基于專家-模糊PID控制的松散回潮出口水分控制系統(tǒng)設計

(紅塔煙草(集團)有限責任公司 大理卷煙廠，云南 大理 671000)

0 引言

松散回潮的工藝任務是將切片后的煙塊進行松散，并通過加水和加蒸汽使煙葉松軟，提高片煙的韌性和耐加工性，為后續(xù)的加工奠定基礎[1]。滾筒式松散回潮機的工作過程是振動輸送機將煙塊從前室進料口送入到滾筒內，前室雙介質噴嘴將增濕水和蒸汽噴灑到煙塊上，煙塊因受熱吸水而舒展。滾筒在傳動裝置的帶動下作旋轉運動，受潮煙塊在滾筒的軸向傾角和筒體內密布的導料板與扒釘的疏導作用下翻滾向前，使未松散的煙塊得到進一步的機械松散，松散后的煙葉從出料口排出。后室的熱風與蒸汽利用循環(huán)風機使其從圓形風管流動回前室加以循環(huán)利用，前室與后室外溢的蒸汽由排潮系統(tǒng)吸走。出口水分是松散回潮工序的重要工藝指標，其穩(wěn)定性和精確性對后續(xù)產品質量有著重要的影響[1]。松散回潮出口水分目前所采用的控制方法是帶前饋-串級控制，控制器由主控制器、副控制器和前饋環(huán)節(jié)組成。副控制器作為內環(huán)，在控制中起到粗調作用；主控制器作為外環(huán)，在控制中起到細調作用；前饋環(huán)節(jié)根據煙葉流量和煙葉水分等可測量的干擾因素計算加水補償量。主控制器的輸出與前饋環(huán)節(jié)的輸出之和作為副控制器的給定值。除了可測量的干擾因素外，煙葉出口水分還受到煙葉自身的特性、煙草薄片的吸水特性、蒸汽和熱風的循環(huán)狀況以及排潮等難以測量干擾因素的影響。為了避免前饋調節(jié)出現欠補償或過補償，在生產過程中由現場操作人員根據經驗手動修改加水系數，水分控制很大程度上取決于現場操作人員的實踐經驗，所以帶前饋-串級控制并沒有真正實現松散回潮出口水分的完全自動化控制。此外，帶前饋-串級控制的噴嘴安裝在前室，加水點與控制點之間的距離較長，屬于大時滯系統(tǒng)，煙葉出口水分波動較大，達不到理想的控制效果。隨著科技的進步和煙草工業(yè)的發(fā)展，由人工修改加水系數的帶前饋-串級控制已經滿足不了新時代背景下的工藝要求，因此有必要研究和開發(fā)新的控制方法來實現控制的全自動化以及提高松散回潮出口水分的穩(wěn)定性與精確性。

1 松散回潮出口水分控制系統(tǒng)的組成原理

松散回潮出口水分控制系統(tǒng)由前室加水控制系統(tǒng)和后室水分控制系統(tǒng)組成，其結構原理如圖1所示。前室加水控制系統(tǒng)主要由專家系統(tǒng)、前饋環(huán)節(jié)、前室加水控制器和模糊推理系統(tǒng)、前室氣動薄膜閥、電磁流量計和前室噴嘴等組成，用于對煙葉水分進行粗調。專家系統(tǒng)利用工藝專家和工藝工程師的知識和經驗根據干擾的變化對加水系數進行決策。前饋環(huán)節(jié)先根據煙葉流量和煙葉水分等干擾因素確定理論加水流量，然后用加水系數對理論加水流量進行修正，前饋環(huán)節(jié)的輸出作為加水控制器的給定值。后室水分控制系統(tǒng)由后室水分控制器、模糊推理系統(tǒng)、后室氣動薄膜閥、水分儀和后室噴嘴等組成，用于對前室加水后的煙葉水分進行二次細調。前室加水控制器與后室水分控制器獨立工作，共同分時復用模糊推理系統(tǒng)。前室加水控制系統(tǒng)的工作原理：首先前饋環(huán)節(jié)計算出理論加水流量，同時由專家系統(tǒng)確定加水系數，然后計算前饋環(huán)節(jié)的輸出；將前饋環(huán)節(jié)的輸出值作為前室加水控制器的給定值，前室加水控制器根據給定值與實際值的偏差對前室氣動薄膜閥的開度進行PID控制來調整加水流量，同時根據偏差與偏差變化率利用模糊推理系統(tǒng)對加水控制器的K1P、K1I和K1D等3個參數進行在線整定，實現對加水流量快速靈敏地調整。后室水分控制系統(tǒng)的工作原理：后室水分控制器根據出口水分的設定值與實際水分值的偏差對后室氣動薄膜閥的開度進行PID控制來調整補水量實現煙葉出口水分的細調，同時根據偏差與偏差的變化率利用模糊推理系統(tǒng)對水分控制器的K2P、K2I和K2D等3個參數進行在線整定，從而提高煙葉出口水分的精確性和穩(wěn)定性。

