CN105595391A - 一种关于ctd气流式烘丝机的先进控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种关于CTD气流式烘丝机的先进控制方法，将预测PI控制算法与双重积分环节串联使用，使得预测PI控制算法对常值干扰进行校正；在偏差减小的同时，所述双重积分环节用于缓慢调节副控制器，使主执行器值回复到理想设定值上，从而使***具有良好的静态性能，并最终使***达到一稳定状态。本发明能够去除干扰效果，使烘丝的出口水分达到更高的控制精度。

Description

一种关于CTD气流式烘丝机的先进控制方法

技术领域

本发明涉及CTD气流式烘丝机的控制方法，特别是涉及一种关于CTD气流式烘丝机的先进控制方法。

背景技术

在工业现场通常会有一个被控变量采用两个或者两个以上的操纵变量进行控制的情况，一般都会把他们分别作单回路***来控制，固定其中一个变量，控制另外一个变量，或者把两者并行控制，但是操纵变量的选择既要考虑工艺的合理和经济，又要考虑控制性能的快速性，这两者常常在一个控制过程中同时存在，比如烟草烘丝工段的烘丝机水分控制***中，通过固定筒壁温度，或者调节排潮量来控制，这样就不能有机的结合这两者的控制方式的优点。

控制***中，人们通过对***的输入输出进行分析或通过数学建模从而获得对象的标称模型。但无论标称模型建立得如何精确，实际***总是会存在未知的动态特性，即模型的不确定性。实际对象与标称模型的偏差可以看成是***的内扰，在控制***中，还往往存在各种各样的外部扰动，比如控制量扰动或测量噪声，控制***的这些内扰和外扰统称为***的总扰动。

在石化、钢铁、烟草等工业过程中，不可避免的会出现各种外部扰动。在这些扰动中，既有常值干扰，也有周期性干扰。对于常值干扰，一些常规的控制算法如Smith预估控制算法，内模控制算法就能对这些干扰起到很好的抑制作用，使***输出达到稳定状态。但是对于变频周期性干扰问题或其他较复杂的周期性干扰，上述方法就不管用了。因此，此类问题也就成为了工业控制的一个难点所在。

CTD(ComasTowerDryer)是意大利COMAS公司研制的新型塔式气流烘丝机，该机采用恒脱水的先进设计理念，维护保养方便。具有塔身高度低、膨胀与干燥一体化等优点。目前已在龙岩和厦门卷烟企业使用。

但由于CTD气流烘丝机在国内使用不多，还处在不断优化的过程中，在实际生产时存在不少问题，如：进料***堵料问题，出料气锁蒸汽外冒量大等。特别是出口叶丝含水率波动比较大，控制精度不高，严重制约了产品的质量提高。虽然厂家对这个问题做了大量的探索与改进工作，如：对热风温度采用相对于炉温的串级控制方案，降低了热风温度的波动，依然存在以下问题：1.叶丝含水率控制的精度低，标准偏差大，平均值偏离设定点较大。63批生产数据统计的结果为：标准偏差最大为0.2633，最小为0.1589；在设定值±0.75范围内的合格率最大为97.6，最小为87.6；平均值偏离设定点最大为0.3102。2.在头部由于水分不能检测，水分控制完全依靠操作人员的经验，造成头部水分稳定性差，波动时间长，干头烟丝多。3.由于PID控制波动大，调整的幅度过于激烈，对设备和执行机构的冲击较大，容易造成堵料与设备故障。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种关于CTD气流式烘丝机的先进控制方法，能够去除干扰效果，使烘丝的出口水分达到更高的控制精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种关于CTD气流式烘丝机的先进控制方法，将预测PI控制算法与双重积分环节串联使用，使得预测PI控制算法对常值干扰进行校正；在偏差减小的同时，所述双重积分环节用于缓慢调节副控制器，使主执行器值回复到理想设定值上，从而使***具有良好的静态性能，并最终使***达到一稳定状态。

所述预测PI控制算法的输入/出关系为： $u\left(t\right)=K\[1+\frac{1}{{\mathrm{\λT}}_{i}s}\]e\left(t\right)-\frac{1}{{\mathrm{\λT}}_{i}s}\[u\left(t\right)-u(t-L)\],$ 其中，λ是一个可调参数，直接控制闭环***响应的速度，K为增益、T_i积分时间常数、e(t)为输入与输出的偏差、u(t)为输出、u(t-L)为t-L时刻的输出。

