黃 輝，吳 松，王美斌

（江西中煙有限責(zé)任公司贛州卷煙廠，江西贛州 341000）

0 引言

隨著科技水平的不斷進(jìn)步，人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求也不斷提高，精細(xì)化生產(chǎn)越來(lái)越重要。煙草行業(yè)為提高產(chǎn)品質(zhì)量與節(jié)能減排，各大煙廠紛紛引入了集中工藝風(fēng)力平衡系統(tǒng)，以確保煙支生產(chǎn)過(guò)程中系統(tǒng)卷煙機(jī)負(fù)壓的穩(wěn)定供應(yīng)。目前系統(tǒng)負(fù)壓主要通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)裝置開度的調(diào)節(jié)來(lái)控制負(fù)壓大小[1]。裝置開度與負(fù)壓成一定比例關(guān)系，通常采用PID（Proportion Integration Differentiation，比例、積分、微分）控制調(diào)節(jié)方式。PID 控制方式具有很強(qiáng)適應(yīng)性，不受環(huán)境以及元器件老化等影響，但也存在響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)和超調(diào)量大的問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，本文采用了一種自適應(yīng)PID 快速調(diào)節(jié)方式，將傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)控制與PID 控制相結(jié)合的G-PID 控制算法，縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、降低系統(tǒng)超調(diào)量，以達(dá)到快速穩(wěn)定負(fù)壓的目的。

1 PID 控制

PID 控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一[2]，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。PID 控制的傳遞函數(shù)為：

其中，KP為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，τ 為微分時(shí)間常數(shù)，三者都是可調(diào)參數(shù)。

PID 控制器的輸出信號(hào)為：

其中，e（t）為t 時(shí)刻u（t）當(dāng)前值與上一時(shí)刻值的差值，系統(tǒng)穩(wěn)定在e（t）=0。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用增量式離散PID 控制方式。假設(shè)采用時(shí)間間隔為T，則在k 時(shí)刻：偏差為e（k）；積分為e（k）+e（k-1）+e（k-2）+…+e（0）；微分為（e（k）-e（k-1））/T。其控制方程為：

這樣，就只需確定Kp、Kd、Ki參數(shù)即可。Kp、Kd、Ki數(shù)值的確定取決于被控量與反饋量。令被控量的最大值為a，反饋量的最大值為b，取Kp=0.618×a/b、Kd=0.3×Kp、Ki=0.5×Kp。

2 傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)控制

經(jīng)驗(yàn)控制[3]，也稱為記憶控制，是一種應(yīng)用廣泛的控制方式。該控制方式把由隨機(jī)控制得出的結(jié)果用于指導(dǎo)下一次的控制。經(jīng)驗(yàn)控制根據(jù)以往數(shù)據(jù)，通過(guò)輸入數(shù)值，直接輸出控制結(jié)果，具有極快的系統(tǒng)響應(yīng)速度。但系統(tǒng)的自適應(yīng)性能力差，在系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)或者干擾時(shí)，無(wú)法保持控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 卷煙機(jī)負(fù)壓控制

卷煙機(jī)負(fù)壓，即VE 負(fù)壓，直接影響煙支空投等工藝指標(biāo)，穩(wěn)定合適的VE 負(fù)壓，可以提高煙支生產(chǎn)質(zhì)量。通常選用PID 調(diào)節(jié)方式來(lái)控制負(fù)壓的穩(wěn)定，控制流程如圖1 所示[1，4-5]。

圖1 VE 負(fù)壓控制流程

從圖2 可以看出，系統(tǒng)通過(guò)PID 調(diào)節(jié)，VE 負(fù)壓可穩(wěn)定保持在目標(biāo)值附近。但從初始值到目標(biāo)值有一段較長(zhǎng)的執(zhí)行時(shí)間，大約在第113 步進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域，響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，且存在較大的超調(diào)量。

圖2 改進(jìn)前VE 負(fù)壓的PID 控制曲線

4 G_PID 控制

為了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，將閥門開度與對(duì)應(yīng)的VE 負(fù)壓值進(jìn)行記錄，當(dāng)輸入目標(biāo)VE 負(fù)壓值時(shí)，系統(tǒng)立即執(zhí)行相應(yīng)的閥門開度。此時(shí)，實(shí)際系統(tǒng)負(fù)壓與目標(biāo)VE 已接近，再啟動(dòng)PID 調(diào)節(jié)，進(jìn)一步控制其達(dá)到目標(biāo)值。具體操作流程如下：

（1）建立數(shù)據(jù)塊區(qū)。數(shù)據(jù)塊大小根據(jù)所需的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量來(lái)決定，通常將數(shù)據(jù)分為20 等份，數(shù)據(jù)塊大小設(shè)置為80 個(gè)字節(jié)，即可存儲(chǔ)20 個(gè)實(shí)數(shù)變量。