圖1 控制系統(tǒng)結構原理圖

2 前饋環(huán)節(jié)與專家系統(tǒng)設計

2.1 前饋環(huán)節(jié)的設計

每種牌號卷煙的葉組配方都是由若干個來自不同廠家的煙包和煙草薄片所組成。不同的煙包其煙葉等級各不相同，其水分也各不相同；不同牌號的卷煙其煙草薄片的摻配比例也各不相同。因此有必要采用前饋環(huán)節(jié)補償干擾對被控參數產生的影響。入口煙葉流量和入口煙葉水分是可測量的干擾因素，由此可計算出理論加水流量。

干料流量=入口煙葉流量×(1-入口煙葉水分%)

理論加水流量=干料流量×出口煙葉水分設定值%-入口煙葉流量×入口煙葉水分%

此外，被控參數還受到煙草薄片流量和蒸汽噴射流量等其它可測量干擾因素以及煙葉自身的特性、煙草薄片的吸水特性、滾筒內的環(huán)境和排潮等難以測量干擾因素的影響。實踐經驗證明，在煙葉流量、煙草薄片流量、蒸汽噴射流量、滾筒內環(huán)境和排潮作用等穩(wěn)定的情況下，被控參數的不可測量干擾因素主要在于煙葉自身的特性。如果按理論加水流量進行加水，容易造成過補償或欠補償。為了補償前饋調節(jié)的不準確，利用加水系數K對理論加水流量進行修正。

前饋輸出=K×理論加水流量

在生產過程中，根據干擾的變化實時調整加水系數K。如果K值過大則會出現過補償，后室水分控制器對煙葉水分的調整沒有余量；如果K值過小則會出現欠補償，后室水分控制器無法補償煙葉過多的水分不足。前室加水控制系統(tǒng)要給煙葉提供絕大部分的增濕水，后室水分控制系統(tǒng)只進行15%左右的水分調節(jié)[2]。因此，要根據干擾的變化實時調整加水系數K使前室加水滿足以上的要求。為了實現加水系數K的自動調整使用專家系統(tǒng)對其進行自動決策。

2.2 專家系統(tǒng)設計

專家系統(tǒng)是模擬工藝專家和工藝工程師根據干擾的變化對加水系數進行決策的計算機軟件系統(tǒng)，它綜合了松散回潮工序各類煙包的煙葉出口水分在受到煙葉流量、煙葉水分、煙草薄片流量、蒸汽噴射流量和煙葉自身特性等干擾因素的影響時工藝專家和工藝工程師對加水系數進行決策的知識和經驗，能夠像工藝專家和工藝工程師一樣在生產過程中根據干擾的變化實時對加水系數做出準確推斷。專家系統(tǒng)由數據庫、知識庫、推理機、解釋機、人機接口和知識獲取模塊等幾個部分組成[3-5]，其基本結構如圖2所示。

