熊 敏 梁 勇* 張皓天 李俊宏 鐘文良 李守成 楊 冬 宋衛(wèi)東

(云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司曲靖卷煙廠,云南 曲靖 655000)

1 概述

煙支的物理指標(biāo)決定了煙支的品質(zhì)[1],在卷煙生產(chǎn)過程中,關(guān)注物理參數(shù)的變化尤為重要。煙支物理參數(shù)的控制一般通過QTM 煙支/濾棒綜合測(cè)試平臺(tái)對(duì)樣本煙支進(jìn)行檢測(cè),然后由操作人員通過測(cè)試結(jié)果對(duì)卷煙設(shè)備進(jìn)行人工干預(yù),以實(shí)現(xiàn)卷煙生產(chǎn)過程中的參數(shù)調(diào)節(jié)。此方法雖然操作簡(jiǎn)單,但實(shí)行煙支生產(chǎn)與參數(shù)檢測(cè)相分離,所以測(cè)試結(jié)果嚴(yán)重滯后于卷煙生產(chǎn)。為此,學(xué)者們對(duì)卷煙設(shè)備加入了參數(shù)在線檢測(cè)系統(tǒng),這些方法[2-4]可實(shí)現(xiàn)卷煙生產(chǎn)與參數(shù)檢測(cè)同步進(jìn)行。目前,雖然實(shí)現(xiàn)了卷煙生產(chǎn)與參數(shù)檢測(cè)的一體化,但煙支的物理參數(shù)是相互影響的,而這些閾值[5]檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果是相互獨(dú)立的,難以實(shí)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)的最佳配置。鑒于以上情況,本文使用QTM 綜合測(cè)試平臺(tái)檢測(cè)的物理參數(shù),使用最小二乘法[6],在MATLAB 平臺(tái)下分別建立長(zhǎng)度、圓周和重量與吸阻的數(shù)學(xué)模型,不僅可以實(shí)時(shí)顯示各項(xiàng)數(shù)據(jù),通過模型還能實(shí)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)的最佳配置。若將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與卷煙機(jī)相關(guān)聯(lián),加入控制各項(xiàng)參數(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)卷煙生產(chǎn)過程中參數(shù)的采集、分析和控制的連續(xù)進(jìn)行,最終實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)[7],對(duì)加快卷煙設(shè)備的自動(dòng)化發(fā)展有一定指導(dǎo)意義。

2 材料與方法

2.1 材料與儀器

卷煙(品牌1)和卷煙(品牌2)標(biāo)準(zhǔn)煙支。

QTM 煙支/濾棒綜合測(cè)試臺(tái)(英國(guó)CERULEAN 公司)。

MATLAB 仿真軟件[8](美國(guó)MathWorks 公司,6.1 版本以上)。

2.2 方法

2.2.1 樣品選取。某卷煙廠生產(chǎn)的卷煙(品牌1)和卷煙(品牌2)的煙支,此時(shí)間段內(nèi)QTM 煙支/濾棒綜合測(cè)試臺(tái)抽檢共獲得522693 組卷煙(品牌1)和116421 組卷煙(品牌2)的物理參數(shù),選取其中的長(zhǎng)度、圓周、重量和吸阻進(jìn)行分析,部分卷煙(品牌1)樣品參數(shù)如表1 所示。

表1 卷煙(品牌1)的煙支參數(shù)節(jié)選

2.2.3 模型建立與驗(yàn)證110 支煙支的物理參數(shù)作為樣本,分別選用他們的長(zhǎng)度、圓周和重量作為輸入,吸阻作為輸出,使用最小二乘法,通過最小化誤差的平方和尋找他們與吸阻的最佳匹配函數(shù)。通過MATLAB 系統(tǒng)辨識(shí)工具箱來進(jìn)行實(shí)現(xiàn),用輸入輸出的數(shù)據(jù)所提供的信息來建立數(shù)學(xué)模型,分別對(duì)長(zhǎng)度、圓周和重量與吸阻進(jìn)行辨識(shí),得出差分方程,并進(jìn)行定量分析。

3 結(jié)果

3.1 卷煙(品牌1)長(zhǎng)度與吸阻的關(guān)系

煙支的長(zhǎng)度作為輸入,吸阻作為輸出,將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí),所得差分方程為：

從圖1 可以看出,吸阻與長(zhǎng)度關(guān)系的模型預(yù)測(cè)的變化規(guī)律與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果一致,吻合度較高,此外,吸阻均值隨長(zhǎng)度的增加是波動(dòng)變化的,與表2 的檢測(cè)結(jié)果一致,模型擬合效果良好。

圖1 長(zhǎng)度與吸阻的關(guān)系

表2 不同長(zhǎng)度段檢測(cè)的吸阻平均值

3.2 卷煙(品牌1)圓周與吸阻的關(guān)系

煙支的圓周作為輸入,吸阻作為輸出,將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí),所得公式(1)的差分方程為：

A(z),B(z)為待辨識(shí)參數(shù)向量。擬合結(jié)果與實(shí)際的檢測(cè)數(shù)據(jù)幾乎重合,其擬合度為95.76%,如圖2 所示。

圖2 圓周與吸阻的關(guān)系

從圖2 可以看出,吸阻與圓周關(guān)系的模型預(yù)測(cè)的變化規(guī)律與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果一致,吻合度較高,此外,吸阻均值有隨圓周的增大而下降的趨勢(shì),與表3 的檢測(cè)結(jié)果一致,模型擬合效果良好。

表3 不同圓周段檢測(cè)的吸阻平均值

3.3 卷煙(品牌1)重量與吸阻的關(guān)系

煙支的重量作為輸入,吸阻作為輸出,將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí),所得公式(1)的差分方程為：

A(z),B(z)為待辨識(shí)參數(shù)向量。擬合結(jié)果與實(shí)際的檢測(cè)數(shù)據(jù)幾乎重合,其擬合度為96.43%,如圖3 所示。

圖3 重量與吸阻的關(guān)系

從圖3 可以看出,吸阻與重量關(guān)系的模型預(yù)測(cè)的變化規(guī)律與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果一致,吻合度較高,此外,吸阻均值有隨重量的增大而上升的趨勢(shì),與表4 的檢測(cè)結(jié)果一致,模型擬合效果良好。

表4 不同重量段檢測(cè)的吸阻平均值

3.4 模型在卷煙(品牌2)品牌中的驗(yàn)證

為探討不同品牌的煙支物理參數(shù)與吸阻的關(guān)系,本文另選了卷煙(品牌2)的煙支進(jìn)行實(shí)驗(yàn),其長(zhǎng)度、圓周和重量與吸阻的擬合度分別為98.07%、97.29%和96.82%,因此,本模型對(duì)不同品牌的煙支均具有良好的預(yù)測(cè)精度。

4 結(jié)論

4.1 學(xué)模型對(duì)煙支的物理指標(biāo)均具有良好的估計(jì)精度,擬合度可達(dá)到95%以上。

4.2 本模型對(duì)不同品牌的煙支均具有良好的適用性。

4.3 本模型可以獲得多個(gè)參數(shù)的最佳匹配,除文中討論的參數(shù)外,還包括密度、濕度和通風(fēng)率等,通過計(jì)算機(jī)控制可推動(dòng)卷煙設(shè)備向智能化發(fā)展。