煙片增溫過程的模糊—PID控制算法及應(yīng)用

張翼

摘 要：文章結(jié)合隧道式煙片溫控的特性，選擇了模糊PID復(fù)合控制（Fuzzy-PID）來實(shí)現(xiàn)對(duì)煙片增溫系統(tǒng)的智能控制。并根據(jù)實(shí)際情況，增加了一種在一定條件下的自學(xué)習(xí)控制方法，與模糊PID復(fù)合控制并行運(yùn)用到煙片增溫溫度控制中。通過實(shí)際使用的數(shù)據(jù)表明，該控制系統(tǒng)具有企穩(wěn)平滑的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：煙片增溫；模糊-PID控制器；自學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：TP273+.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）12-0139-02

Abstract： In this paper， the fuzzy PID compound control system is selected to realize the intelligent control of the smoke sheet temperature increasing system， combined with the characteristic of the tunnel type smoke sheet temperature control. According to the actual situation， a self-learning control method under certain conditions is added， and the fuzzy PID compound control is used to control the temperature of smoke sheet in parallel. The actual data show that the control system is stable and smooth.

Keywords： smoke sheet warming； fuzzy-PID controller； self-learning

1 概述

隨著企業(yè)發(fā)展，卷煙內(nèi)在質(zhì)量需求提升，使用普通PID控制器的控制效果并不能滿足企業(yè)所需求的柔性生產(chǎn)及日趨提高的質(zhì)量指標(biāo)。因此研究一種適合煙片增溫生產(chǎn)的控制方法，對(duì)提升控制穩(wěn)定性以及煙片過程加工質(zhì)量具有一定的意義。魏紅昀[3]利用專家系統(tǒng)知識(shí)庫輸出修正PID參數(shù)以改變PID控制方式，陳行忠[4]通過在PID控制環(huán)中增加模糊控制器對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)對(duì)不同工況下的適應(yīng)能力。這些改進(jìn)均可以使溫度控制穩(wěn)定性提高，但對(duì)于物料未到達(dá)測量點(diǎn)階段的前饋控制以及過程干擾的應(yīng)對(duì)則沒有針對(duì)性處理。本文中以隧道式增溫工序的出口煙片溫度為控制對(duì)象，在結(jié)合模糊控制非線性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)、普通PID控制兩者優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上同時(shí)并行一種自學(xué)習(xí)閥門控制設(shè)計(jì)適合煙片增溫過程的模糊-PID控制器，最后對(duì)優(yōu)化前后的控制策略進(jìn)行在線運(yùn)用并比較效果。

2 問題描述

2.1 原有煙片增溫控制方式

煙片增溫（增濕）加工過程是煙片進(jìn)入隧道式槽體后以普通PID 控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽隔膜閥的開度來改變流入隧道式槽體的蒸汽量，使槽體加熱的煙葉溫度達(dá)到跟蹤設(shè)定值的效果。

2.2 存在問題

（1）在加料前煙片增溫加工生產(chǎn)過程中存在滯后環(huán)節(jié)。在加工過程中，若遇測溫突發(fā)異常時(shí)控制隔膜閥不斷調(diào)整導(dǎo)致溫度PID控制器也不斷調(diào)整，造成整個(gè)控制過程的不穩(wěn)定。

（2）在物料達(dá)到隧道槽體出口溫度探頭前，探頭測到的是環(huán)境溫度，這與設(shè)定值之間差值作為PID控制器的調(diào)節(jié)很容易產(chǎn)生較大的超調(diào)量。

3 隧道式增溫模糊PID控制的應(yīng)用

3.1 隧道式增溫模糊PID控制器設(shè)計(jì)

隧道式增溫模糊PID控制器主要包括普通PID控制器、模糊PID控制器以及自學(xué)習(xí)閥門控制器三部分。

在料頭升溫階段，HT出口溫度探頭還未探測到物料時(shí)，按自學(xué)習(xí)所得蒸汽閥門開度值控制閥門，使煙葉由常溫快速升溫至一定區(qū)域；在升溫至|e|<15℃時(shí)切換成模糊PID控制；在升溫至|e|<0.5℃時(shí)切換成普通PID控制。