圖2 專家系統(tǒng)結構原理圖

2.2.1 數據庫

數據庫是用于存放推理過程所需的事實前提、中間結果和推理結論的工作存儲器[5]。松散回潮機采用S7-400 PLC作為主控制器，用于設備控制和加水系數決策所需事實前提的數據采集，采集到的信息存儲在相應的DB數據塊中。煙葉流量、煙葉水分、蒸汽噴射流量和煙草薄片流量等事實前提由S7-400 PLC直接采集獲取，煙包的條形碼通過間接方式推出。每種牌號卷煙一個批次的葉組都是由各類不同的煙包按一定的順序排列進行加工的，每個煙包都有識別條形碼。煙包經掃碼出庫后，要進行解包、稱重和切片等工序才到松散回潮工序，從煙包掃碼到松散回潮工序有很長的過程。根據煙包順序、煙包重量和煙草薄片流量確定出累計重量與煙包順序號之間的對應關系，然后由松散回潮入口電子秤的累計重量推出該工序當前所加工的煙包的順序號，即可得到其條形碼。專家系統(tǒng)的數據庫與S7-400 PLC程序中相應的DB數據塊相連接，加水系數決策所需的事實前提通過實時通訊從S7-400 PLC中相應的DB數據塊中讀取，讀取到的信息存儲到數據庫中。每隔一個系統(tǒng)的采樣周期，會從S7-400 PLC中提取一次新的數據，同時事實類對象中的內容也會作相應的改變。

2.2.2 知識庫

知識庫用于存儲加水系數決策規(guī)則，其基本任務是為推理機提供問題求解以及為解釋機提供問題解釋所需的知識[4]。加水系數決策規(guī)則是根據工藝專家和工藝工程師的知識與經驗總結出來的。每條規(guī)則就是知識庫中的一條記錄，記錄包括前提條件和結論，前提條件是由若干事實組成[4]。知識的表示采用產生式規(guī)則表示方法，規(guī)則R表示為[3]：

F1∧F2∧F3∧F4∧F5一>H

Fi表示前提(條件或狀態(tài))，H表示結論(或動作)。如果前提F1、F2、F3、F4和F5的合取滿足則可推出結論H”。加水系數決策規(guī)則示例如表1所示。

表1 加水系數決策規(guī)則示例

2.2.3 推理機

推理機是進行各種推理或搜索等功能的程序模塊，是專家系統(tǒng)的執(zhí)行機構[5]。加水系數決策推理采用正向推理。其工作過程為：首先，從S7-400 PLC相應的DB數據塊中讀取與加水系數決策推理有關的信息存入數據庫。其次，推理機從數據庫中提取與加水系數決策有關的事實信息，從加水系數決策規(guī)則知識庫中首條規(guī)則開始把所提取的事實信息與當前規(guī)則記錄的前提部分進行匹配，某條規(guī)則成立，則其所有事實前提都必須完全匹配成功[6]。當發(fā)現某條規(guī)則只要有一個事實前提不成立，就跳過該規(guī)則，轉而進行下一條規(guī)則的匹配[6]。如果某條規(guī)則的所有事實前提均匹配成功，即該規(guī)則成立[6]，則把該規(guī)則的結論存入數據庫。如果推理結束后沒有得到任何加水系數決策結論，實際情況確實不需要修改加水系數，說明加水系數決策規(guī)則是完善的。如果當前加水系數不能滿足要求，說明知識庫中缺少這方面的規(guī)則，需要把新的規(guī)則添加到加水系數決策規(guī)則知識庫中。最后，從數據庫中讀出加水系數決策推理結論，將其寫入S7-400 PLC相應的DB數據塊中。推理過程程序流程圖如圖3所示。

圖3 推理過程程序流程圖

2.2.4 解釋機

解釋機的主要作用是向用戶說明專家系統(tǒng)推理的過程，使用戶了解推理時所用的事實前提和推理過程中所運用的規(guī)則[4]。由于規(guī)則是計算機中的一條記錄，是用符號語言來表示的，非專業(yè)人員無法理解這種符號的表達形式。當系統(tǒng)推出某種結論時，將導出該結論所用到的知識和數據用符號語言的形式保存到數據庫中，同時解釋機把這些符號語言翻譯成“如果…，那么…”形式的語句，通過人機接口提供給用戶查閱。

2.2.5 人機接口

人機接口是用戶和專家系統(tǒng)進行交互的界面[5]，主要用于完成兩部分的工作：一是實現對加水系數決策規(guī)則知識庫和數據庫的維護與操作，用戶可以根據需要添加、刪除和修改加水系數決策規(guī)則。二是為用戶提供解釋機的查看窗口。用戶可以在人機接口查看加水系數決策推理的路徑和相關解釋以及其它的信息，為將來優(yōu)化加水系數決策規(guī)則提供依據。

