(上海煙草集團(tuán)太倉海煙煙草薄片有限公司1，江蘇 太倉 215433；上海威士頓信息技術(shù)有限公司2，上海 200092)

0 引言

隨著卷煙“降焦減害”要求的不斷提高，發(fā)展優(yōu)質(zhì)煙草薄片是穩(wěn)定煙葉原料結(jié)構(gòu)和卷煙產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要途徑。一方面，煙草薄片具有很強(qiáng)的可塑性，它為卷煙加香、加料提供了新的載體，能夠?yàn)榫頍熍浞教峁┖艽蟮淖杂啥?；另一方面，由于煙葉來源的時間和產(chǎn)地不同，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)卷煙所需的煙葉原料越來越緊張，使卷煙吸味難以穩(wěn)定，而通過煙草薄片可起到穩(wěn)定卷煙品質(zhì)的作用。

傳統(tǒng)工藝處理煙草薄片時，煙草薄片旋轉(zhuǎn)干燥設(shè)備表面溫度不易準(zhǔn)確測量，且水分控制存在滯后現(xiàn)象。根據(jù)實(shí)際需求，采用改進(jìn)型PID控制算法，設(shè)計了一套烘缸出口煙草薄片的水分控制系統(tǒng)。

1 烘缸加工原理

造紙法薄片生產(chǎn)過程是將煙末、煙梗等原料，按照一定的配方要求，用水進(jìn)行配比浸泡萃取。萃取后的水不溶性物質(zhì)用類似造紙的方法進(jìn)行打漿，抄造成滿足一定要求的片基；而水溶性物質(zhì)采用真空加熱方式濃縮到一定的濃度后，加入適當(dāng)?shù)墓δ芴砑觿缓笸繛⒌匠斐尚偷钠?，干燥后成為再造煙葉。

抄造是造紙法薄片生產(chǎn)過程中一個至關(guān)重要的工序，直接影響到產(chǎn)品的大部分物理性能。烘缸是該工序中最為主要的干燥加熱設(shè)備，其作用是將從成型網(wǎng)布而來的濕紙中的水分蒸發(fā)到一定的干度，以滿足后續(xù)生產(chǎn)的工藝要求。

基片定量和水分是衡量本工序的兩個關(guān)鍵工藝指標(biāo)，兩者間存在緊密的耦合關(guān)系。只有穩(wěn)定地控制經(jīng)過烘缸加熱干燥后的基片水分，才能準(zhǔn)確測量基片水分。

在烘缸自動控制系統(tǒng)中，水分控制回路沒有直接可作為控制輸出的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要借助于烘缸的溫度控制實(shí)現(xiàn)水分的控制調(diào)節(jié)。因此不僅需要實(shí)現(xiàn)物料的水分自動控制，還需完成烘缸缸體表面溫度的自動控制，兩個控制回路通常需要相互配合共同工作。

烘缸工序的加工原理如圖1所示。

圖1 烘缸工序加工原理圖

2 PID控制算法的改進(jìn)

長期以來，傳統(tǒng)的PID控制算法由于結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易整定等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。然而針對一些多變量、大滯后、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，PID算法往往并不能獲得十分滿意的控制效果。隨著控制理論的發(fā)展，出現(xiàn)了各種分支，如專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色系統(tǒng)理論等，它們和傳統(tǒng)的PID控制策略相結(jié)合又派生出各種新型的PID類控制器，大大改善了傳統(tǒng)PID控制器的性能。

滯后過程是實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中廣泛存在的一類過程，對這類過程的控制方法和機(jī)理的研究，引起了控制工作者的普遍重視。

Smith預(yù)估器被認(rèn)為是解決滯后過程控制的里程碑。該算法采用時滯補(bǔ)償原理，將過程的滯后環(huán)節(jié)從系統(tǒng)的特征方程中消除，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)經(jīng)過滯后時間后按照規(guī)定的要求進(jìn)行設(shè)計。但該算法存在兩個方面的缺陷：①對模型的誤差非常敏感，特別是對滯后時間的誤差；②對設(shè)定點(diǎn)的跟蹤性能好，但抗干擾的能力十分有限。