在過程生產(chǎn)階段，在|ec|<2℃且|e|<0.5℃時(shí)利用PID調(diào)節(jié)器的積分調(diào)節(jié)作用消除穩(wěn)態(tài)誤差；在|ec|<2℃且0.5℃<|e|<15℃時(shí)切換成模糊PID控制；在|ec|≥2℃或|e|≥0.5℃時(shí)認(rèn)為遇到了外界干擾或測溫異常，按自學(xué)習(xí)所得的蒸汽閥門開度值來控制閥門。

3.2 自學(xué)習(xí)閥門值算法

當(dāng)隧道式增溫（增濕）器進(jìn)入生產(chǎn)狀態(tài)后，某牌號(hào)煙片出口溫度連續(xù)60秒溫度偏差|e|<0.5℃，判斷此時(shí)溫度控制進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，開始每6秒采集一次實(shí)時(shí)閥門開度數(shù)據(jù)。當(dāng)溫度偏差|e|≥0.5℃時(shí)立即暫停采集，直到連續(xù)60秒溫度偏差|e|<0.5℃再恢復(fù)采集，最后進(jìn)入料尾階段停止采集。完成一批采集后判斷計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值是否滿足N>300、該批次的過程能力指數(shù)是否滿足Ppk>2，若同時(shí)滿足則認(rèn)為過程中該閥門開度屬于有效經(jīng)驗(yàn)值。閥門開度累加值除以計(jì)數(shù)值得到當(dāng)批的閥門平均開度值，并輸出至對(duì)應(yīng)煙片牌號(hào)的蒸汽閥門開度堆棧中，再將最新的10批數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均值計(jì)算，以得到對(duì)應(yīng)牌號(hào)的經(jīng)驗(yàn)蒸汽閥門開度用于自學(xué)習(xí)控制。

3.3 模糊PID控制算法

3.3.1 輸入輸出變量確定

本系統(tǒng)采用雙輸入三輸出系統(tǒng)，選擇隧道式增溫（增濕）器出口煙葉溫度偏差e和溫度偏差率ec為輸入，Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)的調(diào)整量△Kp、△Ki、△Kd為輸出。

3.3.2 輸入變量的模糊化

設(shè)定e、ec其模糊集均為：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；其論域均為：{-6，-5，-4，-3，-2，-1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6}；隸屬函數(shù)均取三角函數(shù)，e的基本論域?yàn)閇-15 15]；ec的基本論域?yàn)閇-2 2]。

3.3.3 輸出變量的模糊化

根據(jù)在現(xiàn)場的調(diào)試情況，在不采用模糊PID控制時(shí)PLC中的PID參數(shù)Kp設(shè)為1.8，Ki設(shè)為35，Kd設(shè)為0.5。在模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，輸出變量的量化區(qū)域以此為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)定△Kp、△Ki、△Kd模糊集均為：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；其論域均為：{-6，-5，-4，-3，-2，-1， 0，1，2，3，4，5，6}隸屬函數(shù)均取三角函數(shù)；△Kp的基本論域?yàn)閇-1.8 1.8]；△Ki的基本論域?yàn)閇-25 25]；△Kd的基本論域?yàn)閇-0.5 0.5]。

3.3.4 模糊規(guī)則的確立

當(dāng)|e|較大時(shí)，提高Kp，來提升響應(yīng)速度；當(dāng)|e|減小時(shí)，減小Kp，來防止產(chǎn)生振蕩；在|e|很小時(shí)，繼續(xù)減小Kp，使系統(tǒng)穩(wěn)定。當(dāng)e、ec同號(hào)，趨勢不穩(wěn)定，增大Kp，反之減小。

當(dāng)|e|較大時(shí)，減小Ki，來防止超調(diào)；當(dāng)|e|減小時(shí)，增大Ki，來減少穩(wěn)態(tài)誤差。

在料頭控制階段，當(dāng)偏差|e|較大時(shí)，為避免偏差瞬間變大，造成微分溢出，需減小Kd。

3.3.5 輸出量的去模糊化

經(jīng)過前述模糊推理后，模糊控制器輸出的三個(gè)調(diào)整參數(shù)為模糊量，要對(duì)其進(jìn)行去模糊化，以取得精確量以計(jì)算輸入到PID控制器的三個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd。本控制器采用的去模糊化方法為加權(quán)平均法，即取加權(quán)平均值作為去模糊化結(jié)果。可根據(jù)的基本論域和模糊集論域確定三個(gè)輸出量的比例因子：

