電加熱新型卷煙煙具溫度對象分析

徐宏 陳焰 湯建國 鄭緒東

摘要電加熱新型卷煙有降焦減害作用，其中加熱溫控系統(tǒng)為電加熱新型卷煙煙具的核心。煙具主要存在起煙速度慢、發(fā)煙性能差等缺陷。采用階躍響應法對煙具溫度對象溫度階躍響應信號進行辨識，得煙具加熱溫度對象為一階慣性純滯后系統(tǒng)，并對煙具加熱溫度對象控制算法進行優(yōu)化改進與仿真。仿真結(jié)果表明：改進的煙具溫度對象加熱延時時間縮短38.1%，溫度上升時間縮短29.8%，調(diào)節(jié)時間縮短24.8%。研究可加快煙具起煙速度，提高發(fā)煙性能，降低系統(tǒng)的功耗，延長電池壽命，為煙具電路改進、開發(fā)提供理論指導。

關鍵詞新型卷煙；電加熱；煙具；溫度對象；階躍響應；慣性；純滯后

中圖分類號TS43文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）08-0215-02

Analysis on the Temperature Object of Electricheating Cigarette Heater

XU Hong1，CHEN Yan1*，TANG Jianguo2* et al（1.Kunming University of Science & Technology，Kunming，Yunnan 650504；2.China Tobacco Yunnan Industrial Co.，Ltd.，Technology Center，Kunming，Yunnan 650202）

AbstractElectricheating cigarette heater has the function of reducing the tar and other harmful components.The heating temperature control system is the core of electricheating cigarette heater.It mainly exists slow smoking speed，poor smoking performance and other defects of electricheating cigarette heater.The step response signal of the heating temperature object was identified by using the step response method.It obtained that the heating temperature object is the firstorder inertia pure delay system.And the control algorithm of the heating temperature object was optimized and simulated.The simulation results identified that the delay time of heating of the optimized heating temperature object was reduced by 38.1%，the temperature rise time was reduced by 29.8% and the adjustment time was shortened by 24.8%，which improves the smoke speed and performance； reduces system power consumption and extends battery service life，provides theoretical guidance for the improvement of electricheating cigarette heater circuit and the development of the electricheating cigarette heater.

Key wordsNovel cigarette；Electricheating；Cigarette heater；Temperature object；Step response；Inertia；Pure delay

傳統(tǒng)卷煙在高溫燃燒裂解時，會產(chǎn)生對人體有害的成分，危害人們的健康[1]。電加熱新型卷煙是加熱而非燃燒煙草制品，減少了對人體的有害成分，是一種健康的、降焦減害的煙草制品[2-4]。電加熱新型卷煙煙支烘烤溫度是影響卷煙煙氣化學成分的重要因素[5-9]，加熱溫控系統(tǒng)為煙具的核心。

目前，國內(nèi)電加熱新型卷煙制品技術落后于國外[10-12]。國內(nèi)自主研發(fā)的煙具存在起煙速率慢、發(fā)煙性能差等缺陷，主要表現(xiàn)為加熱延時長、溫度上升時間長、調(diào)節(jié)時間長等。

國內(nèi)對電加熱新型卷煙煙具溫度對象研究甚少。筆者采用階躍響應法，對電加熱新型卷煙煙具溫度對象進行開環(huán)辨識，并對模型進行優(yōu)化和仿真，以提升煙具的起煙速度，提高煙具發(fā)煙性能，為煙具電路改進、開發(fā)提供理論指導。

1對象結(jié)構(gòu)及特性曲線

1.1對象結(jié)構(gòu)分析

電加熱新型卷煙包括：電加熱新型煙具和新型卷煙煙支。電加熱新型煙具主要由電源管理單元、微處理器、溫控系統(tǒng)及顯示單元組成，如圖1所示。煙具溫控系統(tǒng)核心加熱部件為加熱棒，如圖2所示，加熱棒由內(nèi)層鎳鉻發(fā)熱絲、外層陶瓷棒體等組成，發(fā)熱絲內(nèi)嵌于陶瓷棒體中，型熱電偶傳感器內(nèi)嵌于加熱棒內(nèi)頂端。

