一種菸葉復烤系統的製作方法
2023-04-30 19:21:11 1
專利名稱：一種菸葉復烤系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及打葉復烤技術領域，具體涉及一種菸葉復烤系統。
背景技術：
菸葉復烤過程是一個多幹擾、強耦合、大滯後、非線性、不確定的大熱容過程。在生產過程中，始終存在著具有一定溫度、溼度、壓力、流速的傳熱介質(熱氣體)與菸葉在相對運動過程中發生熱交換作用，從而達到菸葉的乾燥、冷卻、回潮等目的。菸葉復烤包括潤葉和烤片兩個重點工藝段，潤葉一般通過潤葉機實現，烤片一般通過烤片機實現，烤片機一般包括乾燥區、冷區、回潮房。不同過程的任一區段溫度、溼度的變化，都會影響到其後各區段參數的變化和出口菸葉水分含量的變化，這就使建立系統的機理模型變得相當複雜，具體表現在以下幾個方面:I)幹擾因素多:入口菸葉的水分、溫度、產地、品種、等級對出口水分都有非常重要的影響；加熱蒸汽和回潮蒸汽的壓力、溫度以及飽和程度直接影響出口菸葉的水分和溫度；環境空氣的溫度、溼度對冷卻階段的菸葉水分和溫度也有較大的間接影響。2)測量儀表存在一定的問題，特別是紅外水分儀精度受外界的影響較大，基準值易發生漂移，冷房水分儀表測量值受電噪聲的汙染，測量值波動頻繁，嚴重的影響了閉環控制的性能。3)生產過程特性多變:受前部打葉過程的影響，菸葉進料流量、菸葉餵料機的速度有時需要進行調整來滿足生產的連續，這樣就導致了過程的特性參數發生改變；同時，菸葉復烤在高溫、高溼和粉塵等環境下工作，設備也會發生異常，在這種情況下，操作人員需要隨時改變工藝操作，使過程特性具有多樣性，難以實現穩定的PID閉環控制。4)水分的控制是一個大滯後過程:往往在出口水分發生變化後，再對其進行控制是不及時的，造成的直接後果是水分在設定值上下波動，不能穩定。以上原因的存在增加了復烤出口水分控制的難度，而PID控制算法本身具有很多的局限性，如其為具有反向特性的非最小相位系統、具有嚴重頻繁幹擾的過程系統、多變量強耦合系統、帶有約束的控制系統和大滯後系統，運用簡單的PID控制算法進行的閉環控制甚至不能保證系統的穩定，更談不上控制的精度。在經典控制系統，其更注重於設備的單體運轉以及設備之間的連鎖運行，針對特定的控制迴路仍採用傳統的PID算法，而且這些控制迴路自成獨立，忽視了多因素之間的「合力作用」，例如:烤片出口菸葉的含水率很大程度受各個控制迴路的共同影響。而若是由人工手動控制，由於經驗差異，不同水平的操作工控制線的穩定時間長短不一，經驗豐富的操作工經常放棄計算機自動PID調節而完全憑自己的經驗來控制。而且在整個烤片機控制系統中，需要控制的迴路有十個之多(甚至更多)，依靠人工經驗調控，其難度和準確度是無法保證的。因此要生產出高質量的成品，必須對生產加工過程做全盤考慮，除了分析單個迴路對成品的影響還必須建立生產模型分析出多個迴路之間的相互影響、外部幹擾對控制的影響和生產工況條件約束等。只有通過創建出精準的生產模型，把各種因素及其相關性都納入整個系統綜合考慮，才能實現優秀的控制效果。
