汪文斌，馮 雪，范智平，馬 越，陳華興，任正云

1. 四川煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司，成都市世紀(jì)城路936 號(hào) 610041

2. 東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海市松江區(qū)人民北路2999 號(hào) 201620

國(guó)內(nèi)打葉復(fù)烤生產(chǎn)線中的復(fù)烤工序主要經(jīng)過(guò)干燥、冷卻、回潮三大環(huán)節(jié)［1］，通過(guò)調(diào)節(jié)片煙含水率達(dá)到抑制霉菌生長(zhǎng)、便于醇化和存儲(chǔ)、提高煙葉色澤、清除煙葉灰塵等目的［2］。因此，成品片煙裝箱含水率是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。當(dāng)裝箱含水率高于設(shè)定值時(shí)，片煙會(huì)發(fā)生霉變；當(dāng)裝箱含水率低于設(shè)定值時(shí)，片煙容易產(chǎn)生造碎。研究發(fā)現(xiàn)，影響裝箱含水率的主要因素有環(huán)境、來(lái)料、人員、設(shè)備等［3］，由于各因素的控制變量相互關(guān)聯(lián)且關(guān)系復(fù)雜，故含水率控制過(guò)程具有大滯后、非線性時(shí)變等特性，采用傳統(tǒng)PID 控制方式難以滿足生產(chǎn)工藝要求。對(duì)此已開(kāi)展較多研究，董玲嬌等［4］提出將自適應(yīng)模糊PID 控制應(yīng)用于打葉復(fù)烤系統(tǒng)；宋北光［5］采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID 對(duì)片煙含水率進(jìn)行控制；劉紹峰等［6］采用模糊內(nèi)模預(yù)估控制應(yīng)用于打葉復(fù)烤生產(chǎn)線。同時(shí)，基于模型的控制方法也進(jìn)行了廣泛研究，鄭松錦等［7］建立了片煙在高溫高濕環(huán)境中平衡含水率的數(shù)學(xué)模型；傅磊等［8］提出將雙重控制應(yīng)用于打葉復(fù)烤過(guò)程；魏俊紅等［9］提出了打葉復(fù)烤系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制模型。雖然建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型能夠有效控制打葉復(fù)烤出口含水率，但生產(chǎn)中仍存在因成品片煙輸送及裝箱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致裝箱含水率不合格等問(wèn)題，影響成品片煙質(zhì)量。為此，以KG235C 型片煙復(fù)烤機(jī)為研究對(duì)象，結(jié)合打葉復(fù)烤生產(chǎn)工藝流程，提出了一種串行滯后系統(tǒng)干擾預(yù)估補(bǔ)償控制策略，通過(guò)在串行系統(tǒng)中引入預(yù)估補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以期精準(zhǔn)控制片煙裝箱含水率，提高片煙質(zhì)量。

1 問(wèn)題分析

在打葉復(fù)烤生產(chǎn)線中，一般通過(guò)調(diào)節(jié)復(fù)烤機(jī)出口含水率來(lái)控制裝箱含水率，但在實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)出口含水率合格而裝箱含水率不合格的現(xiàn)象，主要原因是片煙從復(fù)烤機(jī)出口至裝箱過(guò)程中，受生產(chǎn)環(huán)境溫度和濕度的影響，導(dǎo)致含水率發(fā)生變化。為保證裝箱含水率達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前主要采用以下4 種方法控制含水率。

1.1 人工直接調(diào)整復(fù)烤機(jī)出口含水率

根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)對(duì)出口含水率進(jìn)行判斷，并對(duì)含水率控制系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)啟或關(guān)閉操作，進(jìn)而達(dá)到控制裝箱含水率的目的。該控制方法主要依賴于人工經(jīng)驗(yàn)，受人為因素影響大，具有較大隨機(jī)性，控制精度低，無(wú)法保證裝箱含水率的穩(wěn)定性。

1.2 人工更改復(fù)烤機(jī)出口含水率設(shè)定值

對(duì)出口含水率形成閉環(huán)控制，并根據(jù)裝箱含水率以及片煙傳輸過(guò)程中的水分散失量，通過(guò)人工設(shè)置出口含水率控制環(huán)的設(shè)定值，完成對(duì)裝箱含水率的自動(dòng)控制，見(jiàn)圖1。其中，R（s）為出口含水率基準(zhǔn)值，Y（s）為裝箱含水率，D（s）為外界干擾（環(huán)境溫度和濕度），Gc（s）為控制器，G1（s）e-τ1s為出口含水率對(duì)象，G2（s）e-τ2s為時(shí)滯對(duì)象。

圖1 人工更改復(fù)烤機(jī)出口含水率設(shè)定值控制策略Fig.1 Control strategy of manual adjustment of set value of moisture content in strips leaving dryer

