CN114608150B - 一种应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法，包括：设置加热器‑温度控制回路的传递函数G₁₁(s)、表冷器‑温度控制回路的传递函数G₂₂(s)、加湿器‑湿度控制回路的传递函数G₃₃(s)、表冷器‑湿度控制回路的传递函数G₄₄(s)、加湿器‑温度控制回路的传递函数G₁₃(s)；设置加热器‑温度控制回路和加湿器‑湿度控制回路作为主控制通道，加湿器‑温度控制回路为耦合通道；根据所述主控制通道和所述耦合通道对应的传递函数将所述耦合通道的耦合信号转换为控制对象前级的扰动信号，以进行前馈补偿。本发明能提高卷烟工艺空调的温湿度调节效率，降低强耦合导致的较大超调量。

Description

一种应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法

技术领域

本发明涉及卷烟工艺空调的控制技术领域，尤其涉及一种应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法。

背景技术

在卷烟厂生产区域中的原辅料及生产工艺环节对环境的温湿度有极其严格的规范，短时间的波动即会影响烟丝含水量、造碎率的变化，进而对产品质量产生不良影响。烟草行业的生产及仓储的温湿度控制大多采用大型工艺空调集中控制，通常采取全空气***供给，可以为被控区域提供精确的热湿环境。因此其温湿度控制***必须具备降温、加热、加湿及除湿的功能，一般由冷热源、空气处理机柜、送回风管道及控制***构成。在不同工况的温湿度调整过程当中，存在温度调整过程中影响湿度指标及在湿度调整过程中影响温度指标的现象，即温度控制及湿度控制之间存在强耦合性，易导致温湿度调整的动态性能下降，甚至出现超调现象。

发明内容

本发明提供一种应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法，解决现有卷烟工艺空调温湿度调整过程中温度与湿度之间存在强耦合性，造成温湿度超调现象的问题，能提高卷烟工艺空调的温湿度调节效率，降低强耦合导致的较大超调量。

为实现以下目的，本发明提供以下技术方案：

一种应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法，包括：

设置加热器-温度控制回路的传递函数G₁₁(s)、表冷器-温度控制回路的传递函数G₂₂(s)、加湿器-湿度控制回路的传递函数G₃₃(s)、表冷器-湿度控制回路的传递函数G₄₄(s)、加湿器-温度控制回路的传递函数G₁₃(s)；

设置加热器-温度控制回路和加湿器-湿度控制回路作为主控制通道，加湿器-温度控制回路为耦合通道；

将所述耦合通道的耦合信号转换为控制对象前级的扰动信号，以进行前馈补偿。

优选的，还包括：

在表冷需求大于且等于除湿需求时，设置表冷器-温度控制回路为主控制通道，表冷器-湿度控制回路为耦合通道，并将此工况下的表冷器-湿度控制回路耦合通道传递函数记为G₃₂(s)；

在表冷需求小于除湿需求时，表冷器-湿度控制回路为主控制通道，表冷器-温度控制回路为耦合通道，将此工况下的表冷器-温度控制回路耦合通道传递函数记为G₄₁(s)。

优选的，还包括：

若以加热器-温度控制回路为主控制通道、加湿器-温度控制回路为耦合通道，则前馈补偿传递函数为F₁₃(s)，并按公式F₁₃(s)＝-G₁₃(s)/G₁₁(s)得到。

优选的，还包括：

若以表冷器-温度控制回路为主控制通道、加湿器-温度控制回路为耦合通道，则前馈补偿传递函数为F₂₃(s)，并按公式F₂₃(s)＝-G₁₃(s)/G₂₂(s)得到。

优选的，还包括：

若以加湿器-湿度控制回路为主控制通道、表冷器-湿度控制回路为耦合通道，则前馈补偿传递函数为F₃₂(s)，并按公式F₃₂(s)＝-G₃₂(s)/G₃₃(s)得到。

优选的，还包括：

设加热回路PID计算输出值为U_heat-pid,表冷阀导致的加热补偿输出为Y_F14，加湿阀门控制输出为Y_hum，加湿阀导致的理论加热补偿输出为Y_F13,加湿阀导致的理论表冷补偿输出为Y_F23,加湿阀导致的实际加热补偿输出为Y′_F13，加湿阀导致的实际表冷补偿输出为Y′_F23则按以下公式对加湿器-温度控制回路进行前馈补偿：