KKp=1.8/6，KKi=25/6，KKd=0.5/6

三個(gè)參數(shù)的去模糊化結(jié)果乘以比例因子，即可的出三修正后PID參數(shù)，由于這種根據(jù)e，ec在線計(jì)算會(huì)占用較多的CPU資源。本系統(tǒng)將經(jīng)過離線計(jì)算出的模糊控制表存入PLC程序。

3.4 基于PLC程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.4.1 模糊控制子程序

隧道式增溫（增濕）系統(tǒng)在主程序中給出設(shè)定值和采樣時(shí)間（5S）。系統(tǒng)上電執(zhí)行主程序后，進(jìn)行初始化，并讀取數(shù)據(jù)塊中的模糊控制表數(shù)據(jù)。在第一個(gè)掃描周期加載煙葉溫度設(shè)定值和實(shí)際值，采樣時(shí)間到后增溫（增濕）機(jī)煙葉溫度控制回路執(zhí)行閉環(huán)控制。計(jì)算e（k），ΔE（k）并進(jìn)行模糊處理，求取查表索引值存入相應(yīng)數(shù)據(jù)塊中，根據(jù)索引值設(shè)置指針運(yùn)用間接尋址的方式到模糊控制表中求取模糊控制輸出量至并存入臨時(shí)變量。臨時(shí)變量值通過解模糊得出精確值并存入相應(yīng)數(shù)據(jù)塊中。

3.4.2 自學(xué)習(xí)閥門控制子程序

程序跳轉(zhuǎn)進(jìn)入子程序后，對(duì)出口煙片溫度進(jìn)行采樣寫入數(shù)據(jù)塊，5s采樣周期到后計(jì)算|e（k）|，連續(xù)60s滿足|e（k）|<0.5℃，閥門開度根據(jù)采樣周期進(jìn)行累加并寫入數(shù)據(jù)塊，同時(shí)每執(zhí)行一次則累加計(jì)數(shù)器加1直到|e（k）|>0.5℃。生產(chǎn)進(jìn)入料尾狀態(tài)后將平均閥門開度寫入數(shù)據(jù)塊。經(jīng)過判斷計(jì)數(shù)值以及Ppk值來確定該閥門值是否放入數(shù)據(jù)堆棧。

4 隧道式增溫智能控制器的應(yīng)用效果

現(xiàn)將自學(xué)習(xí)控制與模糊PID復(fù)合控制的一套程序方法運(yùn)用至其中，來觀察其控制效果。

以下在以同一流量生產(chǎn)同樣牌號(hào)時(shí)，分別應(yīng)用普通PID控制器以及此次的綜合智能控制器所得的溫度控制曲線。

從以上溫度曲線中可以看出，用普通PID控制器控制過程中溫度超調(diào)為5.20度，生產(chǎn)開始至穩(wěn)定時(shí)間為300秒左右。用智能PID控制器控制過程中溫度超調(diào)0.49度，生產(chǎn)開始至穩(wěn)定時(shí)間為216秒左右。以自學(xué)習(xí)結(jié)合模糊PID設(shè)計(jì)的智能控制器相較普通PID控制器來說，溫度上升超調(diào)量明顯小，整體企穩(wěn)時(shí)間也有縮短。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的模糊PID復(fù)合控制器，利用模糊控制的仿人控制思維，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；同時(shí)并行PID控制器，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，彌補(bǔ)了模糊控制的不足；并在一定條件下啟用自學(xué)習(xí)得到的閥門開度值進(jìn)行控制閥門，以此應(yīng)對(duì)料頭啟動(dòng)階段溫度探頭還未接觸物料等情況。實(shí)際使用表明，與普通PID控制器相比，該系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)態(tài)精度都有所提高，為煙片加工應(yīng)用提供了一種可選的控制方法。

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