一种对烟叶复烤机出口烟叶水分的多策略复合控制方法

摘要

本发明公开一种对烟叶复烤机出口烟叶水分多策略复合控制方法，该方法使用多策略复合控制服务器和PLC系统，自动协调使用多种控制策略，将烟叶复烤机的水分控制在给定范围内；所述方法将控制任务分解为三层，第一层主要负责解决预测、解耦和多变量协调的问题；第二层的功能主要是在第一层因模型失配等原因导致控制效果下降时，利用反馈功能进行补偿，并适当提高响应速度；第三层的功能主要是当被控变量与目标值偏差较大时，采用大幅度的调节手段，在最短的时间内将被控变量调整回目标值附近。本发明实现了烟叶复烤机的水份的自动控制，提高现场工艺控制能力，整体提升烟叶复烤加工质量。

说明书

技术领域

本发明公开一种对烟叶复烤机出口烟叶水分多策略复合控制方法及系统，特别是涉及打叶复烤生产线上一种对烟叶复烤机出口烟叶水分先进的控制方法。属烟草加工领域，

背景技术

烟叶复烤是烟叶从农产品转变到工业生产原料的一个整理和准备性的加工过程，是烟草整体加工中非常重要的环节。烟叶复烤的主要用途是对打叶分离之后的烟叶片进行处理，使叶片的水分、温度达到规定的工艺技术指标。烟叶复烤机按工艺特点主要分干燥段、冷却段和回潮段。烟叶经打叶工序后进入复烤机的水分15％～17％之间，而装箱水分要严格控制在12％±0.5。根据烟叶的吸湿特性，当其水分达到零界点8％左右时，烟叶对水分有很好的吸收特性，有利于水分的调整。因此对烟叶先进行干燥、冷却使其水分含量达到临界点，温度保持在40℃左右，具备最佳的水分调制状态，然后通过回潮控制，使烟叶水分、温度满足打包工艺要求。与其他流程工业相比，烟叶复烤工艺有其明显的特点：

(1)多干扰：入口烟叶的水分、温度、产地、品种、等级对出口水分都有非常重要的影响；加热蒸汽和回潮蒸汽的压力、温度以及饱和程度直接影响出口烟叶的水分和温度；环境空气的温度、湿度对冷却阶段的烟叶水分和温度也有较大的间接影响。

(2)多变量、强耦合：在生产过程中，始终存在着具有一定温度、湿度、压力、流速的传热介质(热气体)与烟叶在相对运动过程中发生热交换作用，从而达到烟叶的干燥、冷却、回潮等目的。不同过程的任一区段温度、湿度的变化，都会影响到其后各区段参数的变化和出口烟叶水分含量的变化。

(3)大滞后：由于回潮加水设备与烤机出口水分仪存在延时，当检测到烟叶含水率偏干或偏潮时，再来调节加水流量为时已晚，造成执行机构不能及时跟踪来料水分、流量的变化，控制作用存在较大滞后。

(4)生产过程特性多变：受前部打叶过程的影响，烟叶进料流量、烟叶喂料机的速度有时需要进行调整来满足生产的连续，这样就导致了过程的特性参数发生改变；同时，烟叶复烤在高温、高湿和粉尘等环境下工作，设备也会发生异常，在这种情况下，操作人员需要随时改变工艺操作，使过程特性具有多样性。

烟叶出口水分复烤机最重要的工艺指标，对复烤机烟叶出口水分控制要求很高：

(1)控制范围窄：复烤机出口烟叶水分通常被严格控制在12％±0.5(不同等级、产地的烟叶控制范围有差异)，控制范围只有1个百分点。

(2)调节速度快：当检测到出口水分超标时，要求各操作手段快速动作，短时间内将出口水分调节到控制范围内，否则就可能造成多箱烟叶水分不合格。

针对烟叶复烤的工艺特点及其对烟叶水分控制的严格要求，PID控制不能满足其要求。一是因为PID控制对大滞后系统控制效果差。常规PID控制器是根据被控对象的反馈信息来动作的，对于大滞后系统控制，由于反馈信息与控制动作的时间差，难以取得令人满意的控制效果。二是因为PID控制是一对一控制，难以满足多变量强耦合过程的要求。常规PID控制器以单回路调节为基础，很少考虑变量之间的相互作用，难于实现协调优化控制。对于多变量、强耦合的生产过程，当生产条件变化时，需要操作人员同时调节若干个控制回路，并确保各调节量之间相互匹配，才能控制得比较好。