优选的，还包括：

设表冷需求大于等于除湿需求时的表冷阀门命令输出为U_cooler，除湿需求为U′_dehum，表冷需求小于除湿需求时的表冷阀门命令输出为U_dehum，表冷需求为U′_cooler，表冷阀导致的加湿阀加湿补偿输入为U_F32,表冷器导致的加热阀加热补偿输出为U_F14，按以下公式对表冷器-湿度控制回路及表冷器-温度控制回路进行前馈补偿：

U_F32＝U_cooler-U′_dehum；

U_F14＝U_dehum-U′_cooler。

优选的，还包括：

设置温度PID控制器和湿度PID控制器，所述温度PID控制器用于控制对应的控制对象以调节工艺空调的温度，所述湿度PID控制器用于控制对应的控制对象以调节工艺空调的湿度；

设置前馈控制器，用于设置前馈补偿传递函数，并根据耦合通道对应的传递函数确定控制对象输出值的补偿量。

本发明提供一种应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法，设置控制回路的传递函数，并根据所述主控制通道和所述耦合通道对应的传递函数将所述耦合通道的耦合信号转换为控制对象前级的扰动信号，以进行前馈补偿。解决现有卷烟工艺空调温湿度调整过程中温度与湿度之间存在强耦合性，造成温湿度超调现象的问题，能提高卷烟工艺空调的温湿度调节效率，降低强耦合导致的较大超调量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的具体实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明提供的一种应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法示意图。

图2是本发明实施例提供的耦合控制原理图。

图3是本发明实施例提供的前馈解耦原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。

针对当前卷烟工艺空调温湿度调整过程中存在温度与湿度相互干扰，造成温湿度超调现象的问题。以一台工艺空调为例，其空调机柜内设置有进回风电机及变频器、表冷器、加热器、加湿器及空调过滤网。受控区域的温湿度工况包括：低温低湿工况、高温低湿工况、低温高湿工况及高温高湿工况，对应不同的工况，为达到目标温湿度控制要求，控制输出逻辑转换如下：

(1)低温低湿工况：对应加热加湿工况，控制***的加热加湿输出，此时加热器及加湿器工作，加热器输出＝***加热输出，加湿器输出＝***加湿输出。

(2)高温低湿工况：对应降温加湿工况，控制***的降温加湿输出，此时表冷器及加湿器工作，表冷器输出＝***降温输出，加湿器输出＝***加湿输出。

(3)低温高湿工况：对应加热除湿工况，控制***的加热除湿输出，此时加热器及表冷器工作，加热器输出＝***加热输出，表冷器输出＝***除湿输出。

(4)高温高湿工况：对应降温除湿工况，控制***的降温除湿输出，此时仅表冷器工作，表冷器输出取***降温输出及除湿输出的最大值，可能引起的过度降温或者过度除湿由控制***负反馈后控制加热输出或者加湿输出。

由以上控制逻辑可以得到，在不同工况的温湿度调整过程当中，存在温度调整过程中影响湿度指标及在湿度调整过程中影响温度指标的现象，即温度控制及湿度控制之间存在强耦合性，易导致温湿度调整的动态性能下降，甚至出现超调现象。

本发明提供一种应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法，解决现有卷烟工艺空调温湿度调整过程中温度与湿度之间存在强耦合性，造成温湿度超调现象的问题，能提高卷烟工艺空调的温湿度调节效率，降低强耦合导致的较大超调量。

如图1所示，一种应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法，包括：

S1：设置加热器-温度控制回路的传递函数G₁₁(s)、表冷器-温度控制回路的传递函数G₂₂(s)、加湿器-湿度控制回路的传递函数G₃₃(s)、表冷器-湿度控制回路的传递函数G₄₄(s)、加湿器-温度控制回路的传递函数G₁₃(s)；