比較而言，模型預(yù)測控制算法更適合于大滯后過程的優(yōu)化控制。同Smith預(yù)估器相比，模型預(yù)測控制算法的優(yōu)化目標(biāo)不是一成不變的全局優(yōu)化目標(biāo)，而是采用有限時段的滾動優(yōu)化策略，并具有反饋校正的功能。這種控制策略更加適用于復(fù)雜的工業(yè)過程，并獲得廣泛的應(yīng)用。但模型預(yù)測控制也有著自身的缺點(diǎn)： ①算法比較復(fù)雜，計算量比較大；②實(shí)施周期長，參數(shù)整定復(fù)雜；③算法的穩(wěn)定性還沒有從根本上得到有效的解決；④在重要干擾變量不可測或干擾模型不可辨識時，系統(tǒng)的控制性能將嚴(yán)重惡化。

經(jīng)過多人的改進(jìn)，由Astrom于1995年提出的具有預(yù)測功能的PI控制器已經(jīng)成功地應(yīng)用于國內(nèi)煙草行業(yè)的一些控制系統(tǒng)中。該控制器的輸入輸出傳遞函數(shù)可表示為：

(1)

式中：T為過程的主導(dǎo)時間常數(shù)；K為過程增益；τ為系統(tǒng)滯后時間；λ為可調(diào)參數(shù)。

這種控制器從本質(zhì)上看也是一種PID控制器，其結(jié)構(gòu)的第一項(xiàng)為PI控制器，第二項(xiàng)為預(yù)測控制器。該控制器依據(jù)先進(jìn)的控制機(jī)理，如內(nèi)模原理、廣義預(yù)測原理、遺傳算法和人工智能原理等來設(shè)計控制器參數(shù)；它把PID的簡單性、實(shí)用性、魯棒性和模型預(yù)測控制算法的預(yù)測功能有機(jī)地結(jié)合起來。因而該控制算法既具有PID控制算法結(jié)構(gòu)簡單、整定方便的優(yōu)點(diǎn)，又具有預(yù)測的功能。

3 烘缸控制系統(tǒng)的設(shè)計

從成型網(wǎng)布而來的濕紙依次經(jīng)過1個大烘缸和6個小烘缸的表面，被加熱干燥到工藝要求的水分指標(biāo)。其中在大烘缸的上部設(shè)有1套揚(yáng)克氣罩系統(tǒng)，用于通過循環(huán)熱風(fēng)帶走大烘缸干燥產(chǎn)生的大量水蒸氣，從而進(jìn)一步提高烘缸工序的干燥能力。

為了使烘后的基片水分更能穩(wěn)定地控制在工藝允許的偏差范圍內(nèi)，將整個烘缸工序分為大烘缸和小烘缸2個子工序分別加以控制。

在大烘缸控制系統(tǒng)中，以大烘缸出口的基片水分作為控制對象。通過調(diào)節(jié)大烘缸的蒸汽閥門來調(diào)節(jié)進(jìn)入大烘缸的蒸汽壓力，即改變了缸體表面溫度，同時調(diào)節(jié)揚(yáng)克氣罩的熱風(fēng)溫度和熱風(fēng)風(fēng)速。

大烘缸出口水分的主要調(diào)節(jié)手段為大烘缸蒸汽管道上的調(diào)節(jié)閥(圖1中的V01)。但是大烘缸的缸體表面溫度不能過高，否則易產(chǎn)生“粘缸”造成斷紙。為此當(dāng)需要提高干燥能力時，須調(diào)節(jié)揚(yáng)克氣罩的熱風(fēng)溫度和熱風(fēng)風(fēng)速。由于紙屑粉塵被熱風(fēng)帶入管道，過高的熱風(fēng)溫度會造成風(fēng)管內(nèi)“起火”，因此熱風(fēng)溫度一般設(shè)定為一個安全固定值。

當(dāng)大烘缸表面溫度不足以控制水分時，通常熱風(fēng)風(fēng)速將參與調(diào)節(jié)過程。管道內(nèi)的熱風(fēng)風(fēng)速應(yīng)該保持平衡，即送入揚(yáng)克氣罩的熱風(fēng)風(fēng)速和排出的風(fēng)速應(yīng)該始終保持一個恒定的差值，從而保證大烘缸表面的薄片紙張不會因此而被變化的風(fēng)力撕破。當(dāng)然，在調(diào)節(jié)揚(yáng)克氣罩內(nèi)熱風(fēng)風(fēng)速時需要同時控制好大烘缸的缸體表面溫度。

大烘缸水分控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 大烘缸水分控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