2.2.6 知識獲取

知識獲取模塊的功能在于能根據專家提供的知識，經過理解或編輯成所需的內部形式，作為新的知識加入知識庫[5]。該模塊的功能通過數據庫的插入、修改和刪除語句來實現。知識規(guī)則的獲取有2種方法：第一種方法是離線方式通過人機接口事先把加水系數決策規(guī)則加入到知識庫中。第二種方法是在生產過程中，發(fā)現問題時現場修改和添加。當發(fā)現加水系數決策錯誤或推理無法推導出任何結論但加水系數又不能滿足需要時，需對加水系數決策規(guī)則進行完善，根據實際需要把新的加水系數決策規(guī)則添加到知識庫中。

3 前室加水控制器和后室水分控制器的設計

前室加水控制器的給定值是前饋環(huán)節(jié)的輸出，被控對象是前室氣動薄膜閥的開度，被控參數是加水流量。前室加水控制器由PID控制器和參數整定兩部分組成。后室水分控制器的給定值是煙葉出口水分設定值，被控制對象是后室氣動薄膜閥的開度，被控參數是出口煙葉的水分。后室水分控制器也是由PID控制器和參數整定兩部分組成。前室加水控制器和后室水分控制器的參數整定由同一個模糊推理系統(tǒng)通過分時復用來進行，其結構如圖1所示。

通常，數字式PID控制器可以用以下函數表示[7]：

KXDECX(k)

式中,X=1，2。1表示前室加水控制器；2表示后室水分控制器。EX(k)為偏差；ECX(k)為偏差變化率；KXP為比例系數；KXI為積分系數；KXD為微分系數。在S7-400 PLC中加水控制器和水分控制器分別調用兩個FB41功能塊來實現，FB41功能塊的KXP、KXI和KXD等3個參數的實時整定值由下式確定：

式中,KXP0、KXI0和KXD0為PID參數的初始值。KXP*、KXI*和KXD*由一個二輸入三輸出模糊控制器來進行自適應在線整定。設模糊控制器的輸入量為：前室加水流量的偏差E1和偏差變化率EC1；后室煙葉出口水分的偏差E2和偏差變化率EC2。輸出量為：①K1P*、K1I*和K1D*等3個參數；②K2P*、K2I*和K2D*等3個參數。

3.1 模糊化

將E1、EC1、E2和EC2的各模糊子集均取為{負大(NB)，負中(NM)，負小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，論域均取為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。將K1P*、K1I*、K1D*、K2P*、K2I*和K2D*的各模糊子集均取為{負大(NB)，負中(NM)，負小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，論域均取為{-3，-2，-1，0，1，2，3}。輸入輸出各模糊子集均選用三角形隸屬函數。

圖4 輸入變量E1、EC1、E2和EC2的隸屬度函數曲線

設E1、EC1、E2和EC2在實際運行時的取值分別處于[-E1max，E1 max]、[-EC1 max，EC1 max]、[-E2 max，E2 max]和[-EC2 max，EC2 max]區(qū)間內，則需要通過量化因子將其論域變換到基本論域內。量化因子KE1、KEC1、KE2和KEC2分別定義為：

利用以上的量化因子將輸入變量E1、EC1、E2和EC2在實際取值區(qū)間內的值轉換為[-6，6]之間變化的值，然后對其進行量化處理，得到含13個整數元素的離散集合：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。將輸入變量E1、EC1、E2和EC2所對應的隸屬度最大的模糊值分別當作當前模糊控制器的模糊輸入量E1*、EC1*、E2*和EC2*。

圖5 輸出變量K1P*、K1I*、K1D*、K2P*、K2I*和K2D*的隸屬度函數曲線

設K1P*、K1I*、K1D*、K2P*、K2I*和K2D*在實際運行時的取值分別處于[-K1P max，K1P max]、[-K1I max，K1I max]、[-K1D max，K1D max]、[-K2P max，K2P max]、[-K2I max，K2I max]和[-K2D max，K2D max]區(qū)間內，而模糊推理所得到的值處于基本論域內。量化因子H1P、H1I、H1D、H2P、H2I和H2D分別定義為：

