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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