基于趨勢(shì)預(yù)測(cè)和分區(qū)反饋的梗絲氣流干燥出口含水率精準(zhǔn)控制策略

劉穎，劉穗君，馮凱迪，李超，楊光露，王海宇

1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 南陽(yáng)卷煙廠，河南 南陽(yáng) 473007；2.河南中心線電子科技有限公司，河南 鄭州 450004；3.鄭州大學(xué) 商學(xué)院，河南 鄭州 450001

0 引言

煙梗是卷煙生產(chǎn)的重要原料之一，鑒于其理化特性與煙葉存在明顯的區(qū)別，須采用單獨(dú)工藝進(jìn)行加工處理[1]。梗絲膨脹干燥是控制成品梗絲含水率的關(guān)鍵工序，目前該工序廣泛采用的設(shè)備類型主要是氣流式干燥機(jī)[2]，相較于滾筒式加工模式，氣流式干燥具有更好的加工效果[3]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，常使用梗絲低速氣流干燥機(jī)進(jìn)行梗絲干燥[4]，其中含水率的波動(dòng)通過PID進(jìn)行反饋控制，但存在響應(yīng)速度較慢、控制不及時(shí)、過程能力偏低等問題，梗絲質(zhì)量穩(wěn)定性得不到保障[5-6]。近年來，關(guān)于梗絲氣流干燥在實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的出口含水率穩(wěn)定性不足問題，其相關(guān)研究主要集中在設(shè)備改造和控制模式優(yōu)化兩個(gè)方面[7-8]。對(duì)于設(shè)備，研究者們分別對(duì)進(jìn)料管、勻風(fēng)裝置、干燥管道等相關(guān)干燥設(shè)備進(jìn)行改造以提升控制效果[9-11]；而在控制模式方面，楊艷陽(yáng)等[12]通過調(diào)整出口水分儀檢測(cè)點(diǎn)位置、在風(fēng)送工序出口的落料器上安裝計(jì)量管、優(yōu)化PID控制程序等方式，對(duì)出口含水率的控制模式進(jìn)行了優(yōu)化；任志軍等[13]針對(duì)烘梗絲過程的不確定性、非線性及存在大滯后等特點(diǎn)，提出了一種基于模糊控制和 PID控制相結(jié)合的控制策略。上述研究中設(shè)備改造對(duì)于出口含水率穩(wěn)性的提升非常有限，控制模式優(yōu)化則大多都是對(duì)原有PID控制模式進(jìn)行的改進(jìn)，能夠在一定程度上改善梗絲干燥工序出口含水率控制的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，但依舊無法解決PID控制模式單一，且存在超調(diào)、振蕩、控制滯后等不足的問題。業(yè)界也有不少新的控制策略研究，如劉穗君等[14]在松散回潮工序采用統(tǒng)計(jì)回歸的方法構(gòu)建了基于來料含水率變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)分析模型；石東寶[15]在物流路徑優(yōu)化中采用分區(qū)段反饋控制的方法提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性等，但在梗絲氣流式干燥工序還未見相關(guān)應(yīng)用研究?；诖?，本文采用分區(qū)反饋控制的方式進(jìn)一步提高對(duì)干燥機(jī)出口含水率偏差的響應(yīng)能力，同時(shí)結(jié)合對(duì)來料含水率變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)分析，在原有的PID反饋控制的基礎(chǔ)上構(gòu)建前、后反饋相結(jié)合的控制模型，以提高梗絲氣流干燥出口含水率穩(wěn)定性的控制能力。

1 問題的提出

卷煙廠梗絲干燥工序普遍使用的SH23A型梗絲低速氣流干燥機(jī)主要以蒸汽為熱源，通過熱風(fēng)為梗絲提供水分蒸發(fā)的熱量并帶走梗絲蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣，熱風(fēng)風(fēng)門的風(fēng)量大小主要由風(fēng)門氣動(dòng)薄膜閥的開度值決定，因此可將其作為氣流干燥出口含水率的控制量。生產(chǎn)過程中出口含水率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由出口水分儀傳輸給PID控制程序，根據(jù)出口含水率實(shí)際值與目標(biāo)值的偏差計(jì)算實(shí)時(shí)控制量，自動(dòng)調(diào)整熱風(fēng)風(fēng)量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)出口含水率的調(diào)節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用中，梗絲干燥工序的控制精度往往不高，出口含水率波動(dòng)頻繁，合格率偏低，究其原因，主要來自兩個(gè)方面：一是PID控制本身調(diào)整較為緩慢，容易出現(xiàn)滯后和振蕩；二是來料含水率波動(dòng)較大，僅根據(jù)出口含水率的偏差進(jìn)行調(diào)整不夠準(zhǔn)確。因此，有必要對(duì)原有的控制模式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 控制模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文采用趨勢(shì)預(yù)測(cè)的方法對(duì)出口含水率進(jìn)行預(yù)先調(diào)整；而針對(duì)PID控制調(diào)整緩慢的問題，則采用分區(qū)精準(zhǔn)反饋控制加以改進(jìn)。