采用MATLAB/Simulink 軟件進(jìn)行仿真，當(dāng)時(shí)間=0 時(shí)，R（s）從11.5%上升到 12.5%；當(dāng)時(shí)間=1 500 s 時(shí)，D（s）從0 上升到1%，相當(dāng)于出口含水率增加1 個(gè)百分點(diǎn)。結(jié)果（圖2）顯示：在人工設(shè)定值12.5%保持不變時(shí)，實(shí)際穩(wěn)態(tài)值為12.35%，具有0.15%的穩(wěn)態(tài)偏差。可見(jiàn)，通過(guò)人工對(duì)傳輸過(guò)程中水分散失量的估算結(jié)果不準(zhǔn)確，容易導(dǎo)致人工設(shè)定值不合適，進(jìn)而造成裝箱含水率出現(xiàn)偏差。

圖2 人工更改復(fù)烤機(jī)出口含水率設(shè)定值仿真圖Fig.2 Simulation diagram of manual adjustment of set value of moisture content in strips leaving dryer

1.3 裝箱含水率直接參與控制

將復(fù)烤機(jī)出口含水率與時(shí)滯視為一個(gè)廣義對(duì)象而形成的單閉環(huán)控制方法，見(jiàn)圖3。仿真結(jié)果（圖4）顯示：當(dāng)選用的控制器合適時(shí)，響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)時(shí)間短，可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)無(wú)偏差的控制效果；但當(dāng)有干擾時(shí)，響應(yīng)速度減慢，調(diào)節(jié)時(shí)間增長(zhǎng)，抗干擾性能較差。

圖3 裝箱含水率直接參與控制策略Fig.3 Direct control strategy for moisture content in redried tobacco strips packed in cases

圖4 裝箱含水率直接參與控制仿真圖Fig.4 Simulation diagram of controlling moisture content in redried tobacco strips packed in cases directly

1.4 裝箱含水率串級(jí)控制

串級(jí)控制最早是由 Franks 和 Worley 提出［10］，采用主、副控制器串接的形式，主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定值。在打葉復(fù)烤生產(chǎn)線中，主控制器為裝箱含水率控制器，副控制器為出口含水率控制器，見(jiàn)圖5。其中，Gc1（s）為副回路控制器，Gc2（s）為主回路控制器。與裝箱含水率直接參與控制系統(tǒng)相比較，該控制策略形成雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，可以改善控制系統(tǒng)性能。仿真結(jié)果（圖6）顯示：串級(jí)控制上升速度快，無(wú)超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間短，遇到干擾時(shí)響應(yīng)迅速，但在抗干擾時(shí)存在反向超調(diào)作用，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。

圖5 裝箱含水率串級(jí)控制策略Fig.5 Cascade control strategy for moisture content in redried tobacco strips packed in cases

圖6 裝箱含水率串級(jí)控制仿真圖Fig.6 Simulation diagram of cascade control of moisture content in redried tobacco strips packed in cases

2 串行滯后系統(tǒng)的干擾預(yù)估補(bǔ)償控制策略

2.1 控制策略的建立

裝箱含水率控制對(duì)象主要包括出口含水率G1（s）e-τ1s和時(shí)滯G2（s）e-τ2s兩部分（圖1）。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先采用階躍測(cè)試的方法，確定出口含水率模型然后通過(guò)分析片煙從復(fù)烤機(jī)出口到裝箱過(guò)程中含水率的變化，建立時(shí)滯模型G2（s）e-τ2s=ke-90s（0.8＜k＜1，與環(huán)境溫度、濕度有關(guān)）。根據(jù)所建立的模型，提出一種新型串行滯后系統(tǒng)的干擾預(yù)估補(bǔ)償控制策略（以下簡(jiǎn)稱串行補(bǔ)償控制策略），見(jiàn)圖7。其基本思想為：對(duì)時(shí)滯G2（s）e-τ2s采用純滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié)e-τ2s進(jìn)行正向動(dòng)態(tài)預(yù)估補(bǔ)償，由于出口含水率G1（s）e-τ1s是典型的一階加純滯后模型（FOPDT），控制器Gc（s）采用參數(shù)易調(diào)且對(duì)時(shí)滯具有良好抑制作用的預(yù)測(cè)PI 控制算法［9］。

圖7 串行補(bǔ)償控制策略Fig.7 Serial compensation control strategy

裝箱含水率的時(shí)滯時(shí)間即為片煙由復(fù)烤機(jī)出口經(jīng)傳送帶輸送到裝箱點(diǎn)的時(shí)間，約為90 s。針對(duì)其長(zhǎng)時(shí)滯特性，串行補(bǔ)償控制策略采用動(dòng)態(tài)預(yù)估補(bǔ)償，通過(guò)對(duì)當(dāng)前環(huán)境溫度、濕度等因素的預(yù)估，對(duì)裝箱含水率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，進(jìn)而削弱大滯后對(duì)控制系統(tǒng)的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝箱含水率的精準(zhǔn)控制。由圖7 可見(jiàn)，新型控制策略將原系統(tǒng)簡(jiǎn)化為只包含控制器Gc（s）和純滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié)e-τ2s的系統(tǒng)，便于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