所述双重积分环节采取以排潮控制为主、热风温度控制为辅的方式将两者协调统一。

所述双重积分环节在短期以排潮来控制出口水分，当排潮的阀位超过设定值范围时，将调整热风温度，通过热风温度的改变，使排潮阀位恢复到设定值范围。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明将双重积分环节引入到带有预测PI控制器的***中，保证***具有良好的动态响应，达到“急则治标”的功效。在偏差减小的同时，双重控制***又发挥副控制器缓慢调节的作用，使主执行器值回复到理想设定值上，从而使***具有良好的静态性能，达到操作优化的目的，并最终使***达到一稳定状态，提高了***精度，稳定排潮阀位，不需过多人工干预。

附图说明

图1为单位反馈***结构图。

图2为预测PI控制算法结构图。

图3为预测PI加双重积分环节方框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种关于CTD气流式烘丝机的先进控制方法，将预测PI控制算法与双重积分环节串联使用，使得预测PI控制算法对常值干扰进行校正；在偏差减小的同时，所述双重积分环节用于缓慢调节副控制器，使主执行器值回复到理想设定值上，从而使***具有良好的静态性能，并最终使***达到一稳定状态。

本发明的原理是：

(1)双重积分环节与预测PI控制算法结合，利用双重控制环节优良的动态响应和静态性能，将预测PI控制算法与双重积分环节串联使用，既能够提高水分的控制精度，又能够在进料状态(如入口水分，入口流量)发生变化的情况下，保持干燥塔内湿度场相对恒定，进而保证烘丝的工艺质量品质，同时优化头部和尾部的控制模式，最大限度的降低头部和尾部干烟丝量。

(2)定义：如图2所示，预测PI控制器，由独立的两部分构成，PI控制和预测估计部分，控制器的输入/出关系为：

$u\left(t\right)=K\[1+\frac{1}{{\mathrm{\λT}}_{i}s}\]e\left(t\right)-\frac{1}{{\mathrm{\λT}}_{i}s}\[u\left(t\right)-u(t-L)\]$

其中前者PI控制器，后者为预测控制器。其中，K为增益、T_i积分时间常数、e(t)为输入与输出的偏差、u(t)为输出、u(t-L)为t-L时刻的输出。

为了使烘丝的出口水分达到更高的控制精度，设计的先进控制算法取代原有的PID控制方式，由此建立一个全新的CTD气流式烘丝机先进控制新的模式。本实施方式采用的关键技术包括：预测PI技术、Kalman滤波技术、双重(多重)控制技术等。这些技术均已经在工业中成功应用，其先进性与可靠性得到石油化工、钢铁、化纤、玻璃和卷烟等大型流程工业的长期检验。

预测PI控制技术

长久以来，传统的PID控制算法由于结构简单，参数易整定等优点被广泛应用于工业控制***中。然而针对一些多变量、大滞后、非线性、强耦合的***，PID算法往往并不能获得十分满意的控制效果。通过先进过程控制APC(AdvancedProccessControl)提高***性能已成为一种趋势。

在众多的APC中，预测PI控制算法自1992年由Hagglund提出以来，得到了逐步的发展和改善，并成功应用在了一些复杂对象的控制上。预测PI控制算法可分为两种：一种是带有预测功能的PID控制器，其本质还是一种PID控制器，只是依据一些先进控制机理来设计控制器参数。另一种也是本方案所采用的，是预测算法和PID算法融合在一起的控制器，是一种真正意义上的预测PI控制算法。

预测PI控制算法已经成功应用到石油化工、钢铁、化纤、玻璃、生物发酵、复烤和卷烟行业中的100多个控制回路上，该控制器的输入输出传递函数可表示：

$U\left(s\right)=\frac{1}{\mathrm{\λ}K}(1+\frac{1}{Ts})E\left(s\right)-\frac{1}{\mathrm{\λ}Ts}(1-e^{-\mathrm{\τ}s})U\left(s\right)$

式中T为过程的主导时间常数，K一般选为过程增益，τ是***滞后时间，λ是可调参数，其目的是调整***的闭环响应速度。这种控制器从结构上来看，其第一项为PI控制器，第二项为预测控制器。因而该控制算法既具有PID控制算法结构简单、整定方便的优点，又具有预测的功能，控制精度高，鲁棒性能好。在算法的实现上也非常方便。

Kalman滤波技术

由于采用红外方式对进料和出料水分进行测量，而这种方式测量精度低，受多种干扰因素的影响较大，测量噪声大，稳定性差。因此有必要对红外水分的数据进行处理，根据红外水分测量原理和Kalman滤波技术，对所测量的数据进行处理，从统计学的角度上，得到最为真实的水分数据，为CTD气流式烘丝机的稳定操作提供保证。