實用新型內容本實用新型解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種對菸葉復烤過程進行水分和溫度的自動控制，能夠提升控制精度的菸葉復烤系統。為解決上述技術問題，本實用新型的技術方案如下: 一種菸葉復烤系統，包括潤葉機和烤片機，潤葉機包括熱交換器和潤葉筒，烤片機包括依次連接的乾燥區、冷區和回潮房，還包括第一預測PI控制器和第二預測PI控制器，第一預測PI控制器中存儲有潤葉筒菸葉溫度設定值，第二預測PI控制器中存儲有熱風溫度設定值，潤葉筒的出口設有第一菸葉溫度測量裝置，熱交換器中設有熱風溫度測量裝置，第一菸葉溫度測量裝置與第一預測PI控制器的輸入端連接，第一預測PI控制器的輸出端和熱風溫度測量裝置與第二預測PI控制器的輸入端連接，第二預測PI控制器的輸出端與熱交換器連接。優選地，潤葉機的入口和出口分別設有均與第一預測PI控制器輸出端連接的入口蒸汽閥和出口蒸汽閥，潤葉機出口出還設有與第一預測PI控制器輸入出端連接的菸葉水分檢測裝置，第一預測PI控制器中還存儲有入口蒸汽閥和出口蒸汽閥的開度極限值，第一預測PI控制器根據開度極限值和潤葉機出口處的菸葉水分控制入口蒸汽閥和出口蒸汽閥的開度。優選地，所述潤葉機入口處還設有與第一預測PI控制器輸入端連接的進料流量信號檢測裝置，第一預測PI控制器根據進料流量信號和出口水分調節潤葉機中的加溼蒸汽量。優選地，還包括與烤片機的乾燥區入口連接的第三預測PI控制器，第三預測PI控制器內存儲有乾燥區溫度設定值，乾燥區中設有與第三預測PI控制器輸入端連接的乾燥區溫度測量裝置，第三預測PI控制器通過控制乾燥區中蒸汽流量來控制乾燥區的溫度。優選地，還包括輸出端與第三預測PI控制器輸入端連接的第四預測PI控制器，第四預測PI控制器內存儲有冷區水分設定值，冷區中設有與第四預測PI控制器輸入端連接的冷區水分測量裝置，第四預測PI控制器以冷區水分為控制目標調節乾燥區溫度設定值。優選地，所述乾燥區包括依次連接的多個，第三預測PI控制器為多入多出型控制器，多入多出型控制器的輸入端與第四預測PI控制器的輸出端連接，其輸出端分別與多個乾燥區連接，分別控制多個乾燥區的溫度。優選地，還包括與烤片機的回潮房入口連接的第五預測PI控制器，第五預測PI控制器內存儲有回潮房溫度設定值，回潮房中設有與第五預測PI控制器輸入端連接的回潮房溫度測量裝置，第五預測PI控制器通過調節回潮房的加熱蒸汽量控制回潮房各區的溫度。優選地，還包括輸出端與第五預測PI控制器輸入端連接的第六預測PI控制器，第六預測PI控制器內存儲有烤片機出口菸葉溫度設定值，回潮房出口設有與第六預測PI控制器輸入端連接的烤片機出口菸葉溫度測量裝置，第六預測PI控制器以烤片機出口菸葉溫度為目標自動調節回潮房溫度設定值。優選地，第五預測PI控制器內存儲有烤片機出口水分設定值，回潮房出口設有與第五預測PI控制器輸入端連接的烤片機出口水分測量裝置，第五預測PI控制器根據烤片機出口水分調節回潮房的加水量。優選地，所述回潮房包括依次連接的多個回潮區，第五預測PI控制器為多入多出型控制器，其分別與多回潮區同時連接。與現有技術相比，本實用新型技術方案的有益效果是:(I)本實用新型中的預測PI控制器採用預測PI控制算法對菸葉復烤過程進行控制，和普通的PID算法相比，其具有預測大滯後過程的輸出信號與抑制測量噪聲的優點，適合於大滯後對象的平穩控制。(2)本實用新型採用預測PI控制器實現菸葉復烤整線的水分和溫度的自動控制，包括對一潤、二潤和烤片三個重點工藝段的水分、溫度聯合控制，提高現場工藝控制能力，整體提升菸葉復烤加工質量。
