打葉復(fù)烤成品片煙裝箱含水率控制策略設(shè)計及應(yīng)用

汪文斌，馮 雪，范智平，馬 越，陳華興，任正云

1. 四川煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司，成都市世紀(jì)城路936 號 610041

2. 東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海市松江區(qū)人民北路2999 號 201620

國內(nèi)打葉復(fù)烤生產(chǎn)線中的復(fù)烤工序主要經(jīng)過干燥、冷卻、回潮三大環(huán)節(jié)［1］，通過調(diào)節(jié)片煙含水率達到抑制霉菌生長、便于醇化和存儲、提高煙葉色澤、清除煙葉灰塵等目的［2］。因此，成品片煙裝箱含水率是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。當(dāng)裝箱含水率高于設(shè)定值時，片煙會發(fā)生霉變；當(dāng)裝箱含水率低于設(shè)定值時，片煙容易產(chǎn)生造碎。研究發(fā)現(xiàn)，影響裝箱含水率的主要因素有環(huán)境、來料、人員、設(shè)備等［3］，由于各因素的控制變量相互關(guān)聯(lián)且關(guān)系復(fù)雜，故含水率控制過程具有大滯后、非線性時變等特性，采用傳統(tǒng)PID 控制方式難以滿足生產(chǎn)工藝要求。對此已開展較多研究，董玲嬌等［4］提出將自適應(yīng)模糊PID 控制應(yīng)用于打葉復(fù)烤系統(tǒng)；宋北光［5］采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID 對片煙含水率進行控制；劉紹峰等［6］采用模糊內(nèi)模預(yù)估控制應(yīng)用于打葉復(fù)烤生產(chǎn)線。同時，基于模型的控制方法也進行了廣泛研究，鄭松錦等［7］建立了片煙在高溫高濕環(huán)境中平衡含水率的數(shù)學(xué)模型；傅磊等［8］提出將雙重控制應(yīng)用于打葉復(fù)烤過程；魏俊紅等［9］提出了打葉復(fù)烤系統(tǒng)的預(yù)測控制模型。雖然建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型能夠有效控制打葉復(fù)烤出口含水率，但生產(chǎn)中仍存在因成品片煙輸送及裝箱時間過長而導(dǎo)致裝箱含水率不合格等問題，影響成品片煙質(zhì)量。為此，以KG235C 型片煙復(fù)烤機為研究對象，結(jié)合打葉復(fù)烤生產(chǎn)工藝流程，提出了一種串行滯后系統(tǒng)干擾預(yù)估補償控制策略，通過在串行系統(tǒng)中引入預(yù)估補償環(huán)節(jié)，以期精準(zhǔn)控制片煙裝箱含水率，提高片煙質(zhì)量。

1 問題分析

在打葉復(fù)烤生產(chǎn)線中，一般通過調(diào)節(jié)復(fù)烤機出口含水率來控制裝箱含水率，但在實踐中經(jīng)常出現(xiàn)出口含水率合格而裝箱含水率不合格的現(xiàn)象，主要原因是片煙從復(fù)烤機出口至裝箱過程中，受生產(chǎn)環(huán)境溫度和濕度的影響，導(dǎo)致含水率發(fā)生變化。為保證裝箱含水率達到工藝標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前主要采用以下4 種方法控制含水率。

1.1 人工直接調(diào)整復(fù)烤機出口含水率

根據(jù)人工經(jīng)驗對出口含水率進行判斷，并對含水率控制系統(tǒng)進行開啟或關(guān)閉操作，進而達到控制裝箱含水率的目的。該控制方法主要依賴于人工經(jīng)驗，受人為因素影響大，具有較大隨機性，控制精度低，無法保證裝箱含水率的穩(wěn)定性。

1.2 人工更改復(fù)烤機出口含水率設(shè)定值

對出口含水率形成閉環(huán)控制，并根據(jù)裝箱含水率以及片煙傳輸過程中的水分散失量，通過人工設(shè)置出口含水率控制環(huán)的設(shè)定值，完成對裝箱含水率的自動控制，見圖1。其中，R（s）為出口含水率基準(zhǔn)值，Y（s）為裝箱含水率，D（s）為外界干擾（環(huán)境溫度和濕度），Gc（s）為控制器，G1（s）e-τ1s為出口含水率對象，G2（s）e-τ2s為時滯對象。

圖1 人工更改復(fù)烤機出口含水率設(shè)定值控制策略Fig.1 Control strategy of manual adjustment of set value of moisture content in strips leaving dryer