2.2 仿真模擬分析

圖8 控制策略改進(jìn)前后裝箱含水率仿真圖Fig.8 Simulation diagram of control strategies for moisture content in redried tobacco strips packed in cases before and after modification

圖9 在模型失配下改進(jìn)前后裝箱含水率仿真圖Fig.9 Simulation comparison of moisture content in strips packed in cases under model mismatch before and after improvement

由圖9 可見(jiàn)，當(dāng)時(shí)滯模型ke-90s中的值受片煙水分散失速度的影響從0.9 降低到0.8，出現(xiàn)較大模型失配時(shí)，傳統(tǒng)串級(jí)控制容易出現(xiàn)失控、振蕩嚴(yán)重等問(wèn)題，而新型串行補(bǔ)償控制策略的控制效果良好，上升速度快，無(wú)超調(diào)，調(diào)節(jié)速度幾乎未受到模型失配的影響，魯棒性顯著優(yōu)于串級(jí)控制系統(tǒng)。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：2019 年涼山州產(chǎn)煙葉。

設(shè)備：KG235C 片煙復(fù)烤機(jī)（秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）；SNAP PAC 控制系統(tǒng)（美國(guó)OPTO22 公司）；FED-115 電熱鼓風(fēng)干燥箱（溫度精度±2 ℃，德國(guó) BINDER 公司）；PL203 分析天平（d=0.001 g，瑞士METTLER TOLEDO 公司）。

測(cè)試方法：采用同一批次同一等級(jí)的配方模塊煙葉，潤(rùn)葉段、打葉段和復(fù)烤段均按相同工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在相同生產(chǎn)工藝條件下［11］，分別采用串級(jí)控制和串行補(bǔ)償控制兩種策略，對(duì)裝箱含水率控制效果進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。裝箱含水率設(shè)定值為12.20%，利用SNAP PAC 控制系統(tǒng)采集入口含水率、冷房含水率（外界干擾）和裝箱含水率，分別連續(xù)選取200 個(gè)采樣點(diǎn)（周期為3 min），根據(jù)《YC/T147—2010 打葉煙葉 質(zhì)量檢驗(yàn)》［12］對(duì)成品片煙裝箱含水率進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由圖10 可見(jiàn)，采用串級(jí)控制時(shí)，入口含水率、冷房含水率的波動(dòng)范圍分別為16.55%～17.43%和8.81%～9.75%；采用串行補(bǔ)償控制時(shí)，入口含水率、冷房含水率的波動(dòng)范圍分別為16.47%～17.61%和8.61%～9.72%。說(shuō)明兩種控制策略下，入口含水率、冷房含水率波動(dòng)幅度基本相同，均能夠滿足工藝條件一致性要求。

當(dāng)裝箱含水率設(shè)定值12.20%保持不變時(shí)，在串級(jí)控制下裝箱含水率檢測(cè)值波動(dòng)范圍為11.79%～12.60%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.19%，波動(dòng)范圍大于0.80%，均值為12.33%，檢測(cè)值長(zhǎng)時(shí)間偏離設(shè)定值；在串行補(bǔ)償控制下，裝箱含水率檢測(cè)值波動(dòng)范圍為12.10%～12.29%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.07%，波動(dòng)范圍小于0.20%，均值為12.19%，檢測(cè)值基本上跟隨設(shè)定值，未出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，較好地抑制了入口含水率及外界干擾，從而保證成品片煙含水率的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

針對(duì)打葉復(fù)烤生產(chǎn)線中片煙裝箱含水率不穩(wěn)定等問(wèn)題，提出了一種串行預(yù)估補(bǔ)償新型控制策略。該策略采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)采用預(yù)測(cè)PI 控制器對(duì)復(fù)烤機(jī)出口含水率進(jìn)行控制，外環(huán)采用預(yù)估補(bǔ)償控制器對(duì)裝箱含水率中進(jìn)行控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅需對(duì)一個(gè)控制器進(jìn)行參數(shù)整定，便于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。以同一批次同一等級(jí)的配方模塊煙葉為材料，對(duì)串級(jí)控制和串行補(bǔ)償控制兩種策略進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明：串級(jí)控制下裝箱含水率波動(dòng)范圍為11.79%～12.60%，均值為12.33%，偏離設(shè)定值12.20%較大；串行補(bǔ)償控制下裝箱含水率為12.10%～12.29%，波動(dòng)幅度降低，均值為12.19%，基本跟隨設(shè)定值12.20%?？梢?jiàn)，新型控制策略可以準(zhǔn)確穩(wěn)定控制復(fù)烤機(jī)裝箱含水率，避免出現(xiàn)大幅度波動(dòng)和長(zhǎng)時(shí)間偏離設(shè)定值等情況，較好地抑制入口含水率變化及外界干擾，保證成品片煙質(zhì)量，適于在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中推廣應(yīng)用。