基于MATLAB的薄板烘絲機(jī)料頭控制改善方法

摘" 要：薄板烘絲機(jī)是煙草行業(yè)制絲生產(chǎn)線上配備的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要作用是對切后煙絲進(jìn)行干燥處理，使煙絲符合工藝要求，通過烘絲后，煙絲的水分、填充率以及卷曲程度等均達(dá)到工藝要求狀態(tài)，目前在用薄板烘絲機(jī)型號為KLD-2烘絲機(jī)。薄板烘絲機(jī)有較大熱容的大滯后系統(tǒng)，出口煙絲水分含量相對于輸入變量具有較強(qiáng)的非線性和滯后性，又由于入口煙絲水分含量波動、天氣變化等干擾，所以造成在日常生產(chǎn)過程中，烘絲段的料頭調(diào)整極為不穩(wěn)定，影響煙絲整體質(zhì)量。由于烘絲機(jī)內(nèi)部控制系統(tǒng)無法介入，因此運(yùn)用更改控制算法的方法無法從根本上改變烘絲滾筒的性能狀態(tài)。所以該文僅以日常MES系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)的作為樣本，經(jīng)過MATLAB進(jìn)行函數(shù)擬合，得出一個(gè)理論公式，在煙絲生產(chǎn)過程中作為料頭調(diào)整時(shí)的控制參考，從而提高煙絲水分的合格率。

關(guān)鍵詞：薄板烘絲機(jī)；函數(shù)擬合；MATLAB；煙草行業(yè)；制絲

中圖分類號：TS43" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " " 文章編號：2095-2945（2025）09-0151-05

Abstract： The thin sheet dryer is one of the key equipment equipped on the silk production line in the tobacco industry. Its main function is to dry the cut tobacco so that it meets the process requirements. After drying， the moisture， filling rate and curl of the tobacco have all reached the process requirements. The current model of the thin sheet dryer is KLD-2 tobacco dryer. Thin-plate tobacco dryer has a large hysteresis system with a large heat capacity. The moisture content of outlet tobacco has strong non-linearity and hysteresis relative to the input variable. Due to fluctuations in the moisture content of inlet tobacco， weather changes and other disturbances， the process of daily production is caused. During the process， the adjustment of the head of the drying section is extremely unstable， which affects the overall quality of the tobacco. Since the internal control system of the thread dryer cannot intervene， the performance status of the thread dryer cannot be fundamentally changed by changing the control algorithm. Therefore， this paper only takes the data collected by the daily MES system as a sample， and uses MATLAB to perform function fitting to obtain a theoretical formula， which can be used as a control reference when adjusting the head during the tobacco production process， thereby improving the pass rate of tobacco moisture.

Keywords： thin sheet tobacco dryer; function fitting; MATLAB; tobacco industry; silk making

在卷煙制絲過程中，如果想從一種產(chǎn)品規(guī)格的生產(chǎn)快速轉(zhuǎn)換到另一種產(chǎn)品規(guī)格的生產(chǎn)，或者從一種葉組配方模塊的加工快速轉(zhuǎn)換到另一種葉組配方模塊的加工，制絲生產(chǎn)系統(tǒng)（或線）就必須快速地響應(yīng)這種變化的需求，快速地組織生產(chǎn)調(diào)度、快速地選擇合適加工路線、快速地確定適宜加工方式和快速地改變相應(yīng)加工參數(shù)等。如果沒有現(xiàn)代的物流技術(shù)、現(xiàn)代的自動化控制技術(shù)、現(xiàn)代的信息化技術(shù)和現(xiàn)代的制造技術(shù)等在卷煙制絲線上的集成應(yīng)用，系統(tǒng)的這種快速響應(yīng)能力是很難實(shí)現(xiàn)的。因此柔性制絲是一種集多種現(xiàn)代技術(shù)為一體的先進(jìn)生產(chǎn)方式，具有隨生產(chǎn)任務(wù)、加工條件等改變而進(jìn)行快速調(diào)整的能力。