2.1 分區(qū)精準(zhǔn)反饋控制

出口含水率實(shí)際值與出口含水率設(shè)定值的偏差可以表示為

E(k)=y(k)-T

其中，y(k)為k時(shí)刻出口含水率實(shí)際值，T為k時(shí)刻出口含水率設(shè)定值。

分區(qū)精準(zhǔn)反饋控制的基本思想是對(duì)偏差E(k)的取值進(jìn)行分區(qū)，在不同分區(qū)內(nèi)，采用不同程度的調(diào)整方式來快速響應(yīng)出口含水率的偏差。以出口含水率的設(shè)定值T為中心，±0.1為中間區(qū)A區(qū)，在此區(qū)間時(shí)干燥機(jī)出口含水率控制量保持不變；0.1～0.3區(qū)域?yàn)锽區(qū)，-0.1～-0.3區(qū)域?yàn)?B區(qū)；0.3～0.5區(qū)域?yàn)镃區(qū)，-0.3～-0.5區(qū)域?yàn)?C區(qū)；超出0.5區(qū)域?yàn)镈區(qū)，超出-0.5區(qū)域?yàn)?D區(qū)(見圖1)。

圖1 出口含水率分區(qū)控制圖Fig.1 Partition control chart of outlet moisture content

為了獲得準(zhǔn)確的調(diào)整幅度，采用統(tǒng)計(jì)回歸分析的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以B區(qū)為例，選取實(shí)際生產(chǎn)過程中出口含水率處于B區(qū)和-B區(qū)且對(duì)控制量進(jìn)行了調(diào)整的數(shù)據(jù)，分別確定每次控制量的變化值與對(duì)應(yīng)的控制結(jié)果(用控制量變化時(shí)刻點(diǎn)1 min后連續(xù)10次的采樣值與出口含水率設(shè)定值的差來計(jì)算)，共收集50組進(jìn)行控制量變化值與控制結(jié)果的回歸分析，見圖2。

圖2 控制量變化值與控制結(jié)果的回歸分析Fig.2 Regression analysis of control quantity change value and control result

由圖2可知，當(dāng)控制量變化值為2時(shí)，控制結(jié)果的值最小，大約為0.03～0.07?？刂平Y(jié)果越小，說明出口含水率實(shí)際值與設(shè)定值越接近，因此在B區(qū)時(shí)，控制量的變化值選擇2是最優(yōu)的。按照同樣的方式可以得到其他分區(qū)的控制量變化程度的最優(yōu)取值，并由此得出以下分區(qū)反饋控制策略。

B區(qū)規(guī)則：若E(k)、E(k+1)和E(k+2)連續(xù)3個(gè)點(diǎn)都在B區(qū)，則干燥機(jī)出口含水率控制量減少2；若E(k)、E(k+1)和E(k+2)連續(xù)3個(gè)點(diǎn)都在-B區(qū)，則干燥機(jī)出口含水率控制量增大2。

C區(qū)規(guī)則：若E(k)、E(k+1)和E(k+2)連續(xù)3個(gè)點(diǎn)都在C區(qū)，則干燥機(jī)出口含水率控制量減少4；若E(k)、E(k+1)和E(k+2)連續(xù)3個(gè)點(diǎn)都在-C區(qū)，則干燥機(jī)出口含水率控制量增大4。

D區(qū)規(guī)則：若E(k)、E(k+1)和E(k+2)連續(xù)3個(gè)點(diǎn)都在D區(qū)，則干燥機(jī)出口含水率控制量減少7；若E(k)、E(k+1)和E(k+2)連續(xù)3個(gè)點(diǎn)都在-D區(qū)，則干燥機(jī)出口含水率控制量增大7。