采用MATLAB/Simulink 軟件進行仿真，當(dāng)時間=0 時，R（s）從11.5%上升到 12.5%；當(dāng)時間=1 500 s 時，D（s）從0 上升到1%，相當(dāng)于出口含水率增加1 個百分點。結(jié)果（圖2）顯示：在人工設(shè)定值12.5%保持不變時，實際穩(wěn)態(tài)值為12.35%，具有0.15%的穩(wěn)態(tài)偏差?？梢?，通過人工對傳輸過程中水分散失量的估算結(jié)果不準(zhǔn)確，容易導(dǎo)致人工設(shè)定值不合適，進而造成裝箱含水率出現(xiàn)偏差。

圖2 人工更改復(fù)烤機出口含水率設(shè)定值仿真圖Fig.2 Simulation diagram of manual adjustment of set value of moisture content in strips leaving dryer

1.3 裝箱含水率直接參與控制

將復(fù)烤機出口含水率與時滯視為一個廣義對象而形成的單閉環(huán)控制方法，見圖3。仿真結(jié)果（圖4）顯示：當(dāng)選用的控制器合適時，響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)時間短，可以達到穩(wěn)態(tài)無偏差的控制效果；但當(dāng)有干擾時，響應(yīng)速度減慢，調(diào)節(jié)時間增長，抗干擾性能較差。

圖3 裝箱含水率直接參與控制策略Fig.3 Direct control strategy for moisture content in redried tobacco strips packed in cases

圖4 裝箱含水率直接參與控制仿真圖Fig.4 Simulation diagram of controlling moisture content in redried tobacco strips packed in cases directly

1.4 裝箱含水率串級控制

串級控制最早是由 Franks 和 Worley 提出［10］，采用主、副控制器串接的形式，主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定值。在打葉復(fù)烤生產(chǎn)線中，主控制器為裝箱含水率控制器，副控制器為出口含水率控制器，見圖5。其中，Gc1（s）為副回路控制器，Gc2（s）為主回路控制器。與裝箱含水率直接參與控制系統(tǒng)相比較，該控制策略形成雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)的動態(tài)響應(yīng)速度較快，可以改善控制系統(tǒng)性能。仿真結(jié)果（圖6）顯示：串級控制上升速度快，無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間短，遇到干擾時響應(yīng)迅速，但在抗干擾時存在反向超調(diào)作用，調(diào)節(jié)時間較長。

圖5 裝箱含水率串級控制策略Fig.5 Cascade control strategy for moisture content in redried tobacco strips packed in cases

圖6 裝箱含水率串級控制仿真圖Fig.6 Simulation diagram of cascade control of moisture content in redried tobacco strips packed in cases

2 串行滯后系統(tǒng)的干擾預(yù)估補償控制策略

2.1 控制策略的建立

裝箱含水率控制對象主要包括出口含水率G1（s）e-τ1s和時滯G2（s）e-τ2s兩部分（圖1）。在設(shè)計過程中，首先采用階躍測試的方法，確定出口含水率模型然后通過分析片煙從復(fù)烤機出口到裝箱過程中含水率的變化，建立時滯模型G2（s）e-τ2s=ke-90s（0.8＜k＜1，與環(huán)境溫度、濕度有關(guān)）。根據(jù)所建立的模型，提出一種新型串行滯后系統(tǒng)的干擾預(yù)估補償控制策略（以下簡稱串行補償控制策略），見圖7。其基本思想為：對時滯G2（s）e-τ2s采用純滯后補償環(huán)節(jié)e-τ2s進行正向動態(tài)預(yù)估補償，由于出口含水率G1（s）e-τ1s是典型的一階加純滯后模型（FOPDT），控制器Gc（s）采用參數(shù)易調(diào)且對時滯具有良好抑制作用的預(yù)測PI 控制算法［9］。

圖7 串行補償控制策略Fig.7 Serial compensation control strategy

裝箱含水率的時滯時間即為片煙由復(fù)烤機出口經(jīng)傳送帶輸送到裝箱點的時間，約為90 s。針對其長時滯特性，串行補償控制策略采用動態(tài)預(yù)估補償，通過對當(dāng)前環(huán)境溫度、濕度等因素的預(yù)估，對裝箱含水率進行動態(tài)補償，進而削弱大滯后對控制系統(tǒng)的影響，實現(xiàn)對裝箱含水率的精準(zhǔn)控制。由圖7 可見，新型控制策略將原系統(tǒng)簡化為只包含控制器Gc（s）和純滯后補償環(huán)節(jié)e-τ2s的系統(tǒng)，便于工業(yè)現(xiàn)場實施。