1" KLD-2烘絲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)及設(shè)備組成

以KLD-2烘絲機(jī)為例說明，KLD-2型烘絲機(jī)是從德國豪尼公司引進(jìn)的2個(gè)溫度控制區(qū)域滾筒式煙絲干燥設(shè)備，該設(shè)備利用自動檢測手段，提供反饋信息進(jìn)行自動控制，從而獲得理想的干燥效果。

1.1" 主要技術(shù)參數(shù)

生產(chǎn)能力為5 000 kg/h；輸入平均含水量為25%；輸出平均含水量為13%；滾筒直徑為1 900 mm；滾筒長度為12 000 mm；傾斜度為5°；額定流量蒸汽消耗量大約為為1 310 kg/h；蒸汽流量最高消耗量為2 600 kg/h；工作蒸汽壓力為8 bar；干燥后出口煙絲溫度為60～80 ℃；驅(qū)動電機(jī)為4 kW×4；進(jìn)料口平均流量為7 400 kg/h；出料口平均流量為6 125 kg/h。

1.2" 設(shè)備組成

KLD-2烘絲機(jī)是采用兩段薄板滾筒式煙絲干燥設(shè)備，主要利用設(shè)置在筒體內(nèi)被蒸汽加熱后的壁和片的外表面來加熱煙絲，同時(shí)采用熱風(fēng)進(jìn)行干燥，從而使干燥后的煙絲水分的精確度和均勻性得到保證。烘絲機(jī)根據(jù)熱風(fēng)與煙絲流向不同，分為順流式和逆流式2種，KLD-2型烘絲機(jī)為順流式烘絲機(jī)，其主要由支架、烘筒、熱風(fēng)系統(tǒng)、傳動裝置、蒸汽管路系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)、排潮與除塵裝置和控制系統(tǒng)等組成。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2" 分析方案設(shè)計(jì)與改善實(shí)施

2.1" 烘絲機(jī)系統(tǒng)控制原理簡要分析

開環(huán)控制系統(tǒng)的定義：系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制沒有影響的控制系統(tǒng)，即系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間不存在反饋，

在自動控制系統(tǒng)中，如果既有信號正向通路又有反饋通路，構(gòu)成閉合回路的稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，又可以稱為反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的定義：系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用有直接影響的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)是根據(jù)系統(tǒng)輸出的變化來進(jìn)行控制的，即通過系統(tǒng)輸出值與設(shè)定值之間的偏差，對系統(tǒng)控制做出調(diào)整，以消除偏差、獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。

復(fù)合控制又稱開環(huán)-閉環(huán)控制，是同時(shí)包含閉環(huán)控制和開環(huán)控制的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。復(fù)合控制能顯著減小擾動對系統(tǒng)的影響，有利于提高控制精度。

2.2" 料頭控制分析

烘絲過程以筒壁干燥為主，烘絲筒壁溫度的控制對出口煙絲的實(shí)際水分有著關(guān)鍵的影響。生產(chǎn)狀態(tài)下，烘絲筒壁溫度的控制由前饋數(shù)學(xué)模型與實(shí)際水分反饋共同決定。以切絲水分、煙絲流量等一系列參數(shù)作為前饋值，建立前饋數(shù)學(xué)模型；以烘絲出口煙絲的實(shí)際水分作為反饋值，建立實(shí)際水分反饋。兩者對烘絲筒壁溫度進(jìn)行PID 控制，使得出口煙絲的實(shí)際水分與設(shè)定值相一致。但由于在煙絲尚未到達(dá)出口水分儀時(shí)，烘絲機(jī)處于起動狀態(tài)，出口處沒有煙絲，無法測量出口煙絲的實(shí)際水分，不能構(gòu)成實(shí)際水分反饋，烘絲筒壁溫度的控制完全由前饋數(shù)學(xué)模型決定，因此前饋數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性是決定烘絲料頭控制精度的關(guān)鍵。

