一種對菸葉復烤機水分、溫度的模型預測控制方法及系統的製作方法

2023-04-25 20:03:46 3

專利名稱：一種對菸葉復烤機水分、溫度的模型預測控制方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及菸草加工領域，特別是涉及打葉復烤生產線對煙片復烤機水分、溫度 的一種先進的控制方法。
背景技術：
菸葉復烤是菸葉從農產品轉變到工業生產原料的一個整理和準備性的加工過程， 是菸草加工「第一車間」，它是在烤菸生產的基礎上形成的，同時菸葉復烤作為一個產業並 逐步發展到規模化和工業化，為捲菸工業企業實現片煙投料奠定支撐基礎。煙片復烤機是打葉復烤生產線中的主要設備，其用途是調整煙片中的水分，去除 煙片中的雜氣，殺滅煙片中的害蟲和病菌，使煙片更適合於存儲與醇化。其工作過程是物料 通過網帶輸送進入復烤機，採用傳導、對流等熱交換方式，分別進行烘烤、冷卻、回潮工藝處 理，使葉片的水分、溫度達到規定的工藝技術指標。烘烤一般是四個單獨的烘烤區(部分廠家有五個烤區)，利用上下交替熱風烘烤 菸葉，通過排潮系統排走溼熱氣體，去除煙片中自由水，殺死部分菸葉病蟲。控制目標乾燥 區出口處煙片水分達到8-10 %。冷卻煙片從乾燥區出來後，進入冷卻區。在冷卻區，利用較低溫度的循環風使煙 片溫度降至35-45%之間，穩定烘烤水分，為煙片回潮提供工藝條件。回潮一般有兩個單獨的回潮區(部分廠家增加過渡間)，利用物料與溼熱汽體的 壓力差、溫度差，混合水汽、霧化水上下交替回潮煙片，物料充分吸收熱量與水汽，水分逐漸 增加直至達到工藝目標煙片水分11% -13%，溫度< 55°C，送至出料端至下工序。目前復烤生產線主要採用PLC控制系統中的PID單迴路(PID，比例積分微分控 制)對復烤機的生產進行控制，現場配置了操作站。部分生產線同時建立了中央監控系統。 儘管國內多數打葉復烤企業生產線的自動化水平較高，但在一些控制環節上仍存在一定的 問題一是烘烤溫度與流量設置、網面風速與網帶速度不能自動匹配，熱風不能有效穿透葉 片層，烘烤後水分不均勻；二是因為PID單迴路只考慮一個迴路本身(流量、或者單一位置 的溫度等)，復烤水分控制目前大部分依賴人工形成閉環調節，其控制依賴操作人員的水 平高低及熟練程度，出口菸葉水分受操作員工對設備熟悉程度、操作經驗多少、來料流量波 動、設備工況(動能擾動)等因素幹擾而容易處于波動失控，導致產品質量不穩定。與其他工業過程比較，菸葉復烤過程具有其明顯的特點，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、回潮工藝目的。不同流量、網帶速度及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。問題的癥結在於每個PID迴路單獨運行，沒有考慮相關被控指標(水分，溫度等) 的變化，需要由操作員根據經驗去實現人工閉環控制，如附圖1，其缺點是依賴於人的操作習慣、經驗等，勞動強度大。附圖1中過程幹擾變量主要是指進料變化等對復烤崗位有影響但是復烤崗位不 能調節的變量；被控變量主要是指最終菸葉的水含量，還包括各區域溫度等；測量參數是 指過程各區域的溫度、水分等的測量值。操作員參考進料等前饋信息不夠及時，或者不能充分利用前饋信息；以及進行調 節的周期比較長，難以對過程中大的波動(進料變化，或者蒸汽溫度壓力的突變)進行及時 有效的調整。

發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一種對菸葉復烤機水分、溫度的模型預測控制方 法，包括過程測試步驟，通過對菸葉復烤機的PLC進行階躍測試，獲得關於菸葉復烤過程 中的操作變量、前饋變量和被控變量的測試數據；過程辨識步驟，對所獲得的測試數據進行 分析，以辨識過程的動態數學模型，所述動態數學模型包括一系列子模型，每一個子模型表 示操作變量或前饋變量與被控變量之間的數學影響關係；控制器設計步驟，根據工藝原理 和操作經驗，調整得到的動態數學模型，從而建立模型預測控制器；控制器運行步驟，運行 模型預測控制器，在模型預測控制器的運行中，根據被控指標的要求和所測量的被控變量 反饋以及前饋變量的變化計算操作變量，並將其作用到PLC中的指定PID迴路上。根據本發明的另一個方面，提供了一種對菸葉復烤機水分、溫度的模型預測控制 系統，包括伺服器，用於運行模型預測控制器，模型預測控制器在運行中，根據菸葉復烤過 程中的被控指標的要求和所測量的被控變量反饋以及前饋變量的變化計算操作變量，並將 其作用到PLC系統中的指定PID迴路上；以及PLC系統，用於通過PID迴路對復烤設備進行 控制。


