制在10以下(阀位的范围在0~100之间)。阶跃测试信号并不规则,这是为了防止出口超出工艺条件而实行的人工干预。温度响应比较快,没有显著的纯滞后,同时还可以看出温度相对于控制器Gc2(s)输出的响应大致为一阶特性。建立了Gp2(s)和Gp1(s)Gp2(s)的数学模型后,就可以设计Gc1(s)和Gc2(s)。假设Gc2(s)控制器具有PI控制器的结构,并假设温度系统的开环响应与闭环响应一致。将Gc1(s)以1s的时间离散化,得到控制器的离散表达形式:
Gp1(s)和Gp2(s)分别是出口含水率过程和温度过程的传递函数;Gc1(s)和Gc2(s)分别为水分控制器与温度控制器;d1、d2分别是含水率过程与温度过程的干扰;Gd(s)是干扰d1作用于水分通道的传递函数; Gff(s)为前馈补偿环节。
式中:u一控制器的输出; e一设定值与实际测量值之间的误差;n一离散的采样时间。
从上述式子可以看出,该控制器在现场实现简单,不足之处在于需要较大的存储空间储存从u(n)到u(n-360)控制器过去时间的输出。
五、应用效果
该控制策略控制性能显著提高。原控制方案在正常生产条件下,出口含水率控制精度为±0.5%;在非正常生产条件下,如进料含水率变化较大时,出口含水率控制精度仅为±1.0%。同时为了避免大幅度的波动,原有控制器控制作用微弱,对于出口含水率设定值的改变响应缓慢。新的控制方案在任何生产条件下,出口含水率均能控制在±0.3%以内。
参考文献:
[1]常明升.基于PLC控制的混丝掺配系统的应用[J].成组技术与生产现代化,2010,27(4):18-20.
[2]吴景华,宋成照,徐飞.PLC 控制烟草切丝工艺的改进[J].自动化应用,2012,3:48-49.
[3]吴仲阳.烟草企业自动化建设的发展趋势[J].科技资讯,2012,23:165
关键词:组合积分系统、烟草工艺、应用
一、前言
组合积分系统是新型的过程系统,在本质上是开环稳定的,并可通过将时滞项用一阶Pade近似而将其近似为一阶对象。例如,烟草工艺过程通常被视为一阶时滞对象,采用常规的PID控制算法、Smith预估算法或内模控制算法等。这些控制策略在某种程度上满足了目前工业生产的需要,但随着现代工业的快速发展,传统的控制方式已不适用于组合积分对象的控制,控制精度低,烘丝出口含水率仅能控制在±0.5%范围内,甚至难以进行闭环控制。为此,针对烟草行业的工艺过程设计了组合积分系统的新型控制算法。
二、烟草行业中的组合积分系统
定义:组合积分对象是一类开环稳定对象,其传递函数由两个或多个积分时滞对象组成。一般情况下,有4种典型的组合积分对象。
烘丝过程的出口含水率过程(相对于筒壁蒸汽加热的阀位)具有传递函数。比如烟丝由传送带A输送到滚筒B,滚筒B有夹套,通入中压蒸汽D加热筒内烟丝与空气。烟丝在滚筒的旋转和热风作用下向前移动,并脱去水分。被控变量是位于C的烟丝出口含水率,假如将通入的中压蒸汽D的阀位做一个阶跃,出口含水率将保持不变约1 min,然后稳定地直线下降,直到达到一个新的稳态值。下降时间依赖于滚筒旋转的速度以及热风速度。
润风、润叶工序出口含水率过程具有相同类型的传递函数。由于加热方式不同,这些系统的加热方式有细微的差别。卷烟厂膨胀烟丝出口含水率过程(相对于加水的阀位)的传递函数可以简化形式。比如A是膨胀烟丝的入口点, B是旋转的滚筒,在其中间有一系列的高压水喷头,高压水以雾状形式从喷头中喷出,被烟丝均匀地吸收。