圖1為本實用新型的菸葉復烤系統中對潤葉溫度控制的結構示意圖；圖2為本實用新型的菸葉復烤系統中對乾燥區溫度控制的框架圖；圖3為本實用新型的菸葉復烤系統中對冷區水分控制的框架圖；圖4為本實用新型的菸葉復烤系統中對冷區溫度控制的框架圖；圖5為本實用新型的菸葉復烤系統中對對回潮房水分溫度控制框架圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型的技術方案做進一步的說明。如圖1-6所示，為本實用新型的架構圖。一種菸葉復烤系統，包括潤葉機和烤片機，潤葉機包括熱交換器3和潤葉筒，烤片機包括依次連接的乾燥區、冷區和回潮房，如圖1所示，還包括第一預測PI控制器I和第二預測PI控制器2，第一預測PI控制器I中存儲有潤葉筒菸葉溫度設定值，第二預測PI控制器2中存儲有熱風溫度設定值，潤葉筒的出口設有第一菸葉溫度測量裝置，熱交換器3中設有熱風溫度測量裝置，第一菸葉溫度測量裝置與第一預測PI控制器I的輸入端連接，第一預測PI控制器I的輸出端和熱風溫度測量裝置與第二預測PI控制器2的輸入端連接，第二預測PI控制器2的輸出端與熱交換器3連接。第一預測PI控制器I和第二預測PI控制器2的設置是用於對潤葉機出口溫度進行控制，其以熱風溫度作為調節手段，利用預測PI控制算法實現閉環自動控制，以此實現對潤葉溫度的間接控制，通過本實用新型可以將潤葉溫度的波動範圍控制在±1.(TC以內，其中潤葉機中的循環風量則可根據經驗值自動設定。現有技術中，由於在潤葉機入口和出口一般都布置了加溼蒸汽噴嘴，而這兩個噴嘴對出口水分的調節作用是不同的:出口噴嘴的調節作用比較明顯、反應較快，便於控制；但從工藝角度看，入口加溼的潤溼作用時間更長，更有利於提高菸葉的潤透率。因此，在本實用新型中，將與加溼蒸汽噴嘴配套的入口蒸汽閥和出口蒸汽閥與第一預測PI控制器I輸出端連接，潤葉機出口出還設有與第一預測PI控制器I輸入端連接的菸葉水分檢測裝置，第一預測PI控制器I中還存儲有入口蒸汽閥和出口蒸汽閥的開度極限值，第一預測PI控制器I根據開度極限值和潤葉機出口處的菸葉水分控制入口蒸汽閥和出口蒸汽閥的開度。第一預測PI控制器I根據開度極限值優先調整入口蒸汽閥的開度，在入口蒸汽閥開度達到設定的開度極限值時，潤葉機出口水分仍不能滿足工藝要求，此時，第一預測PI控制器將出口蒸汽閥參與至水分控制過程中。潤葉機進料流量的波動對潤葉機出口水分的影響也是不可忽視的一個擾動因素。因此，優選地，在潤葉機入口處設有與第一預測PI控制器I輸入端連接的進料流量信號檢測裝置，第一預測PI控制器I根據進料流量信號和出口水分調節潤葉機中的加溼蒸汽量。此外，潤葉機的轉速直接影響菸葉在潤葉機內的停留時間，進而引起潤葉機出口水分的變化，並影響菸葉的潤透率。因此本系統還可以以潤葉機轉速作為水分控制的前饋變量之一。如圖2所示，本系統還包括與烤片機的乾燥區入口連接的第三預測PI控制器4，第三預測PI控制器4內存儲有乾燥區溫度設定值，乾燥區中設有與第三預測PI控制器4輸入端連接的乾燥區溫度測量裝置，第三預測PI控制器4通過控制乾燥區中蒸汽流量來控制乾燥區的溫度。作為一種最優選方式，乾燥區包括依次連接的多個，第三預測PI控制器4為多入多出型控制器，多入多出型控制器的輸出端分別與多個乾燥區連接，分別控制多個乾燥區的溫度，且第三預測PI控制器具備抗滯後解耦功能。其中，乾乾燥區中一般包括換熱器來輸入熱蒸汽，如圖2所示。如圖3所示，本系統還輸出端包括與第三預測PI控制器4輸入端連接的第四預測PI控制器5，第四預測PI控制器5內存儲有冷區水分設定值，冷區中設有與第四預測PI控制器5輸入端連接的冷區水分測量裝置，第四預測PI控制器5以冷區水分為控制目標調節乾燥區溫度設定值。由於從烤片機入口到回潮房出口的距離很長，生產過程時間漫長，若根據回潮房出口生產出的菸葉實際水分去回調乾燥區的溫度會形成嚴重滯後，給水分的控制帶來更大幹擾。為進一步提高控制精度，在不影響工藝要求的前提下，本系統對冷區出口水分進行有約束的閉環控制，並將冷區出口水分作為回潮房出口水分控制迴路的前饋變量。因此可以本系統將生產線看成由乾燥區(冷區)和回潮房兩個部分組成。