圖1是沒有實施模型預測控制時的人工閉環操作示意圖；圖2是採用本發明的模型預測控制後的系統控制流程圖；圖3是本發明所用階躍測試序列波形；圖4是本發明實施例子模型示例；圖5是本發明實施例PLC底層安全邏輯結構；圖6是本發明實現例的控制系統結構圖。
具體實施例方式本發明實施例要解決的問題是提供一種全方位的先進的菸葉復烤機的控制方法， 將優秀操作員的操作經驗與工藝機理結合起來，具體的做法有過程有許多操作變量與被 控變量，其數學影響關係廣泛存在，但是工藝操作上某些操作變量只用來控制某一個或者 幾個被控變量，如乾燥一區的溫控閥對乾燥區溫度是操作變量，而對回潮區溫度的影響也 存在，但是工藝操作上習慣於用回潮區蒸汽閥來控制回潮區溫度，而把乾燥一區的溫控閥 開度變化對回潮區的影響作為前饋因素。這樣做的優點在於充分考慮過程數學模型而又不 拘泥於數學模型，用工藝機理來調整數學模型，使之更適合於控制需求。
依據過程的動態數學模型，用計算機實現閉環控制(如附圖2)，以克服進料流量、 溫度、水分等對復烤過程的幹擾，以實現高精度、高頻率的調節。附圖2與附圖1相比，是把 操作員換成了 DMC控制器，DMC控制器吸取了操作員的經驗，同時具有計算機控制實時性的 優點，充分利用前饋信息與過程測量值，高頻率的實現調節。為達到上述目的，本發明實施例的技術方案提供一種菸葉復烤機的模型預測控制 方法，所述方法包括以下步驟過程測試，過程辨識，控制器設計，控制器組態，PLC底層邏 輯設計，控制器運行，控制器監控與維護。過程測試，建立接口平臺，收集過程數據。實施例需要對裝置作必要的階躍測試， 做到充分激勵，以激發出過程的各種動態特性。過程辨識，採用最小二乘法辨識或者子空間法辨識等，對得到的測試數據進行分 析與計算，以得到過程的動態數學模型。模型用有限脈衝響應表示。控制器設計，主要是根據工藝原理以及經驗參數(操作習慣)，調整得到的過程模 型，確定控制器的結構，明確各個自變量(操作變量、前饋變量)對各個因變量(被控變量) 的數學影響關係。控制器組態，主要是確定控制器在線運行所需要的一些列組態參數，並根據生產 要求確定各個被控指標的優先級、權重等。PLC底層邏輯設計，主要是為了做到預測控制器的投用切除能安全無擾動，不會出 現底層控制迴路(PID)控制權不確定的情況，並監控預測控制器與PLC的通訊狀態。控制器運行，採用一臺獨立於PLC的計算機(DMC伺服器)，運行模型預測控制器， 運行中控制器根據被控指標的要求以及前饋變量的變化及時動作，以適應被控變量上下限 的變化以及補償前饋變量對過程造成的幹擾。控制器監控與維護，採用實時資料庫收集過程數據與控制器各種狀態，以監控控 制器運行質量並根據過程工藝狀態的變化及時修正模型。模型預測控制是針對大滯後，多變量、存在幹擾與耦合過程的有效控制策略。本實 施例思路大體可以用模型預測控制的以下三個基本特徵來加以描述預估模型用模型來預估未來時刻被控對象的運動規律和被控參數的誤差，以之作為確定當 前控制作用的依據，使控制策略適應被控對象的存儲性、因果性和滯後性，可得到預想的控 制效果。傳統的PID控制只有P、I、D等有限幾個參數，難以概括對象複雜的特性，而模型預 測控制器中存儲有菸葉復烤機的模型，計算中可以根據數學模型預測當前操作序列與幹擾 序列下的預期水分、溫度等變化軌跡。反饋修正利用可測信息，在每個採樣時刻對被控參數的預估值進行修正，抑制模型失配和 幹擾帶來的誤差。用修正後的預估值作為計算最優控制的依據，使控制系統的魯棒性得到 明顯提高。本實施例採用有限脈衝響應序列來表達菸葉復烤機的動態模型，是一種線性模 型，實際過程具有嚴重非線性特性，因此模型是一種簡化與近似，為了彌補模型/對象不匹 配，需要在計算的每一周期根據前一周期對被控變量當前時刻的預測值與當前時刻的實際測量值之間的偏差對當前時刻作出的預測值進行校正，以提高預測的準確性。滾動優化預估控制是一種最優控制策略，其控制目標是使某項性能指標最小，並採用預估 偏差來計算控制作用序列，但只有第一個控制作用序列是實際加以執行的。在下一個採樣 時刻還要根據當時的預估偏差重新計算控制作用序列。這種控制作用序列的計算不像最優 控制那樣一次計算出最優結果，而是按採樣時間周而復始地不斷進行，故被稱為滾動優化。本實施例採用的實施周期為15秒，可以對過程的幹擾及時有效的進行抑制與補 m