S2：设置加热器-温度控制回路和加湿器-湿度控制回路作为主控制通道，加湿器-温度控制回路为耦合通道；

S3：将所述耦合通道的耦合信号转换为控制对象前级的扰动信号，以进行前馈补偿。

具体地，工艺空调温湿度控制***包括加热、加湿、降温、除湿四个控制环节，其中加热环节执行机构对应加热器，加湿环节执行机构对应加湿器，降温以及除湿环节执行机构均对应表冷器，各执行机构对温湿度控制的耦合情况如下：

(1)加湿器对温湿度控制的耦合：加湿器加湿过程中不仅能够将蒸汽中的水分加入到空气中提高其含湿量，也因蒸汽存在的显热，对空气有一定的升温作用，即加湿回路的湿度控制会导致受控区域的升温。

(2)表冷(除湿需求)对温湿度控制的耦合：因除湿需求导致的表冷器除湿过程中，通过表冷冷凝的方式将空气中的水分凝结出来降低其含湿量的同时，也导致了空气的降温，即除湿回路的湿度控制会导致受控区域的降温。

(3)表冷(降温需求)对温湿度控制的耦合：因降温需求导致的表冷器降温过程中，通过热交换的方式降低空气温度的同时，也导致了空气中水分的析出，即降温回路的湿度控制会导致受控区域的湿度下降。

一种面向于卷烟厂工艺空调的温湿度解耦控制***，其加湿器-温度控制回路对温度回路的耦合干扰可以对加热器-温度控制主回路以及表冷器-温度控制主回路两个闭环控制回路产生影响，即前馈补偿可设计在这两个闭环控制回路的任一个回路中，这种***可定义为单输出多通道耦合***。加湿器-温度控制回路对温度造成的影响是正向的，即加湿会造成一定的温升。因此对加热回路的前馈补偿主要是通过减小加热回路的输出以抵消加湿造成的温升，对降温回路的前馈补偿则是通过增大降温回路的输出以抵消加湿造成的温升。经过解耦控制以及补偿算法后，能降低部分工况下强耦合导致的较大超调量，能缩短部分工况下强耦合导致的较长调节时间，能减少因***超调导致的冷热抵消、干湿抵消等能源浪费。

该方法还包括：

S4：在表冷需求大于且等于除湿需求时，设置表冷器-温度控制回路为主控制通道，表冷器-湿度控制回路为耦合通道，并将此工况下的表冷器-湿度控制回路耦合通道传递函数记为G₃₂(s)；

S5：在表冷需求小于除湿需求时，表冷器-湿度控制回路为主控制通道，表冷器-温度控制回路为耦合通道，将此工况下的表冷器-温度控制回路耦合通道传递函数记为G₄₁(s)。

在实际应用中，其在除湿工况时，表冷器通过冷凝的方式降低空气湿度的同时，也导致了空气温度的下降；而在降温工况时，表冷器也不仅通过表冷降低空气的温度，同样导致了空气湿度的下降。这种耦合关系除了会导致调节时间变长，还可能会引起较大的超调。

在一实施例中，一种面向于卷烟厂工艺空调的温湿度解耦控制***，主要使用前馈补偿解耦方法进行解耦，以两输入两输出的耦合***为例，如图2所示。前馈补偿解耦法是通过设计前馈控制器，将耦合通道的耦合信号转换为控制对象前级的扰动信号，从而实现解耦的目的，前馈补偿解耦的控制原理图如图3所示，其中F′₂₁(s)与F′₁₂(s)即为需要进行设计确定的前馈补偿传递函数。