2.2 仿真模擬分析

圖8 控制策略改進前后裝箱含水率仿真圖Fig.8 Simulation diagram of control strategies for moisture content in redried tobacco strips packed in cases before and after modification

圖9 在模型失配下改進前后裝箱含水率仿真圖Fig.9 Simulation comparison of moisture content in strips packed in cases under model mismatch before and after improvement

由圖9 可見，當(dāng)時滯模型ke-90s中的值受片煙水分散失速度的影響從0.9 降低到0.8，出現(xiàn)較大模型失配時，傳統(tǒng)串級控制容易出現(xiàn)失控、振蕩嚴(yán)重等問題，而新型串行補償控制策略的控制效果良好，上升速度快，無超調(diào)，調(diào)節(jié)速度幾乎未受到模型失配的影響，魯棒性顯著優(yōu)于串級控制系統(tǒng)。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗設(shè)計

材料：2019 年涼山州產(chǎn)煙葉。

設(shè)備：KG235C 片煙復(fù)烤機（秦皇島煙草機械有限責(zé)任公司）；SNAP PAC 控制系統(tǒng)（美國OPTO22 公司）；FED-115 電熱鼓風(fēng)干燥箱（溫度精度±2 ℃，德國 BINDER 公司）；PL203 分析天平（d=0.001 g，瑞士METTLER TOLEDO 公司）。

測試方法：采用同一批次同一等級的配方模塊煙葉，潤葉段、打葉段和復(fù)烤段均按相同工藝參數(shù)進行設(shè)置，在相同生產(chǎn)工藝條件下［11］，分別采用串級控制和串行補償控制兩種策略，對裝箱含水率控制效果進行對比測試。裝箱含水率設(shè)定值為12.20%，利用SNAP PAC 控制系統(tǒng)采集入口含水率、冷房含水率（外界干擾）和裝箱含水率，分別連續(xù)選取200 個采樣點（周期為3 min），根據(jù)《YC/T147—2010 打葉煙葉 質(zhì)量檢驗》［12］對成品片煙裝箱含水率進行檢驗。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由圖10 可見，采用串級控制時，入口含水率、冷房含水率的波動范圍分別為16.55%～17.43%和8.81%～9.75%；采用串行補償控制時，入口含水率、冷房含水率的波動范圍分別為16.47%～17.61%和8.61%～9.72%。說明兩種控制策略下，入口含水率、冷房含水率波動幅度基本相同，均能夠滿足工藝條件一致性要求。

當(dāng)裝箱含水率設(shè)定值12.20%保持不變時，在串級控制下裝箱含水率檢測值波動范圍為11.79%～12.60%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.19%，波動范圍大于0.80%，均值為12.33%，檢測值長時間偏離設(shè)定值；在串行補償控制下，裝箱含水率檢測值波動范圍為12.10%～12.29%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.07%，波動范圍小于0.20%，均值為12.19%，檢測值基本上跟隨設(shè)定值，未出現(xiàn)大幅度波動，較好地抑制了入口含水率及外界干擾，從而保證成品片煙含水率的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

針對打葉復(fù)烤生產(chǎn)線中片煙裝箱含水率不穩(wěn)定等問題，提出了一種串行預(yù)估補償新型控制策略。該策略采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)采用預(yù)測PI 控制器對復(fù)烤機出口含水率進行控制，外環(huán)采用預(yù)估補償控制器對裝箱含水率中進行控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，僅需對一個控制器進行參數(shù)整定，便于工業(yè)現(xiàn)場實施。以同一批次同一等級的配方模塊煙葉為材料，對串級控制和串行補償控制兩種策略進行對比測試，結(jié)果表明：串級控制下裝箱含水率波動范圍為11.79%～12.60%，均值為12.33%，偏離設(shè)定值12.20%較大；串行補償控制下裝箱含水率為12.10%～12.29%，波動幅度降低，均值為12.19%，基本跟隨設(shè)定值12.20%?？梢?，新型控制策略可以準(zhǔn)確穩(wěn)定控制復(fù)烤機裝箱含水率，避免出現(xiàn)大幅度波動和長時間偏離設(shè)定值等情況，較好地抑制入口含水率變化及外界干擾，保證成品片煙質(zhì)量，適于在實際生產(chǎn)過程中推廣應(yīng)用。