te ο下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述，以下實施 例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。本發明採用一種整套的用於菸葉復烤機的模型預測控制與監控、維護方法，包括 DMC伺服器、PLC工程師站以及PLC操作站三方面的工作。通過數據採集平臺(0PC數採程序或者實時資料庫)收集控制器相關的所有生產 數據(操作變量、被控變量、前饋變量，以及其他與本復烤過程相關的數據)，確認數據採集 可靠後實施階躍測試。階躍測試需要滿足兩點要有充分激勵，以激發出過程儘可能多的動態特性，譜分 析角度看，輸入信號的頻譜必須足以覆蓋過程的頻譜；其次又不能干擾正常生產，不至於影 響產品質量。本實施例採用M序列(偽隨機二進位序列，廣泛應用於過程控制中)作為測 試信號，具有操作簡便，而不至於對過程造成重大幹擾的優點。本實施例所用測試周期為τ =5min。制定階躍測試方案，主要內容是與工藝人員商討每個操作變量的測試幅度。本發 明實施例中所有的操作變量測試時都是手動模式(指PID迴路的手動模式)，測試時直接操 作PID的閥位，幅度都是士5%。按照附圖3的曲線，讓待測試的操作變量閥位按照曲線變 化，其他操作變量保持不變。階躍測試的具體步驟如下1)確認數據採集系統的運行和可靠性；2)對相關PID迴路進行參數整定，確認現有的底層控制迴路調節性能良好，整定 PID參數的評判標準是穩準快(穩是指PID迴路的過程值不會持續大幅度波動，準是指PID 迴路的設定值變化時過程值一定時間內能跟蹤上，不會有餘差，快是指PID迴路動作及時， 不會出現爬行狀態。)，對於不需要投用自動模式的PID迴路，不需要進行PID參數整定；；3)按設計的階躍測試方案中的變動幅度(士5% )和持續時間(5min的整數倍)， 按實施例規定的動作波形(附圖3)，操作某一個操作變量(MV)(如乾燥一區的溫控閥)，並 保持其它MV(如回潮一區的蒸汽閥)的穩定。觀察所有被控變量(CV)的響應；4)對其它操作變量(MV)，重複步驟3)。基於階躍測試得到的過程數據，進行模型辨識。模型辨識的步驟如下1)從過程數據中剔除不適宜辨識的部分(不適合於辨識的部分是指間歇性停工、 切換原料以及操作失誤導致溫度溼度失控的部分)，選擇測試數據；2)針對每一個子過程(本實發明施例涉及乾燥區冷卻區、回潮區兩個子過程)，選擇對應的自變量與因變量(自變量包含操作變量與前饋變量，因變量是指被控變量)；3)辨識子過程模型。子過程模型由本子過程的一系列子模型表示，過程的子模型 是指控制器中使用的一對一的影響關係，一對一是指自變量對因變量，比如乾燥一區的溫 控閥對乾燥二區的溫度的影響關係；本發明實施例採用有限脈衝響應來表示各個子模型； 附圖4中每個方格表示一個子模型的曲線，橫坐標表示時間，縱坐標表示脈衝響應(FIR)在 各個對應時間的數值，空白的方格表示對應位置的自變量對因變量的子模型不存在或者控 制器不考慮；4)合成總過程模型，在本發明實施例中是指將乾燥區冷卻區、回潮區兩個子過程 合併成為總的模型，包含DMC控制器所有的自變量與因變量。在模型辨識的基礎上，進行控制器設計。控制器設計的目的是根據工藝機理，確定每個子模型是否應該存在，以及該存在 的子模型的增益方向與滯後時間。並根據操作經驗與習慣將自變量分為操作變量與前饋變量。控制器設計的目的是確定預測控制所用模型的結構。本實施例中控制器模型分為 兩段，冷卻區(含)前為一段，主要控制冷卻區溼度，併兼顧乾燥區溫度；冷卻區後為一段， 控制出口水分，兼顧回潮區溫度。PLC底層組態與邏輯設計。