假设R1-Y1＝E₁,R2-Y2＝E₂,则有以下公式：

Y1＝E₁G_c1(s)G′₁₁(s)+E₂G_c2(s)F′₁₂(s)G′₁₁(s)+E₂G_c2(s)G′₁₂(s) (1)；

Y2＝E₂G_c2(s)G′₂₂(s)+E₁G_c1(s)F′₂₁(s)G′₂₂(s)+E₁G_c1(s)G′₂₁(s) (2)；

若要使得Y1与E₂无关，Y2与E₁无关，则须满足：

E₂G_c2(s)F′₁₂(s)G′₁₁(s)+E₂G_c2(s)G′₁₂(s)＝0 (3)；

E₁G_c1(s)F′₂₁(s)G′₂₂(s)+E₁G_c1(s)G′₂₁(s)＝0 (4)；

因此前馈补偿解耦传递函数应为：

F′₁₂(s)＝-G′₁₂(s)/G′₁₁(s) (5)；

F′₂₁(s)＝-G′₂₁(s)/G′₂₂(s) (6)；

式中R1为第一控制回路的设定值，R2为第二控制回路的设定值，Y1为第一控制回路的实际反馈值，Y2为第二控制回路的实际反馈值，G_c1(s)为第一控制回路控制器传递函数，G_c2(s)为第二控制回路的控制器传递函数，G′₁₁(s)为第一控制回路的执行器-第一控制回路传递函数，G′₂₁(s)为第一控制回路的执行器-第二控制回路传递函数，G′₁₂(s)为第二控制回路的执行器-第一控制回路传递函数，G′₂₂(s)为第二控制回路的执行器-第一控制回路传递函数。

该方法还包括：

若以加热器-温度控制回路为主控制通道、加湿器-温度控制回路为耦合通道，则前馈补偿传递函数为F₁₃(s)，并按公式F₁₃(s)＝-G₁₃(s)/G₁₁(s)得到。

若以表冷器-温度控制回路为主控制通道、加湿器-温度控制回路为耦合通道，则前馈补偿传递函数为F₂₃(s)，并按公式F₂₃(s)＝-G₁₃(s)/G₂₂(s)得到。

若以加湿器-湿度控制回路为主控制通道、表冷器-湿度控制回路为耦合通道，则前馈补偿传递函数为F₃₂(s)，并按公式F₃₂(s)＝-G₃₂(s)/G₃₃(s)得到。

在表冷器-温度控制回路耦合通道解耦时，假设前馈补偿传递函数为F₁₄，可得：F₁₄(s)＝-G₂₂(s)/G₁₁(s)。

该方法还包括：

设加热回路PID计算输出值为U_heat-pid,表冷阀导致的加热补偿输出为Y_F14，加湿阀门控制输出为Y_hum，加湿阀导致的理论加热补偿输出为Y_F13,加湿阀导致的理论表冷补偿输出为Y_F23,加湿阀导致的实际加热补偿输出为Y′_F13，加湿阀导致的实际表冷补偿输出为Y′_F23则按以下公式对加湿器-温度控制回路进行前馈补偿：

该方法还包括：

设表冷需求大于等于除湿需求时的表冷阀门命令输出为U_cooler，除湿需求为U′_dehum，表冷需求小于除湿需求时的表冷阀门命令输出为U_dehum，表冷需求为U′_cooler，表冷阀导致的加湿阀加湿补偿输入为U_F32,表冷器导致的加热阀加热补偿输出为U_F14，按以下公式对表冷器-湿度控制回路及表冷器-温度控制回路进行前馈补偿：

U_F32＝U_cooler-U′_dehum；

U_F14＝U_dehum-U′_cooler。

该方法还包括：

设置温度PID控制器和湿度PID控制器，所述温度PID控制器用于控制对应的控制对象以调节工艺空调的温度，所述湿度PID控制器用于控制对应的控制对象以调节工艺空调的湿度；

设置前馈控制器，用于设置前馈补偿传递函数，并根据耦合通道对应的传递函数确定控制对象输出值的补偿量。

在实际应用中，一种面向于卷烟厂工艺空调的温湿度解耦控制***，采用多变量耦合控制***的解耦方法，主要通过在控制对象之前或者在其PID反馈通道上设置解耦器，将***中互相耦合导致的控制对象输出值的互相影响换算成PID的变化值，进而给定一个反向的PID补偿进行消除，实现解耦的效果。较为成熟的理论主要有相对增益法、特征曲线分析法以及状态变量法，但因对***模型的准确性均有较高的要求，实际应用较少。相对易于实现且实际应用较为广泛的方式主要包括前馈补偿解耦法、对角矩阵解耦法以及单位矩阵解耦法，其中单位矩阵解耦法可理解为对角矩阵解耦法的一个特例。