针对烟叶复烤的工艺特点及其对烟叶水分控制的严格要求，专利CN101673087和专利CN103054152提出的基于预测PI算法控制系统，以及由本发明人的授权专利CN102147613所采用的模型预测控制也不能完全满足要求，主要在于：

(1)模型预测控制器根据模型来预测，但复烤生产过程特性的多变使其模型难以达到较高的精度。模型是模型预测控制的基础，控制效果很大程度上取决于模型的精度。复烤生产过程特性的多变和多干扰使多变量预测控制的模型难以达到较高的精度，这就直接影响了模型预测控制器的控制效果。

(2)复烤生产过程的多干扰使其难以满足对快速性的要求。模型预测控制器响应时间较长，一般为分钟级。而影响复烤机烟叶水分的因素很多，模型预测控制器很难将所有的因素都考虑进去，当模型预测先进控制器未考虑的干扰因素导致工况出现较大波动时，模型预测控制器的响应相对于实际的需求来看就显得较慢，难以满足生产对快速性的要求。

参考文献：

CN101673087:一种应用于打叶复烤生产线的控制方法

CN103054152:一种基于预测pi算法控制系统的烟叶复烤机水分控制方法

CN102147613:一种对烟叶复烤机水分、温度的模型预测控制方法及系统

发明内容

本发明第一个目的在于提供一种对烟叶复烤机出口烟叶水分的多策略复合控制方法，它是将控制任务分解为三层，第一层主要负责解决预测、解耦和多变量协调的问题；第二层的功能主要是在第一层因模型失配等原因导致控制效果下降时，利用反馈功能进行补偿，并适当提高响应速度；第三层的功能主要是当被控变量与目标值偏差较大时，采用大幅度的调节手段，在最短的时间内将被控变量调整回目标值附近。通过多控制层的协调，来满足不同时间尺度上的控制需求。

本发明第二个发明目的是提供一种对烟叶复烤机出口烟叶水分的多策略复合控制系统，包括：服务器，用于运行多策略复合控制器，多策略复合控制器在运行中，会根据烟叶复烤过程中的被控指标的要求和所测量的被控变量反馈以及前馈变量的变化计算操作变量，并将其作用到PLC系统中的指定PID回路上；以及PLC系统，用于通过PID回路对复烤设备进行控制。

实现本发明第一个发明目的的技术方案是：

1.一种对烟叶复烤机出口烟叶水分多策略复合控制方法，该方法使用多策略复合控制服务器和PLC系统，其中在多策略复合控制服务器中建立了多策略调度中心和实时数据库，和其中多策略复合控制服务器与具有PID回路的PLC系统实现信号互联以及该PLC系统与烟叶复烤设备实现信号互联，所述方法包括以下步骤：

(A)优选利用数据采集系统)实时在线测量或采集在烟叶复烤设备的烟叶复烤生产过程中各个区段的工艺条件数据，和烟叶复烤设备各个区段的运行参数数据，并存储在实时数据库中；

(B)在多策略调度中心中，根据当前工况进行智能判断，自动选择一种或多种控制策略，或由操作人员进行人工判断，手动选择一种或多种控制策略；

(C)采用所选择的控制策略在多策略复合控制服务器中运行多策略复合控制器，根据各个区段的被控变量的所设定目标值X_n的设定波动范围X_n±a_n和所测量或采集到的被控变量的实时数据(或反馈值)以及前馈变量的变化计算操作变量，并将其作用到PLC系统中的PID回路上或作用到PLC系统中的指定PID回路上；

(D)由PLC系统下达指令来调整烟叶复烤设备的各个区段的多个操作变量，从而将各个区段的关键的一种或多种被控变量(例如烟叶的水分和温度两种变量)或所有的被控变量的实时采集或测量数据控制到尽可能接近预先设定的目标值X_n，，优选控制到在X_n±a_n范围；