卡尔曼滤波是一种高效率的递归滤波器(自回归滤波器)，它能够从一系列的不完全包含噪声的测量中，估计动态***的状态。简单来说，卡尔曼滤波器是一个“optimalrecursivedataprocessingalgorithm(最优化自回归数据处理算法)”。对于解决很大部分的问题，它是最优、效率最高甚至是最有用的。它的广泛应用已经超过30年，包括机器人导航、控制、传感器数据融合甚至在军事方面的雷达***以及导弹追踪等等。近年来更被应用于计算机图像处理，例如头脸识别、图像分割、图像边缘检测等等。

卡尔曼滤波器的5条公式是其核心内容。结合现代的计算机，其实卡尔曼的程序相当的简单，只要理解了它的那5条公式，实际应用也就变得非常简单。

本实施方式的研究对象是CTD气流式烘丝机的出口水分。根据经验判断，这个水分是和引射蒸汽流量、热风温度、风速、排潮量等有一定的动态关系的，也就是下时刻的水分是可以这些工艺量的变化而可以估计的。但经验估计不是100％的准确，可能会有偏差。这些偏差可以视为高斯白噪声，也就是偏差跟前后时间是没有关系的，而且符合高斯分配。另外，红外水分测量也是不准确的，测量值会比实际值有偏差。也把这个偏差看成是高斯白噪声。现在，在某一时刻有两个有关出口水分值：根据经验的预测值(***的预测值)和红外线水分测量的值(测量值)。运用这两个值结合它们各自的噪声来估算出口水分的实际值，此时得到的这个实际值从统计学的角度上讲是最为准确的和可靠的。

双重(多重)控制技术

在现有的水分控制中，一般采用固定排潮量，通过调整热风温度来控制水分。这种方案没有将调整排潮和热风温度有机结合起来，不能真正保证干燥塔内湿度相对稳定。

本方案采取排潮控制为主，热风温度控制为辅，并将两者协调统一。在短期以排潮控制出口水分，由于排潮控制水分具有快速的响应速度，这样可以极大限度的提高水分控制的精度，而当排潮的阀位过小或者过大时，将以适当的速率调整热风温度，这样由于热风温度的改变，将使排潮阀位恢复到所期望的设定值。这种控制模式既能够提高水分的控制精度，又能够在进料状态(如入口水分，入口流量)发生变化的情况下，保持干燥塔内湿度场相对恒定，进而保证烘丝的工艺质量品质。具体方案如图3所示。

根据以往的成功案例，CTD气流式烘丝机实施先进控制方案以后，可以达到如下目标：

1.控制过程完全自动，真正做到一键式操作，避免在生产过程中的人工干预，降低操作强度和操作的随意性。

2.克服干扰能力强，控制精度高，出口水分控制在设定值±0.5％的合格率大于97％，标准差小于0.15，出口水分平均值偏离设定点小于0.1。

3.具有自适应控制功能，在头部通过在线学习和精确的数学模型，确保头部水分快速的到达设定值，既不冲高，也不偏低。

4.通过精确的数学模型，优化头部和尾部的控制模式，最大限度的降低头部和尾部干烟丝量，干烟丝量在原有基础上减少30％。

5.协调热风温度和排潮量对水分调整之间的关联，消除它们之间的耦合，避免调整过程中的振荡。

6.通过***的设计，使***调整尽可能的平滑，降低控制***的波动幅度，减少堵料与设备故障次数，减少烟丝在生产过程中的造碎。

Claims (4)

1.一种关于CTD气流式烘丝机的先进控制方法，其特征在于，将预测PI控制算法与双重积分环节串联使用，使得预测PI控制算法对常值干扰进行校正；在偏差减小的同时，所述双重积分环节用于缓慢调节副控制器，使主执行器值回复到理想设定值上，从而使***具有良好的静态性能，并最终使***达到一稳定状态。

2.根据权利要求1所述的关于CTD气流式烘丝机的先进控制方法，其特征在于，所述预测PI控制算法的输入/出关系为： $u\left(t\right)=K\[1+\frac{1}{{\mathrm{\λT}}_{i}s}\]e\left(t\right)-\frac{1}{{\mathrm{\λT}}_{i}s}\[u\left(t\right)-u(t-L)\],$ 其中，λ是一个可调参数，直接控制闭环***响应的速度，K为增益、T_i积分时间常数、e(t)为输入与输出的偏差、u(t)为输出、u(t-L)为t-L时刻的输出。

3.根据权利要求1所述的关于CTD气流式烘丝机的先进控制方法，其特征在于，所述双重积分环节采取以排潮控制为主、热风温度控制为辅的方式将两者协调统一。

4.根据权利要求3所述的关于CTD气流式烘丝机的先进控制方法，其特征在于，所述双重积分环节在短期以排潮来控制出口水分，当排潮的阀位超过设定值范围时，将调整热风温度，通过热风温度的改变，使排潮阀位恢复到设定值范围。