如圖2和圖3所示，前部的控制目標是冷區出口水分。以乾燥區溫度作為調節手段，構成冷區水分與乾燥區溫度串級控制。首先通過第三預測PI控制器4以熱蒸汽的流量控制乾燥區的溫度，在此基礎上，通過第四預測PI控制器5與第三預測PI控制器4聯合以冷區水分為目標，調節乾燥區的溫度設定值，使冷區水分值控制在一個合理的範圍之內。此外，本系統還可以對冷區溫度進行控制，如圖4所示。另設預測PI控制器與冷區連接，預測PI控制器以回潮房出口的溫度作為前饋控制，對冷卻溫度進行控制。本系統對烤片機後部的控制目標是回潮房出口的菸葉水分和溫度，如圖5所示，本系統還包括與烤片機的回潮房入口連接的第五預測PI控制器6和輸出端與第五預測PI控制器6輸入端連接的第六預測PI控制器7 ;第五預測PI控制器6內存儲有回潮房溫度設定值和烤片機出口水分設定值，回潮房中設有與第五預測PI控制器6輸入端連接的回潮房溫度測量裝置，回潮房出口設有與第五預測PI控制器6輸入端連接的烤片機出口水分測量裝置，第五預測PI控制器6通過調節回潮房的加熱蒸汽量控制回潮房各區的溫度，第五預測PI控制器6根據烤片機出口水分調節回潮房的加水量。第六預測PI控制器7內存儲有烤片機出口菸葉溫度設定值，回潮房出口設有與第六預測PI控制器7輸入端連接的烤片機出口菸葉溫度測量裝置，第六預測PI控制器7以烤片機出口的菸葉溫度為目標自動調節回潮房溫度設定值。其中，回潮房包括依次連接的多個回潮區，第五預測PI控制器6為多入多出型控制器，具備抗滯後解耦功能，其分別與多回潮區同時連接。回潮房一般通過高壓泵來輸入水量。本系統烤片機後部控制以回潮房溫度和加水量為調節手段，構成溫度水分解耦串級控制。回潮房的加熱蒸汽控制回潮房的溫度，以烤片機出口的菸葉溫度為目標，自動調節回潮房的溫度設定值；根據烤片機出口水分調節加水量。由於回潮房內溫度與水分之間存在著較強的耦合，因此採用解耦控制算法，可以有效地將出口的菸葉水分和溫度控制在工藝要求範圍之內。為加快控制系統的響應，提高最終目標的控制精度，又將冷區出口水分以及鏈車速度等作為後部控制的擾動變量，進行前饋控制。實際系統中存在非線性、不確定性等因素的影響，在各個控制器的預測控制算法中，基於不變模型的預測輸出不可能與系統的實際輸出完全一致，而在滾動優化過程中，又要求模型輸出與實際系統輸出保持一致，為此，模型預測控制採用過程實際輸出與模型輸出之間的誤差進行反饋校正來彌補這一缺陷，這樣的滾動優化可有效地克服系統中的不確定性。同時，回潮房出口水分和冷區水分在測量的時候會出現噪聲幹擾，嚴重影響本系統的正常工作。本系統採用先進的數值濾波方法來消除噪聲的幹擾，改變一般的濾波方法造成的延遲，適應回潮房出口水分的動態特性比較快的特點，提高抗幹擾的能力，提高濾波效果。
權利要求1.一種菸葉復烤系統，包括潤葉機和烤片機，潤葉機包括熱交換器和潤葉筒，烤片機包括依次連接的乾燥區、冷區和回潮房，其特徵在於，還包括第一預測PI控制器和第二預測PI控制器，第一預測PI控制器中存儲有潤葉筒菸葉溫度設定值，第二預測PI控制器中存儲有熱風溫度設定值，潤葉筒的出口設有第一菸葉溫度測量裝置，熱交換器中設有熱風溫度測量裝置，第一菸葉溫度測量裝置與第一預測PI控制器的輸入端連接，第一預測PI控制器的輸出端和熱風溫度測量裝置與第二預測PI控制器的輸入端連接，第二預測PI控制器的輸出端與熱交換器連接。
2.根據權利要求1所述的菸葉復烤系統，其特徵在於，潤葉機的入口和出口分別設有均與第一預測PI控制器輸出端連接的入口蒸汽閥和出口蒸汽閥，潤葉機出口還設有與第一預測PI控制器輸入端連接的菸葉水分檢測裝置，第一預測PI控制器中還存儲有入口蒸汽閥和出口蒸汽閥的開度極限值，第一預測PI控制器根據開度極限值和潤葉機出口處的菸葉水分控制入口蒸汽閥和出口蒸汽閥的開度。