其中X_n是第n种被控变量的目标值X_n，该被控变量的波动范围是X_n±a_n，a_n是第n种被控变量以X_n为中心的期望变化幅度；

其中在步骤(B)中的控制策略包括选自于下列这些中的一种或两种或三种：

第一层预测模型控制策略：当第n种被控变量的实时测量或采集的数据与其预先设定的目标值波动范围X_n±a_n的目标值X_n之间的偏差是较小值(即△X_n⁽¹⁾)时[例如，该△X_n⁽¹⁾值是相对于a_n的>0％到≤50％(如从≥0.1％至≤50％，或从≥1％至≤50％，或从≥2％至≤50％，或从≥5％至≤50％时，或从≥10％至≤50％]，采用预测模型、解耦和多变量协调方式的控制策略来微调操作变量，从而将被控变量的(例如发生偏差的)实时数据(即实时测量或采集数据)控制到尽可能接近预先设定的目标值X_n；

第二层反馈控制策略：当第一层控制策略的控制效果下降(例如由于模型失配等原因导致控制效果下降)时或工况出现较大波动时，或者，当第n种的被控变量的实时测量或采集的数据与其预先设定的目标值波动范围X_n±a_n的目标值X_n之间的偏差是较大值(即△X_n⁽²⁾)[例如，该△X_n⁽²⁾值是相对于a_n的>50％到≤90％]时，利用反馈功能来补偿预测模型的精度不高的问题，并适当提高响应速度(即，使得操作变量的变化对被控变量的影响变得足够快速和显著)，粗调操作变量，从而将被控变量的(例如发生偏差的)实时数据(控制到尽可能接近预先设定的目标值X_n；

第三层逻辑控制策略：当第n种的被控变量的实时测量或采集的数据与其预先设定的目标值波动范围X_n±a_n的目标值X_n之间的偏差是明显较大值(即△X_n⁽³⁾)[例如，该△X_n⁽³⁾值是相对于a_n的>90％]时，采用大幅度的调节手段调整操作变量，在最短的时间内将被控变量的(例如发生偏差的)实时数据(即实时测量或采集数据)重新调整到尽可能接近预先设定的目标值X_n；

其中△X_n⁽³⁾>△X_n⁽²⁾>△X_n⁽¹⁾。

这里所述的偏差是按绝对值，即，总是取“正数”值。

其中当第n种的被控变量的实时测量或采集的数据与其预先设定的目标值波动范围X_n±a_n的目标值X_n之间的偏差△X_n⁽¹⁾值是相对于a_n的>0％到≤50％(如从≥0.1％至≤50％)时，选择第一层预测模型控制策略；

当第n种的被控变量的实时测量或采集的数据与其预先设定的目标值波动范围X_n±a_n的目标值Xn之间的偏差△X_n⁽²⁾值是相对于a_n的>50％到≤90％时，选择第二层反馈控制策略；

当第n种的被控变量的实时测量或采集的数据与其预先设定的目标值波动范围X_n±a_n的目标值X_n之间的偏差△X_n⁽³⁾值是相对于a_n的>90％(例如≥90.1％至≤200％，或91.0％至≤150％)时，选择第三层逻辑控制策略。

其中多策略复合控制服务器通过以太网与具有PID回路的PLC系统实现信号互联，和/或该PLC系统通过现场控制网络与烟叶复烤设备实现信号互联。

其中所述方法还包括PLC底层组态设计与逻辑配置，以实现对服务器与PLC之间通信的监控，对将控制器的操作变量作用到各PID回路上进行控制，并实现多策略复合控制与常规操作员控制的无扰动切换。

其中在独立于PLC、并与PLC通信的上述服务器上运行多策略复合控制器。

其中在控制器运行所在的服务器或者在PLC操作站上操作多策略复合控制器。

以上所述的方法与复烤机的型号、制造厂家无关。

实现本发明第二个发明目的的技术方案是：

一种对烟叶复烤机出口烟叶水分多策略复合控制系统，它包括：

多策略复合控制服务器，用于运行多策略复合控制器(在多策略复合控制器在运行中，根据烟叶复烤过程中的被控指标的要求和所测量的被控变量反馈以及前馈变量的变化计算操作变量，并将其作用到PLC系统中的PID回路或指定PID回路上)。一般来说，在该服务器中建立多策略调度中心，和实时数据库。

数据采集系统或实时监控系统，用于实时收集过程信息，评价多策略复合控制器性能，在线调整控制参数；或用于实时在线测量或采集在烟叶复烤设备的烟叶复烤生产过程中的工艺条件数据，和烟叶复烤设备运行参数数据；和

PLC系统，用于通过PID回路对复烤设备的操作或运行进行控制。

其中，所述PLC系统包括PLC底层组态设计与逻辑配置，用于实现对多策略复合控制器与PLC之间通信的监控，对将多策略复合控制器的操作变量作用到各PID回路上进行控制，并实现多策略复合控制与常规操作员控制的无扰动切换。