1.2對象特性曲線

該試驗選取菲莫IQOS煙具與自主研發(fā)的電加熱新型卷煙煙具進行對比分析。選取IQOS煙支，采用階躍響應法，在室溫（28 ℃）條件下，階躍信號設定為260 ℃，采用針型鎧裝式熱電偶采集到兩者加熱空載溫度對象變化曲線。對試驗數(shù)據(jù)處理后，得如圖3所示的IQOS煙具溫度對象及自主研發(fā)煙具溫度對象空載加熱溫度曲線。

2.2對象參數(shù)辨識

采用“切線法”，在圖4曲線變化速率最快處做切線[13]， 得出t0=24.3，τ=2.1；由上述可得：T=t0-τ=22.2。

參數(shù)K可由式（2）求得。

K=ΔyΔx=0.974（2）

3對象優(yōu)化與仿真

3.1對象特性曲線對比

在圖5中IQOS和新型卷煙煙具溫度對象曲線中斜率最大處做切線，切線與橫坐標軸的交點的橫坐標值為加熱延時時間τ；在曲線中斜率為零點處對應橫坐標值為調(diào)節(jié)時間ts；在曲線中有：y（t1）=0.1，y（t2）=

電加熱新型卷煙煙具與IQOS煙具溫度對象相比：加熱延時長1.3 s，升溫時間長42.7 s，調(diào)節(jié)時間長70.6 s。由于煙具溫度對象的加熱延時時間、溫度上升時間及調(diào)節(jié)時間直接影響煙具起煙速度與發(fā)煙性能，因此，需對煙具加熱溫度對象控制算法進行優(yōu)化改進。

3.2對象參數(shù)優(yōu)化

一階慣性純滯后系統(tǒng)可通過縮小控制參數(shù)T、τ值，增大參數(shù)K值來優(yōu)化控制參數(shù)，使得系統(tǒng)加熱延時時間τ、上升時間tr及調(diào)節(jié)時間ts縮短。

對自主研發(fā)電加熱新型卷煙煙具溫度對象模型傳遞函數(shù)G（s）前串聯(lián)一個傳遞函數(shù)G′（s），如圖6所示，得式（4），使得優(yōu)化后煙具溫度對象模型的控制參數(shù)T、τ值縮小，K值增大，煙具溫度對象加熱延時時間、溫度上升時間及調(diào)節(jié)時間縮短，從而可使煙具起煙速度加快、發(fā)煙性能更高。

對象的加熱延時時間τ=1.3 s，縮短38.1%；溫度上升時間tr=47.4 s，縮短29.8%；調(diào)節(jié)時間ts=117.1s，縮短24.8%。

通過改變控制模型算法，可改變煙具溫度對象G（s）模型參數(shù)，使煙具溫度對象加熱延時時間、溫度上升時間及調(diào)節(jié)時間縮短，可加快煙具起煙速度，提高發(fā)煙性能，降低系統(tǒng)的功耗，延長電池壽命，為煙具電路改進、開發(fā)提供理論指導。

4結(jié)論

采用階躍響應法，對電加熱新型卷煙煙具溫度對象進行

系統(tǒng)參數(shù)辨識，得其為一階慣性純滯后系統(tǒng)。通過對煙具溫度對象控制算法優(yōu)化改進，使得煙具溫度對象加熱延時時間縮短38.1%、溫度上升時間縮短29.8%、調(diào)節(jié)時間縮短24.8%，從而可加快煙具起煙速度，提高發(fā)煙性能，降低系統(tǒng)的功耗，延長電池壽命，為煙具電路改進、開發(fā)提供理論指導。

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