大烘缸控制系統(tǒng)的出口水分即為小烘缸控制系統(tǒng)的入口水分?；埥?jīng)過小烘缸的路程較長，其中1#和6#小缸為基紙入口和出口，根據(jù)實(shí)際觀察發(fā)現(xiàn)這兩個小缸在蒸汽管道壓力穩(wěn)定的情況下，固定蒸汽調(diào)節(jié)閥開度后對基紙的水分影響很小。因此，在系統(tǒng)設(shè)計中將這兩個小缸作為獨(dú)立的控制回路，保持穩(wěn)定即可。

將中間的4個小缸分為2組：第4#、5#小缸為第一組，主要完成當(dāng)出口水分控制出現(xiàn)偏差時的反饋控制功能；第2#、3#小缸為第二組，當(dāng)?shù)谝唤M的反饋控制無法完成調(diào)節(jié)時，將調(diào)節(jié)量級聯(lián)到這一組。

根據(jù)分組，下面分別詳述這兩組小缸水分控制系統(tǒng)的控制策略。

① 第一組小缸水分控制系統(tǒng)設(shè)計

以小缸出口水分為控制對象，將出口水分測量值和出口水分設(shè)定值比較后，通過出口水分控制計算出達(dá)到水分設(shè)定值所需要的烘缸溫度，將這個溫度值作為4#、5#烘缸溫度的設(shè)定值并傳送給小缸溫度控制器，達(dá)到穩(wěn)定小缸溫度的效果。因?yàn)樾「组g存在熱容性的差異，所以兩個小缸的溫度調(diào)節(jié)是各自獨(dú)立進(jìn)行的。

② 第二組小缸溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)?shù)谝唤M的反饋控制無法完成調(diào)節(jié)時，根據(jù)一定的邏輯，將第一組的控制器輸出作為第二組的設(shè)定。具體控制策略如下。

當(dāng)小缸出口的基紙水分過高，而第一組小缸的溫度已經(jīng)調(diào)節(jié)到設(shè)定上限，且在設(shè)定的時間段內(nèi)小缸的溫度設(shè)定值始終保持在設(shè)定上限，則按規(guī)定的增量增加第二組烘缸的溫度設(shè)定值。

反之，當(dāng)?shù)谝唤M出口水分過低，小缸的溫度已調(diào)節(jié)到設(shè)定下限，且在設(shè)定的時間段內(nèi)小缸的溫度設(shè)定值始終保持在設(shè)定下限，則按規(guī)定的增量減小第二組烘缸的溫度設(shè)定值。

小烘缸出口水分控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 小烘缸出口水分控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

以小缸出口水分控制回路為例，在生產(chǎn)車速為100 m/min時，從入口到出口約需30 s，而調(diào)節(jié)蒸汽管道的閥門開度后，烘缸的表面溫度約在20 s后出現(xiàn)變化，反映到出口水分的時間則更長。由此可知，該系統(tǒng)的滯后性較大，采用傳統(tǒng)的PID控制算法進(jìn)行控制時控制效果較差。

對于具有預(yù)測功能的PID控制算法，其在考慮單輸入單輸出對象時的傳遞函數(shù)模型為：

(2)

式中：T為過程時間常數(shù)。

以圖3所示控制結(jié)構(gòu)中的出口水分控制器為例，研究單個控制回路的輸入與輸出，其閉環(huán)傳遞函數(shù)模型如式(3)所示：

(3)

式中：λ為可變參數(shù)。

因此控制器的傳遞函數(shù)如式(4)所示：

(4)

分析小烘缸子工序的出口水分、烘缸表面溫度、蒸汽閥門開度等歷史數(shù)據(jù)，辨識出如下參數(shù)的控制器傳遞函數(shù)：

(5)

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用效果

由于烘缸在生產(chǎn)過程中始終處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，而缸體表面又被薄片基紙所覆蓋，因此缸體表面溫度的準(zhǔn)確測量一直是較大的技術(shù)難題。系統(tǒng)采用有線接觸式溫度測量技術(shù)，克服了傳統(tǒng)的紅外溫度測量法探頭易受水蒸氣、粉塵污染和無線傳感器不易安裝、價格昂貴的各種不足，為提高烘缸表面溫度測量的準(zhǔn)確性提供了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的溫度測量技術(shù)方案。