打叶复烤厂回潮工段的出口含水率过程(相对于加水调节总阀),出口含水率控制过程分为几部分,由一个调节总阀控制总流量,手动控制各部分的水流量。比如A为以一定速度从右至左移动的传送带,B为回潮室,C为水流量调节总阀,D为出口含水率测量点。烟叶经过传送带依次输送到回潮工段的各部分,通过改变各部分的手动阀调整水流量,以满足工艺要求。
三、组合积分系统的先进控制算法
对于组合积分系统,即使是无模型失配,不管PID控制器如何整定,系统的阶跃响应经常出现超调、响应慢或很长时间都难于达到设定点,难以在响应速度与鲁棒稳定性之间达到平衡。
假定无纯滞后的组合积分系统和PID控制器的结构分别为1/s(1-e-10s)、Gc=1/Kp[1+1Tis]。运用Ziegler-Nichols (Z-N)[3]整定方法,PID的最优整定参数为KP=10,Ti=20。为了比较方便,其它几组PID参数也同時给出。无论PID参数如何整定,都不能在响应速度和稳定性之间达到平衡。为了解决这一问题,考虑到组合积分对象的特殊性,设计了一种基于模型的控制算法。
四、实际工业应用
烘丝过程的出口含水率是一个比较复杂难以控制的变量,是一种较典型的组合积分系统。为了克服中压蒸汽压力对烘丝筒温度的影响,引入一个温度控制回路,将整个系统设计为串级控制模式,同时还设计了一个前馈补偿环节补偿由于总脱水量变化引起的干扰。
为了将新的控制算法应用到烘丝含水率控制过程,需要建立Gp2(s)和Gp2(s)Gp1(s)的传递函数模型。不必建立单独的含水率模型Gp1(s),通过下面的测试便可获得Gp2(s)和Gp2(s)Gp1(s)的模型。
首先,将一系列阶跃信号叠加在控制器Gc2(s)的输出上,也就是不断改变中压蒸汽的阀位。为了保证出口含水率在工艺要求范围内,这些阶跃的幅度限制在10以下(阀位的范围在0~100之间)。阶跃测试信号并不规则,这是为了防止出口超出工艺条件而实行的人工干预。温度响应比较快,没有显著的纯滞后,同时还可以看出温度相对于控制器Gc2(s)输出的响应大致为一阶特性。建立了Gp2(s)和Gp1(s)Gp2(s)的数学模型后,就可以设计Gc1(s)和Gc2(s)。假设Gc2(s)控制器具有PI控制器的结构,并假设温度系统的开环响应与闭环响应一致。将Gc1(s)以1s的时间离散化,得到控制器的离散表达形式:
Gp1(s)和Gp2(s)分别是出口含水率过程和温度过程的传递函数;Gc1(s)和Gc2(s)分别为水分控制器与温度控制器;d1、d2分别是含水率过程与温度过程的干扰;Gd(s)是干扰d1作用于水分通道的传递函数; Gff(s)为前馈补偿环节。
式中:u一控制器的输出; e一设定值与实际测量值之间的误差;n一离散的采样时间。
从上述式子可以看出,该控制器在现场实现简单,不足之处在于需要较大的存储空间储存从u(n)到u(n-360)控制器过去时间的输出。
五、应用效果
该控制策略控制性能显著提高。原控制方案在正常生产条件下,出口含水率控制精度为±0.5%;在非正常生产条件下,如进料含水率变化较大时,出口含水率控制精度仅为±1.0%。同时为了避免大幅度的波动,原有控制器控制作用微弱,对于出口含水率设定值的改变响应缓慢。新的控制方案在任何生产条件下,出口含水率均能控制在±0.3%以内。
参考文献:
[1]常明升.基于PLC控制的混丝掺配系统的应用[J].成组技术与生产现代化,2010,27(4):18-20.
[2]吴景华,宋成照,徐飞.PLC 控制烟草切丝工艺的改进[J].自动化应用,2012,3:48-49.
[3]吴仲阳.烟草企业自动化建设的发展趋势[J].科技资讯,2012,23:165