3.根據權利要求2所述的菸葉復烤系統，其特徵在於，所述潤葉機入口處還設有與第一預測PI控制器輸入端連接的進料流量信號檢測裝置，第一預測PI控制器根據進料流量信號和出口水分調節潤葉機中的加溼蒸汽量。
4.根據權利要求2所述的菸葉復烤系統，其特徵在於，還包括與烤片機的乾燥區入口連接的第三預測PI控制器，第三預測PI控制器內存儲有乾燥區溫度設定值，乾燥區中設有與第三預測PI控制器輸入端連接的乾燥區溫度測量裝置，第三預測PI控制器通過控制乾燥區中蒸汽流量來控制乾燥區的溫度。
5.根據權利要求4所述的菸葉復烤系統，其特徵在於，還包括輸出端與第三預測PI控制器輸入端連接的第四預測PI控制器，第四預測PI控制器內存儲有冷區水分設定值，冷區中設有與第四預測PI控制器輸入端連接的冷區水分測量裝置，第四預測PI控制器以冷區水分為控制目標調節乾燥區溫度設定值。
6.根據權利要求4所述的菸葉復烤系統，其特徵在於，所述乾燥區包括依次連接的多個，第三預測PI控制器為多入多出型控制器，多入多出型控制器的輸入端與第四預測PI控制器的輸出端連接，其輸出端分別與多個乾燥區連接，分別控制多個乾燥區的溫度。
7.根據權利要求1所述的菸葉復烤系統，其特徵在於，還包括與烤片機的回潮房入口連接的第五預測PI控制器，第五預測PI控制器內存儲有回潮房溫度設定值，回潮房中設有與第五預測PI控制器輸入端連接的回潮房溫度測量裝置，第五預測PI控制器通過調節回潮房的加熱蒸汽量控制回潮房各區的溫度。
8.根據權利要求7所述的菸葉復烤系統，其特徵在於，還包括輸出端與第五預測PI控制器輸入端連接的第六預測PI控制器，第六預測PI控制器內存儲有烤片機出口菸葉溫度設定值，回潮房出口設有與第六預測PI控制器輸入端連接的烤片機出口菸葉溫度測量裝置，第六預測PI控制器以烤片機出口的菸葉溫度為目標自動調節回潮房溫度設定值。
9.根據權利要求8所述的菸葉復烤系統，其特徵在於，第五預測PI控制器內存儲有烤片機出口水分設定值，回潮房出口設有與第五預測PI控制器輸入端連接的烤片機出口水分測量裝置，第五預測PI控制器根據烤片機出口水分調節回潮房的加水量。
10.根據權利要求7所述的菸葉復烤系統，其特徵在於，所述回潮房包括依次連接的多個回潮區，第五預測PI控制器為多入多出型控制器，其分別與多回潮區同時連接。
專利摘要本實用新型具體公開一種菸葉復烤系統。其包括潤葉機和烤片機，潤葉機包括熱交換器和潤葉筒，烤片機包括依次連接的乾燥區、冷區和回潮房，還包括存儲有潤葉筒菸葉溫度設定值的第一預測PI控制器和存儲有熱風溫度設定值的第二預測PI控制器，潤葉筒的出口設有與第一預測PI控制器輸入端連接的第一菸葉溫度測量裝置，熱交換器中設有與第二預測PI控制器輸入端連接的熱風溫度測量裝置，第二預測PI控制器連接與熱交換器連接。本實用新型的預測PI控制器具有預測大滯後過程的輸出信號與抑制測量噪聲的優點，適合於大滯後對象的平穩控制，能實現菸葉復烤整線的水分和溫度的自動控制，提高現場工藝控制能力，整體提升菸葉復烤加工質量。
文檔編號A24B3/10GK203028084SQ201220737298
公開日2013年7月3日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者羅巖峰, 劉永強, 李敏, 謝曉斌, 潘展庭, 陳越立, 邵蘭軍, 王曉園, 嚴錦申, 黃瑞寅, 黃磊, 關羅浩, 楊天樂, 陳坤華, 李福君 申請人:廣東中煙工業有限責任公司