其中在服务器中还包括实时数据库，用于收集并存储生产过程数据以及多策略复合控制器的内部数据。

该系统与复烤机的型号、制造厂家无关。

在本发明中，优选的方法包括：

第一层预测、解耦、多变量协调控制方法：利用预测、解耦、多变量协调的控制策略来解决复烤工艺的多变量、强耦合、大滞后问题。相关的控制策略包括但不限于以下各种：模型预测控制，解耦控制，自适应控制，软测量技术与推理控制，智能控制(专家系统控制、模糊控制、人工神经网络控制)等。特别是近年来应用越来越广泛的模型预测控制，它是一种基于模型、滚动实施并结合反馈校正的优化控制算法。它用多变量线性模型来描述过程的动态特性，用模型预测过程输出轨迹与希望轨迹的距离，作为控制质量指标，求得最优的控制策略。反馈校正、在线滚动优化，以解决大时迟、强耦合的多变量过程控制问题。在多变量控制器中，用稳态LP/QP技术，可将过程推向约束的极限。

第二层反馈控制方法：利用反馈功能来补偿预测模型精度不高的问题。针对复烤工艺过程建模难度大、模型精度不高的问题，用反馈控制策略来补偿。相关的控制策略包括但不限于以下各种：PID控制，鲁棒性PID(RPID)控制，预估PID控制。

本层包括的主要步骤：选取关键被控变量；选取主要控制变量，使控制变量的变化对被控变量的影响足够快速和显著；确定控制算法和调节周期。

第三层逻辑控制方法：利用逻辑控制算法来解决复烤机水分要求快速调节的问题。根据复烤机的工艺特点和操作规范，确定合适的逻辑规则：逻辑条件及其相应的动作。根据这些逻辑规则，当工况满足某个逻辑条件时，就自动执行相应的动作(大幅调节，甚至直接将某些阀门全开或全关)，以期快速将复烤机水分调节到控制范围内。

本层包括的主要步骤：选择控制变量；确定逻辑控制原则。

本发明通过建立调度中心，确定控制策略切换的原则，能够根据当前工况，自动选择不同控制层上的控制策略，也可以由操作人员手动选择。同时，在多策略复合控制器的对工况进行智能判断，自动协调使用多种控制策略，自动根据被控指标的要求和所测量的被控变量反馈以及前馈变量的变化计算操作变量，并将其作用到PLC中的指定PID回路上，确保各个控制策略之间的无扰动切换。

本发明优点是：实现了烟叶复烤机出口烟叶水份的精准自动控制，提高现场工艺控制能力，整体提升烟叶复烤加工质量。

附图说明

图1是本发明的控制系统结构图。

具体实施方式

本发明实施例要解决的问题是提供一种多策略的先进的烟叶复烤机的控制方法，将优秀操作员的操作经验与工艺机理结合起来，具体的做法有：分区间采取不同的控制策略；依据过程的动态数学模型，用计算机实现闭环控制，以克服进料流量、温度、水分等对复烤过程的干扰，以实现高精度、高频率的调节。多策略复合控制器吸取了操作员的经验，同时具有计算机控制实时性的优点，充分利用前馈信息与过程测量值，高频率的实现调节。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供一种烟叶复烤机的多策略复合控制方法，所述方法包括以下步骤：(1)第一层控制选用模型预测控制策略，实施步骤：过程测试，过程辨识，控制器设计，控制器组态，PLC底层逻辑设计，控制器运行，控制器监控与维护。(2)第二层控制选用改进PID控制策略，实施步骤：选取关键被控变量；选取主要控制变量，使控制变量的变化对被控变量的影响足够快速和显著；确定控制算法和调节周期。(3)第三层控制选用逻辑控制策略，实施步骤：选择控制变量；确定逻辑控制原则。(4)调度方法的实施：确定控制策略切换的原则；确保控制策略切换的无扰动。