（2）對(duì)目標(biāo)量及受控量進(jìn)行歸一化處理，將目標(biāo)量全量程按等差數(shù)列對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)塊，并在數(shù)據(jù)塊內(nèi)存入受控量的數(shù)值（初始值均為0）。

（3）運(yùn)行系統(tǒng)，輸入目標(biāo)量，確定目標(biāo)量所對(duì)應(yīng)的受控量，執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作到位后，系統(tǒng)開始執(zhí)行PID 控制算法，使系統(tǒng)穩(wěn)定在目標(biāo)值附近。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)數(shù)據(jù)塊內(nèi)存儲(chǔ)的受控量數(shù)值進(jìn)行更新。

圖3 為G_PID 控制程序的封裝，各參數(shù)含義見表1。

表1 G_PID 參數(shù)

圖3 G_PID 控制程序

5 G_PID 控制結(jié)果

5.1 仿真結(jié)果

以某卷煙機(jī)為例，負(fù)壓Pve為目標(biāo)值，被控量負(fù)壓調(diào)節(jié)閥開度為K。數(shù)據(jù)塊命名為DB10，大小為80 個(gè)字節(jié)，可存儲(chǔ)20 個(gè)實(shí)數(shù)型開度變量。令Pve的最大值為20 000 Pa，則20 個(gè)開度值分別對(duì)應(yīng)1000 Pa，2000 Pa，3000 Pa，……，20 000 Pa。

啟動(dòng)系統(tǒng)，輸入目標(biāo)值為20 000 Pa（Pve最大值），20 000 Pa 對(duì)應(yīng)DB10.DBD19 中的開度值（初始值為0），執(zhí)行器將閥門開度（初始開度為0）執(zhí)行到位，并記錄此時(shí)的負(fù)壓值。然后以Pve為目標(biāo)值執(zhí)行PID 控制，控制期間閥門會(huì)連續(xù)動(dòng)作，負(fù)壓隨之連續(xù)變化。當(dāng)負(fù)壓從上一檔變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)橄乱粰n時(shí)，將此時(shí)的開度值存入上一檔負(fù)壓值對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)地址，直到系統(tǒng)穩(wěn)定。為了減少系統(tǒng)運(yùn)行壓力，只有當(dāng)存儲(chǔ)值與當(dāng)前值相差超過(guò)最大值的2%時(shí)才執(zhí)行存儲(chǔ)操作，否則不執(zhí)行存儲(chǔ)指令。

將改變目標(biāo)值大小為實(shí)際所需的10 000 Pa，執(zhí)行器快速將閥門開度穩(wěn)定到DB10.DBD10 所存儲(chǔ)的開度，然后以10 000 Pa為目標(biāo)值執(zhí)行PID 控制，直到系統(tǒng)穩(wěn)定在目標(biāo)值。改進(jìn)后的系統(tǒng)仿真曲線如圖4 所示。

圖4 改進(jìn)后VE 負(fù)壓的G_PID 控制曲線

從圖4 的仿真結(jié)果可以看出，在采用G_PID 控制后，系統(tǒng)在第33 步進(jìn)入系統(tǒng)允許誤差內(nèi)，達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，且調(diào)節(jié)時(shí)間段，沒(méi)有出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。

5.2 應(yīng)用結(jié)果

采用此控制模式對(duì)風(fēng)力平衡系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，通過(guò)取2#、3#、4#、5#卷煙機(jī)的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行前后對(duì)比，數(shù)據(jù)如圖5～圖8 所示。

圖5 2#卷煙機(jī)改造前后壓力曲線

圖6 3#卷煙機(jī)改造前后壓力曲線

圖7 4#卷煙機(jī)改造前后壓力曲線

圖8 6#卷煙機(jī)改造前后壓力曲線

從以上結(jié)果可以看出，改造前當(dāng)系統(tǒng)工況發(fā)生變化時(shí)，機(jī)組在10～22 s 才恢復(fù)到正常波動(dòng)范圍內(nèi)，且波動(dòng)一般超過(guò)300 Pa。改造后系統(tǒng)工況變化時(shí)，2～5 s 就可以調(diào)節(jié)到正常范圍內(nèi)，且波動(dòng)一般不超過(guò)200 Pa。

6 結(jié)論

對(duì)傳統(tǒng)PID 控制原理進(jìn)行分析，在PID 控制的基礎(chǔ)上引入傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)控制。通過(guò)Simulink 仿真，結(jié)果表明G_PID 控制方式切實(shí)可行。通過(guò)實(shí)際的工程應(yīng)用，驗(yàn)證G_PID 控制方式極大地提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，并有效減少了系統(tǒng)超調(diào)量，有利于系統(tǒng)負(fù)壓穩(wěn)定性，技術(shù)可以在其他煙廠推廣應(yīng)用。