由于存在調(diào)整延遲，因此在根據(jù)上述規(guī)則進(jìn)行調(diào)整后1 min內(nèi),若出現(xiàn)滿足同一規(guī)則的情況，不進(jìn)行調(diào)整；若出現(xiàn)滿足更高規(guī)則(D高于C，C高于B)的情況，則按高規(guī)則進(jìn)行調(diào)整并重新計(jì)時(shí)；1 min后不再計(jì)時(shí)，滿足任意規(guī)則都需要進(jìn)行調(diào)整。

2.2 趨勢(shì)預(yù)測(cè)控制

梗絲氣流干燥來料含水率的變化也是影響出口含水率穩(wěn)定性的一個(gè)重要影響因素，來料含水率若出現(xiàn)較大程度的波動(dòng)將不可避免地造成出口含水率的變化。圖3為來料含水率與出口含水率的時(shí)間序列圖。

圖3 來料含水率與出口含水率的時(shí)間序列圖Fig.3 Time series plots of inlet and outlet moisture content

從圖3可以看出，來料含水率的連續(xù)增大或減小會(huì)造成出口含水率的整體升高或降低，比如來料含水率從第71個(gè)時(shí)刻點(diǎn)開始出現(xiàn)連續(xù)下降的趨勢(shì)，來料含水率從32.10%快速下降到31.50%，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的出口含水率從第73個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的14.5%下降到121個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的13.6%，并在13.8%左右持續(xù)振蕩；來料含水率在第164個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的30.78%連續(xù)上升至第280個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的32.33%，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的出口含水率從第168個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的13.7%上升到第303個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的15.2%。雖然通過PID控制器的調(diào)整一定程度上降低了來料含水率的變化帶來的出口含水率的波動(dòng)，但整體影響趨勢(shì)仍未消除。因此，有必要根據(jù)來料含水率的趨勢(shì)性變化及時(shí)地對(duì)出口含水率的控制參數(shù)進(jìn)行更快速地調(diào)整，而當(dāng)來料含水率僅出現(xiàn)一些偶然性或緩慢性的隨機(jī)波動(dòng)時(shí)則不需要進(jìn)行調(diào)整。

為了識(shí)別來料含水率的趨勢(shì)性變化，可令d(t)為每個(gè)采樣時(shí)刻的來料含水率x(t)與前一個(gè)采樣時(shí)刻的來料含水率x(t-1)的差，即

d(t)=x(t)-x(t-1)

參考符號(hào)(Sign)控制圖的構(gòu)造方法[16-17],根據(jù)d(t)的取值，構(gòu)造采樣時(shí)刻t的示性函數(shù)SN(t)：

按照控制圖判異準(zhǔn)則中趨勢(shì)性偏移的判別方式[18]，可以通過分析連續(xù)多個(gè)采樣點(diǎn)的總體情況來識(shí)別來料含水率的波動(dòng)，令Z(t)為t時(shí)刻及前6個(gè)時(shí)刻的SN值之和：

由此可以得出以下趨勢(shì)預(yù)測(cè)控制策略：

1)若Z(t)>3，說明來料含水率有增大的趨勢(shì)，可將干燥機(jī)出口含水率控制量減少1；

2)若Z(t)<-3，說明來料含水率有減小的趨勢(shì)，可將干燥機(jī)出口含水率控制量增大1；

3)若-3≤Z(t)≤3，說明來料含水率沒有趨勢(shì)性變化，出口含水率控制量不做調(diào)整。

2.3 整合控制模型

在原有PID控制模型基礎(chǔ)上，結(jié)合分區(qū)精準(zhǔn)反饋控制與趨勢(shì)預(yù)測(cè)控制策略，形成了圖4所示梗絲氣流干燥的整合控制模型。

圖4 梗絲氣流干燥的整合控制模型Fig.4 Control model of tobacco cut stem airflow drying

首先，以梗絲氣流干燥工序的來料含水率作為過程輸入，通過對(duì)來料含水率變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)進(jìn)行含水率的前饋控制；而后，在工序生產(chǎn)過程中，以梗絲氣流干燥工序的出口含水率作為過程輸出，根據(jù)出口含水率的變化進(jìn)行PID反饋控制，以確保出口含水率的穩(wěn)定性；最后，根據(jù)出口含水率實(shí)際值的偏移程度，通過分區(qū)控制的方法來減小其與目標(biāo)值的偏差。這3種控制方式同步運(yùn)行，通過來料含水率的趨勢(shì)性分析實(shí)現(xiàn)對(duì)干燥機(jī)內(nèi)物料含水率的預(yù)先控制，通過PID控制實(shí)現(xiàn)出口含水率控制的連續(xù)性和穩(wěn)定性，通過分區(qū)精準(zhǔn)控制有效降低出口含水率的誤差。