(1)模型预测控制策略的实施

模型预测控制是针对大滞后，多变量、存在干扰与耦合过程的有效控制策略。本实施例利用模型预测控制来解决复烤水分控制的多变量、强耦合、大滞后问题。

模型预测控制可以参照本发明人已授权专利CN102147613来进行实施。

过程测试，建立接口平台，收集过程数据。实施例需要对装置作必要的阶跃测试，做到充分激励，以激发出过程的各种动态特性。

过程辨识，采用最小二乘法辨识或者子空间法辨识等，对得到的测试数据进行分析与计算，以得到过程的动态数学模型。模型用有限脉冲响应表示。

控制器设计，主要是根据工艺原理以及经验参数(操作习惯)，调整得到的过程模型，确定控制器的结构，明确各个自变量(操作变量、前馈变量)对各个因变量(被控变量)的数学影响关系。

控制器组态，主要是确定控制器在线运行所需要的一系列组态参数，并根据生产要求确定各个被控指标的优先级、权重等。

PLC底层逻辑设计，主要是为了做到预测控制器的投用切除能安全无扰动，不会出现底层控制回路(PID)控制权不确定的情况，并监控预测控制器与PLC的通讯状态。

控制器运行，采用一台独立于PLC的计算机，运行模型预测控制器，运行中控制器根据被控指标的要求以及前馈变量的变化及时动作，以适应被控变量上下限的变化以及补偿前馈变量对过程造成的干扰。

控制器监控与维护，采用实时数据库收集过程数据与控制器各种状态，以监控控制器运行质量并根据过程工艺状态的变化及时修正模型。

(2)改进PID控制策略的实施

利用PID算法的反馈功能来补偿模型预测控制模型精度不高和快速性的问题。

模型预测控制与常规PID控制存在较大的差别，响应时间较长。当工况出现较大波动时，模型预测控制器响应慢，操作人员习惯于以前的常规控制，通常是将某些控制变量改为常规控制，调节稳定后应该再投用模型预测控制。

本实施例模仿操作人员的处理方式，将模型预测控制作为细调控制器，另外增加一个采用改进PID控制算法的粗调控制器。粗调控制器的主要功能是提高响应速度，尽快将工况稳定下来，先保证稳定，再考虑快速。在模型预测控制控制时，若工况出现较大波动，某关键被控变量的控制效果较差时，就自动切换到粗调控制器控制。粗调控制器的响应比模型预测控制器快，且只考虑某个关键被控变量这一个目标。待粗调控制器调节平稳后，就自动切换到模型预测控制器，进行多变量协调和优化。

选取关键被控变量。本实施例选取复烤机出口水分为关键被控变量。

选取主要控制变量，使控制变量的变化对被控变量的影响足够快速和显著。

本实施例选取雾化水泵频率为主要控制变量。

确定控制算法和调节周期。本实施例确定粗调控制器选用改进的预估PID控制算法。确定调节周期为1秒。

(3)逻辑控制策略的实施

利用逻辑控制算法来解决复烤机出口水分要求快速调节的问题。

选择控制变量。本实施例选取雾化水泵频率为控制变量。

确定逻辑控制原则。本实施例确定逻辑条件满足时按最大允许变化量输出。

(4)调度方法的实施

根据关键被控变量在控制范围的不同区间，采取不同的控制策略。调度负责各控制策略的切换。

确定控制策略切换的原则。本实施例确定在控制范围50％区间内时，采用模型预测控制策略；在控制范围50～90％区间时，采用改进PID控制策略；在控制范围90％区间外时，采用逻辑控制策略。

确保控制策略切换的无扰动。本实施例通过跟踪等手段，保证了各控制策略之间的无扰动切换。

本发明中的控制方法由独立于PLC系统的一台高性能计算机(称为多策略复合控制服务器)实现，有助于分散风险，在具备优良控制性能的前提下又不至于增加PLC计算负荷。本发明的控制系统结构图如附图1所示。最上层的多策略复合控制服务器运行多策略复合控制控制器，并可以修改组态参数；多策略复合控制服务器通过以太网络访问位于PLC系统的OPC接口，实现通讯，PLC系统中能进行控制器日常操作，并运行安全逻辑；PLC系统通过现场控制网络对复烤设备进行控制；实时数据库系统收集并存储生产过程数据以及多策略复合控制器内部数据，用于监控生产过程与多策略复合控制器性能。

相比较于传统的单回路PID控制和模型预测控制，本发明所采用的多策略复合控制器能够对工况进行智能判断，自动协调使用多种控制策略，及时调整多个操作变量，将被控变量控制在给定范围内，在正常情况下不需要操作人员的干预，减轻了操作人员的劳动强度。

本发明实现烟叶复烤机出口烟叶水份的精准自动控制，提高现场工艺控制能力，整体提升烟叶复烤加工质量。