2.3" 影響煙絲出口水分的因素分析

因素分析見表1。根據(jù)表1分析，烘絲機(jī)的薄板溫度可以通過調(diào)節(jié)進(jìn)入薄板的蒸汽量來調(diào)節(jié)，因此，在其他因素都無法控制的情況下，只能通過調(diào)節(jié)進(jìn)入烘絲機(jī)薄板的蒸汽量即桶壁溫度來控制出口煙絲水分。

2.4" 樣本相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)的選取

數(shù)據(jù)選取來源：A線段薄板烘絲機(jī)。由于A線烘絲段生產(chǎn)煙絲牌號較多，不同牌號的煙絲生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不一，設(shè)備參數(shù)設(shè)定不一，經(jīng)實(shí)際操作A產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中控制相對較為理想，設(shè)備控制參數(shù)平穩(wěn)，并且樣本數(shù)據(jù)量穩(wěn)定，故在此次分析中選取A產(chǎn)品這一牌號進(jìn)行分析。

由于2019年3月A產(chǎn)品VAS出口水分由12.8上調(diào)至13.0故1至3月份的數(shù)據(jù)指標(biāo)不采入本次分析。選取數(shù)據(jù)為MES系統(tǒng)中2019年3月至2019年6月所記錄的所有A產(chǎn)品牌號的生產(chǎn)指標(biāo)情況。本次數(shù)據(jù)采樣，選用以下2種方式進(jìn)行，作為對比分析（表2）。

2.5" 相關(guān)函數(shù)的確定

影響烘絲機(jī)后冷床出料含水率的因素眾多，但在控制過程中，其直接相關(guān)因素是切絲含水率以及桶壁溫度，所以在數(shù)據(jù)選取過程，為避免函數(shù)擬合結(jié)果線性度較差，函數(shù)過于復(fù)雜，不便于得出經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算，故選取數(shù)據(jù)指標(biāo)為1區(qū)桶壁溫度，2區(qū)桶壁溫度，切絲含水率，冷床出料含水率。

2.5.2" 取樣擬合優(yōu)度解釋

經(jīng)多次擬合對比選擇擬合函數(shù)類型為多形式逼近（Polynomial），經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，高級函數(shù)擬合度并不高，同時(shí)高階函數(shù)的函數(shù)階數(shù)越高容易造成擬合函數(shù)振蕩，由于函數(shù)過于復(fù)雜，不便于后期作為經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算，所在函數(shù)階數(shù)方面選擇1階函數(shù)。

3" 結(jié)果與分析

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式實(shí)踐，采取公式進(jìn)行料頭控制與正常依據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行料頭控制的結(jié)果對比。

依據(jù)正常操作經(jīng)驗(yàn)所生產(chǎn)的A產(chǎn)品的筒壁溫度與切絲含水率線性分析，如圖9所示。

4" 結(jié)論

本文意在通過數(shù)據(jù)整合，分析發(fā)現(xiàn)烘絲機(jī)在日常操作中的一些有規(guī)律特質(zhì)，從而簡化、精確烘絲滾筒的料頭控制環(huán)節(jié)。通過該理論公式，在已知來料水分的情況，可計(jì)算得出烘絲桶壁溫度。在控制料頭的過程中，可提前預(yù)知穩(wěn)態(tài)下的烘絲滾筒桶壁溫度，有利于縮短料頭調(diào)整時(shí)間，減少料頭不合格煙絲，節(jié)約成本，同時(shí)由于控制的提前，以及生產(chǎn)穩(wěn)態(tài)時(shí)間的增加從而達(dá)到整體提升烘絲滾筒生產(chǎn)環(huán)節(jié)的煙絲合格率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葉宏音.薄板烘絲機(jī)精準(zhǔn)化控制技術(shù)研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2016（4）：45-49.

[2] 陳河祥，洪偉齡.薄板型烘絲機(jī)干燥去濕控制方法的改進(jìn)[C]// 2006年中國煙草學(xué)會工業(yè)專業(yè)委員會煙草工藝學(xué)術(shù)研討會，2006.

[3] 劉金琨.先進(jìn)PID控制與MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：71-73.