溫度傳感器的安裝采用耐磨損技術(shù)。隨著長時間的使用，傳感器內(nèi)底部被壓縮的彈簧裝置逐漸釋放，產(chǎn)生的推力使得傳感器探測元件與烘缸的旋轉(zhuǎn)表面始終保持緊密接觸。傳感器與安裝支架采用一對螺母對夾的方式固定，即便當(dāng)彈簧裝置被全部釋放后，仍可調(diào)節(jié)螺母，使整個傳感器外殼向烘缸表面靠近，并再次壓縮彈簧裝置，實(shí)現(xiàn)傳感器的經(jīng)久耐用。

由于烘缸圓柱形筒體表面被成型的煙草薄片所覆蓋，僅在接近兩端底面處留有空隙，因此將溫度傳感器測量裝置分別安裝在此兩端底面空隙處。

由于需要對小烘缸出口薄片基紙作整個幅面的定量和水分測量，而此處通常采用掃描架周期往復(fù)的掃描，因此對于此處掃描架探頭檢測到的數(shù)據(jù)要作處理。具體的方法是將直接采集到的水分測量數(shù)據(jù)先作有效性判斷，即只有在正常范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)才用于控制，否則直接剔除；保留后的數(shù)據(jù)再作遞推平均濾波處理，最后再參與水分控制回路的計算調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)上線應(yīng)用后，大烘缸出口水分控制誤差在±2.0%以內(nèi)，小烘缸出口水分控制誤差在±1.0%以內(nèi)。系統(tǒng)投運(yùn)前后小缸出口水分兩個星期的歷史數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 水分?jǐn)?shù)據(jù)對比

受停產(chǎn)、斷紙等影響，對剔除非正常生產(chǎn)后的數(shù)據(jù)作對比分析可以看到，在應(yīng)用新控制系統(tǒng)后，小缸出口薄片水分的穩(wěn)定性得到了明顯的提高。由于生產(chǎn)時不同牌號產(chǎn)品的工藝設(shè)定值不同，因此“樣本均值”項(xiàng)不作為比較參考。

5 結(jié)束語

烘缸水分控制系統(tǒng)是抄造工段主要的質(zhì)量控制系統(tǒng)之一，在本次改造中應(yīng)用了一種改進(jìn)型的PID控制算法，并結(jié)合接觸式測量傳感器對烘缸表面溫度進(jìn)行了準(zhǔn)確測量。從實(shí)際投入運(yùn)行后的大量數(shù)據(jù)分析看，小缸出口的基紙水分穩(wěn)定性得到了很大改善，保障了基紙定量等其他關(guān)鍵工藝質(zhì)量參數(shù)的穩(wěn)定控制，提高了煙草薄片加工過程中基紙的產(chǎn)品質(zhì)量。造紙法薄片生產(chǎn)的主要流程均借鑒了制漿造紙生產(chǎn)工藝，因此本系統(tǒng)改造的成功經(jīng)驗(yàn)，對造紙過程中類似的加工工序也具有一定的參考價值。

[1] 劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[2] 邵惠鶴，任正云.預(yù)測PID控制算法的基本原理及研究現(xiàn)狀[J].世界儀表與自動化,2004(6):17-21.

[3] 任正云，邵惠鶴，張立群.多變量對象的預(yù)測PI控制及其在工業(yè)應(yīng)用[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005(2):183-186.

[4] 周磊，費(fèi)樹岷，黃家才.一種新型的預(yù)測函數(shù)PID控制算法的研究[J].自動化儀表，2013，34(9)：63-66.

[5] 田士翔，胡澤建，董俊清，等.紅外熱電偶的原理與應(yīng)用[J].自動化儀表,2007，28(9):121-122.

[6] 田廣軍，譚少仲，曹英惠.溫度測量中的數(shù)據(jù)模型及其應(yīng)用[J].自動化儀表，1999，20(2):13-14.

[7] 姚新躍，張輝.大型紙機(jī)干燥部溫濕參數(shù)動態(tài)特征及熱能節(jié)約原理的研究[J].中國造紙學(xué)報，2009，24(4):81-86.

[8] 劉衛(wèi)國.紙張定量水分縱向控制淺析[J].湖南造紙,2007(4)：31-33.

[9] 姚新躍，張輝，胡慕伊.紙機(jī)干燥部紙幅水分控制系統(tǒng)優(yōu)化方案的分析[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010(4)：52-56.