3 實(shí)際應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證整合控制模型的有效性，以南陽(yáng)卷煙廠在產(chǎn)梗絲為驗(yàn)證對(duì)象，在該廠的氣流式梗絲干燥設(shè)備上，對(duì)整合控制模型應(yīng)用前后的出口含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。設(shè)定物料流量2000 kg/h，閃蒸蒸汽流量650 kg/h，混合風(fēng)溫200 ℃，出口含水率的檢測(cè)采用TM710e在線煙草水分儀，數(shù)據(jù)采集間隔為6 s。從第350個(gè)時(shí)刻點(diǎn)開始應(yīng)用整合控制模型，控制模型應(yīng)用前后的數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 控制模型應(yīng)用前后的數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析Fig.5 Data trend analysis before and after application of control model

由圖5可以看出，模型應(yīng)用前，出口含水率的實(shí)際值存在較大幅度的連續(xù)性變化，這是由于僅采用PID控制難以對(duì)生產(chǎn)過程中的變化情況及時(shí)做出響應(yīng)，這種響應(yīng)延遲造成了出口含水率持續(xù)向一個(gè)方向變化(連續(xù)增大或減小)，進(jìn)而形成了連續(xù)的過程振蕩；而模型應(yīng)用后，通過分區(qū)精準(zhǔn)控制和對(duì)來料含水率的趨勢(shì)預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過程變化的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確調(diào)控，過程波動(dòng)顯著減小，過程質(zhì)量穩(wěn)定性得到明顯的提高。選取該控制模型應(yīng)用前后各10個(gè)批次梗絲氣流干燥工序的出口含水率數(shù)據(jù)，分別計(jì)算20個(gè)批次出口含水率的均值、方差、極差、短期過程能力指數(shù)CPK等過程質(zhì)量指標(biāo)，進(jìn)一步比較分析多個(gè)批次的出口含水率變化情況，結(jié)果如表1所示。

表1 模型應(yīng)用前后梗絲氣流干燥出口含水率比較分析Table 1 Comparative analysis of outlet moisture content in tobacco cut stem airflow drying before and after application of the model

由表1可以看出，梗絲氣流干燥出口含水率的平均偏移量從模型應(yīng)用前的0.15%降低到模型應(yīng)用后的0.10%，降低了33.3%；含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差從模型應(yīng)用前的0.290%降低到應(yīng)用后的0.209%，降低了27.9%；極差從模型應(yīng)用前的1.98%減少到應(yīng)用后的1.71%，降低了13.6%；CPK從模型應(yīng)用前的0.99提高到應(yīng)用后的1.44，提高了45.4%。對(duì)多個(gè)批次整體控制效果的比對(duì)分析結(jié)果表明，分區(qū)反饋和趨勢(shì)預(yù)測(cè)的引入有效提高了梗絲氣流干燥工序?qū)Τ隹诤实目刂颇芰Γ捎行岣吖＝z氣流干燥工序的控制精度。同時(shí)，在生產(chǎn)實(shí)踐過程中，整合控制模型的應(yīng)用還減少了操作人員憑經(jīng)驗(yàn)實(shí)施的人為主觀干擾可能造成的質(zhì)量隱患。

4 結(jié)論

本文在已有工業(yè)自動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析和智能控制技術(shù)，采用分區(qū)反饋控制的方式進(jìn)一步提高了對(duì)干燥機(jī)出口含水率偏差的響應(yīng)能力，同時(shí)結(jié)合對(duì)來料含水率變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)分析，在原有的PID反饋控制的基礎(chǔ)上構(gòu)建了前、后反饋相結(jié)合的整合控制模型。以南陽(yáng)卷煙廠在產(chǎn)梗絲為對(duì)象，對(duì)整合控制模型應(yīng)用前后的出口含水率控制效果進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，出口含水率的平均偏移量、標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差等指標(biāo)都顯著下降，過程能力指數(shù)明顯提升。

本文研究梗絲氣流干燥出口含水率精準(zhǔn)控制策略過程中形成的技術(shù)路線，同樣可為其他類似控制模式的工序提供借鑒，在煙草制絲線智能質(zhì)量控制中具有較好的推廣應(yīng)用前景。