利用以上的量化因子將模糊推理所得到的基本論域內的各個值分別反變換到其各自實際論域內。

3.2 模糊推理

要使前室加水控制器和后室水分控制器具有較高的性能，必須具有一套完備的PID參數模糊推理規(guī)則，根據KXP*、KXD*和KXI*等3個參數在PID控制器中的不同作用及被控對象在不同階段動態(tài)特性的基礎上，經過大量的仿真實驗和反復調試可得表2-表4模糊自整定規(guī)則[7-8]。

表2 模糊自整定規(guī)則表(K2P*)

表4 模糊自整定規(guī)則表(KXD*)

模糊推理采用雙輸入單輸出的方式，控制規(guī)則由下列推理語言構成：

IFEX=NBANDECX=NB,THENKXP*=PB；

IFEX=NBANDECX=NM,THENKXP*=PB；

…………………………………………

每個模糊關系矩陣可由下式求出[9-10]：

RXji= [EXi×ECXi]×KXji*

總的模糊關系矩陣可由下式求出[9-10]：

RXj=RXj1∪RXj2∪…∪RXj49

當實時輸入的模糊量為EX*，ECX*時，輸出量為[9-10]

KXj′ = (EX*×ECX*)°RXj

3.3 反模糊化

為了充分利用模糊向量所包含的信息，采用重心法[9-10]將模糊向量轉換為精確實數值。

式中,j=P、I、D。利用此式可分別求出對應于每組EX*和ECX*的KXP*、KXI*和KXD*等3個參數值。將以上的模糊推理過程預先計算好，制成PID參數整定模糊推理表儲存在S7-400 PLC的存儲單元里，前室加水控制器和后室水分控制器分時復用PID參數整定模糊推理表。在前室加水控制時，只需將E1*和EC1*分別乘以KE1和KEC1將其變換到基本論域內的值，再經量化處理后，通過查表得出KXP*、KXI*和KXD*，將KXP*、KXI*和KXD*分別乘以量化因子H1P、H1I和H1D，即可得到K1P*、K1I*和K1D*等3個參數的實時值。在后室水分控制時，只需將E2*和EC2*分別乘以KE2和KEC2將其變換到基本論域內的值，再經量化處理后，通過查表得出KXP*、KXI*和KXD*，將KXP*、KXI*和KXD*分別乘以量化因子H2P、H2I和H2D，即可得到K2P*、K2I*和K2D*等3個參數的實時值。

4 控制系統(tǒng)的軟硬件實現

4.1 硬件組成

圖7 PLC程序流程圖

該系統(tǒng)的硬件結構主要由上位機、下位機和專家系統(tǒng)站組成，如圖6所示。上位機選用西門子IPC677C作為現場操作站。專家系統(tǒng)站配置專用PC機和顯示器。下位機由以S7-400 PLC為核心的測控系統(tǒng)組成。S7-400 PLC主要用于前室加水控制和后室水分控制以及數據采集，根據需要配置PS 407電源模塊、CPU 413-2DP模塊、CP443-1以太網通信模塊和SM423數字量輸入輸出接口模塊等。前室加水控制系統(tǒng)由入口電子皮帶秤、入口水分儀、前室氣動薄膜閥、電磁流量計和前室噴嘴等組成。入口電子皮帶秤用于控制和檢測前室入口煙葉的流量以及檢測前室入口煙葉的累計量；入口水分儀用于檢測前室入口煙葉的水分，與入口電子皮帶秤配合使用，為前饋加水計算提供依據；前室氣動薄膜閥用于控制前室加水流量的大小；電磁流量計用于檢測前室加水流量的瞬時值；前室噴嘴用于將水和蒸汽的混合物噴灑到前室煙葉上。后室水分控制系統(tǒng)由后室氣動薄膜閥、后室噴嘴和出口水分儀等組成。后室氣動薄膜閥用于控制后室加水流量的大小；后室噴嘴用于將水和蒸汽的混合物噴灑到后室煙葉上；出口水分儀用于檢測后室煙葉出口水分的瞬時值。CP443-1通信模塊的以太網接口與交換機的網口相連，專家系統(tǒng)站和現場操作站分別通過網線與交換機的網口相連。CPU 413-2DP模塊的Profibus-DP接口與總線耦合器相連。入口電子皮帶秤、入口水分儀和出口水分儀連接到總線耦合器的Profibus-DP接口；電磁流量計、前室氣動薄膜閥和后室氣動薄膜閥連接到總線耦合器的PA接口。開關量檢測和控制信號接入SM423數字量輸入輸出接口模塊。