可见，本发明提供一种应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法，设置控制回路的传递函数，并根据所述主控制通道和所述耦合通道对应的传递函数将所述耦合通道的耦合信号转换为控制对象前级的扰动信号，以进行前馈补偿。解决现有卷烟工艺空调温湿度调整过程中温度与湿度之间存在强耦合性，造成温湿度超调现象的问题，能提高卷烟工艺空调的温湿度调节效率，降低强耦合导致的较大超调量。

以上依据图示所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法，其特征在于，包括：

设置加热器-温度控制回路的传递函数G₁₁(s)、表冷器-温度控制回路的传递函数G₂₂(s)、加湿器-湿度控制回路的传递函数G₃₃(s)、表冷器-湿度控制回路的传递函数G₄₄(s)、加湿器-温度控制回路的传递函数G₁₃(s)；

设置加热器-温度控制回路和加湿器-湿度控制回路作为主控制通道，加湿器-温度控制回路为耦合通道；

根据所述主控制通道和所述耦合通道对应的传递函数将所述耦合通道的耦合信号转换为控制对象前级的扰动信号，以进行前馈补偿；

设加热回路PID计算输出值为U_heat-pid,表冷阀导致的加热补偿输出为Y_F14，加湿阀门控制输出为Y_hum，加湿阀导致的理论加热补偿输出为Y_F13,加湿阀导致的理论表冷补偿输出为Y_F23,加湿阀导致的实际加热补偿输出为Y′_F13，加湿阀导致的实际表冷补偿输出为Y′_F23则按以下公式对加湿器-温度控制回路进行前馈补偿：

设表冷需求大于等于除湿需求时的表冷阀门命令输出为U_cooler，除湿需求为U′_dehum，表冷需求小于除湿需求时的表冷阀门命令输出为U_dehum，表冷需求为U′_cooler，表冷阀导致的加湿阀加湿补偿输入为U_F32,表冷器导致的加热阀加热补偿输出为U_F14，按以下公式对表冷器-湿度控制回路及表冷器-温度控制回路进行前馈补偿：

U_F32＝U_cooler-U′_dehum；

U_F14＝U_dehum-U′_cooler。

2.根据权利要求1所述的应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法，其特征在于，还包括：

在表冷需求大于且等于除湿需求时，设置表冷器-温度控制回路为主控制通道，表冷器-湿度控制回路为耦合通道，并将此工况下的表冷器-湿度控制回路耦合通道传递函数记为G₃₂(s)；

在表冷需求小于除湿需求时，表冷器-湿度控制回路为主控制通道，表冷器-温度控制回路为耦合通道，将此工况下的表冷器-温度控制回路耦合通道传递函数记为G₄₁(s)。

3.根据权利要求2所述的应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法，其特征在于，还包括：

若以加热器-温度控制回路为主控制通道、加湿器-温度控制回路为耦合通道，则前馈补偿传递函数为F₁₃(s)，并按公式F₁₃(s)＝-G₁₃(s)/G₁₁(s)得到。

4.根据权利要求3所述的应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法，其特征在于，还包括：

若以表冷器-温度控制回路为主控制通道、加湿器-温度控制回路为耦合通道，则前馈补偿传递函数为F₂₃(s)，并按公式F₂₃(s)＝-G₁₃(s)/G₂₂(s)得到。

5.根据权利要求4所述的应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法，其特征在于，还包括：

若以加湿器-湿度控制回路为主控制通道、表冷器-湿度控制回路为耦合通道，则前馈补偿传递函数为F₃₂(s)，并按公式F₃₂(s)＝-G₃₂(s)/G₃₃(s)得到。

6.根据权利要求5所述的应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法，其特征在于，还包括：

设置温度PID控制器和湿度PID控制器，所述温度PID控制器用于控制对应的控制对象以调节工艺空调的温度，所述湿度PID控制器用于控制对应的控制对象以调节工艺空调的湿度；

设置前馈控制器，用于设置前馈补偿传递函数，并根据耦合通道对应的传递函数确定控制对象输出值的补偿量。