圖6 控制系統(tǒng)硬件組成框圖

4.2 軟件組成

該系統(tǒng)的軟件主要包括上位WINCC監(jiān)控程序、專家系統(tǒng)程序和PLC程序等。上位WINCC監(jiān)控程序主要用于對松散回潮工序過程數據及設備運行狀態(tài)的監(jiān)控，采用WINCC7.0開發(fā)。專家系統(tǒng)程序主要用于對加水系數進行決策，由人機接口程序、推理求解程序、知識獲取程序、解釋機程序、數據庫和知識庫等組成。人機接口程序、推理求解程序、知識獲取程序和解釋機程序均采用C#語言編制；數據庫和知識庫采用SQL sever 2014進行編制。PLC程序主要由前室加水控制子程序、后室水分控制子程序和其它程序等組成，在step7中采用梯形圖編制。本文重點討論前室加水控制子程序和后室水分控制子程序，PLC程序流程圖如圖7所示。前室加水控制子程序由前室料頭處理程序、前室料尾處理程序和正常加水控制程序所組成。后室水分控制子程序由后室料頭處理程序、后室料尾處理程序和正常水分控制程序所組成。料頭處理程序是指當煙葉到達滾筒內1/4位置之前所進行的處理程序。料尾處理程序是指當煙葉在滾筒內剩下約3/4的位置之后所進行的處理程序。前室加水控制子程序和后室水分控制子程序首先判斷是否“料頭或料尾？”。如果是料頭或料尾階段，則進入相應的料頭或料尾處理子程序；如果不是料頭或料尾階段，則進入正常的前室加水控制程序或后室水分控制程序。

5 試驗與效果分析

為了驗證本系統(tǒng)的實際使用效果，在制絲線松散回潮工序進行了試驗。首先使用原有的帶前饋-串級控制方法，選取了一個批次紅塔山(經典1956)牌號卷煙葉組進行測試，按工藝要求將煙葉出口水分設定為17.5%，在測試過程中由上位WINCC監(jiān)控系統(tǒng)記錄煙葉出口水分的變化情況，并形成趨勢曲線，測試結束后截取該趨勢曲線圖，如圖8所示。

然后再使用專家-模糊PID控制方法，選取了另一個批次紅塔山(經典1956)牌號卷煙葉組進行測試，按工藝要求也將煙葉出口水分設定為17.5%，在測試過程中同樣由上位WINCC監(jiān)控系統(tǒng)記錄煙葉出口水分的變化情況，并形成趨勢曲線，測試結束后截取該趨勢曲線圖，如圖9所示。

對圖8和圖9進行對比可知，帶前饋-串級控制方法，煙葉出口水分上升時間大約5分鐘，存在一定的超調，整個過程煙葉水分在±3.0%范圍內波動，出口水分的穩(wěn)定性較差；專家-模糊PID控制方法，煙葉出口水分上升時間大約3分鐘，幾乎無超調，整個過程煙葉水分在±1.0%范圍內波動，出口水分更加穩(wěn)定。

6 結束語

本文提出了一種將專家系統(tǒng)、模糊推理和常規(guī)PID控制相互結合的新方法實現了松散回潮出口水分的控制，利用專家系統(tǒng)對加水系數進行自動決策，提高了前饋輸出調整的快速及時性；采用模糊推理方法分別對前室加水控制器FB41功能塊的K1P、K1I和K1D等3個參數與后室水分控制器FB41功能塊的K2P、K2I和K2D等3個參數進行了在線自適應整定，在很大程度上改善了前室加水控制器和后室水分控制器的性能，使出口水分控制比原有的帶前饋-串級控制方法取得了更好的效果，解決了松散回潮出口水分控制需要人工調整加水系數的缺陷，真正實現了松散回潮出口水分控制的全自動化，提高了松散回潮出口水分的穩(wěn)定性與精確性。