其作用有兩點DMC伺服器與PLC的通信監控，通信的內容是DMC讀取PLC中DMC控制器的各個自 變量與因變量，並將控制器的作用直接輸出到各個操作變量的PID迴路閥位上，通信中斷 時，將各PID控制迴路退出DMC伺服器的操作，返回到由操作員控制的常規控制狀態；檢查迴路當前狀態，判斷是否具備投運條件。如具備，將迴路狀態設置位正確的投 運狀態，如不具備，將迴路返回常規狀態。DMC伺服器上給每個操作變量定義了一個參數，稱 作L00PST，標識在預測控制器中該迴路是否被用作操作變量。實現DMC伺服器到PLC的控制，是指DMC控制器根據控制器各變量的信息以及控 制器算法，計算出合適的操作變量當前值，並據此操作PLC中的PID迴路。需要在PLC中建 立若干數值點、開關點、計時器、安全邏輯與操作畫面。並調試邏輯的可用性。數值點的作用是在PLC端存儲DMC控制器所有操作變量上下限、所有被控變量目 標值等數值點，以提供給操作員豐富的控制器運行信息。開關點對應於控制器中的控制器 總開關、各操作變量使用開關、各被控變量被控開關。計時器(WATCHDOG)與安全邏輯負責 監控DMC控制器與PLC的通訊，防止長時間通訊中斷而底層PID迴路又不歸操作員操作，並 實現常規操作員操作與預測控制的無擾動切換。安全邏輯由梯形圖實現其功能。其邏輯結 構見附圖5。附圖5中的LOOPST是DMC控制器中用以標記某個操作變量所指向的PID迴路是 否能接受DMC控制器作用的狀態量，如果LOOPST = 1，則表示操作員將此操作變量的投用開 關切換到「投用」模式，DMC控制器可以作用於此PID迴路；如果LOOPST = 0，則表示操作員 將此操作變量的投用開關切換到「切除」模式，或者此PID迴路有故障，DMC控制器不能作用 於此PID迴路。控制器組態。控制器組態設置控制器運行的各種參數，主要有調整步幅，上下限， 權重，優先級等。根據生產要求設置。本實施例中，溼度最重要，因此其優先級最高；同一優先級的被控變量可以設置不同的權重，來區分重要性，比如冷卻區的溼度與乾燥二區的溫 度屬於同一優先級，但是冷卻區溼度的權重為10，而乾燥二區的溫度的權重為5，說明冷卻 區溼度的重要性更大。控制器運行。上述步驟結束後，控制器具備上線運行條件。在線運行時需要先將 控制器啟動，開環運行，即DMC只計算控制器的控制輸出，但是不作用到PLC中的PID迴路 上去，觀察前饋變量變化以及被控變量目標變化時操作變量的動作方向是否正確，以及是 否動作及時，據此進一步調整優化組態參數。一切就緒後可以將控制器閉環運行，即DMC計 算控制器的控制輸出，同時作用到PLC中的PID迴路上去，並持續觀察一段時間。控制器監控與維護。控制器上線後需要持續觀察一周，進行操作培訓與理論培訓， 並優化組態參數，優化的組態參數是指優先級與權重，根據控制器運行效果與生產要求調 整。所有相關過程數據(如控制器自變量、因變量等)都收集到實時資料庫中，以便監控控 制器性能並在控制器性能下降時(如出現溫度、溼度等被控變量波動大時)重新辨識過程 模型。本發明中的控制方法由獨立於PLC系統的一臺高性能計算機(稱為DMC伺服器) 實現，有助於分散風險，在具備優良控制其性能的前提下又不至於增加PLC計算負荷。本發 明實施例的控制系統結構圖如附圖6所示。最上層的DMC伺服器運行預測控制器，並可以 修改組態參數；DMC通過乙太網絡訪問位於PLC系統的OPC接口，實現通訊，PLC系統中能進 行控制器日常操作，並運行安全邏輯；PLC系統通過現場控制網絡對復烤設備進行控制；實 時資料庫系統收集並存儲生產過程數據以及預測控制器內部數據，用於監控生產過程與預 測控制器性能。相比較於傳統的單迴路PID控制，本發明所採用控制器包含更多的過程信息(以 過程模型的形式表達)，包含更多組態參數(調整步幅、優先級、權重等)，能自動關聯自變 量與因變量實現閉環(類似於一個多對多的大串級迴路)，因此能提供比常規控制更優異 的性能。總而言之，本發明提供了一種基於裝置數學特性與工藝特性的菸葉復烤機的先進 的控制框架——在一臺獨立於底層控制器的高性能計算機中實現先進的控制算法，並遠程 操作底層控制迴路，同時採用實時資料庫監控控制器性能與維護控制器模型參數等；在不 脫離本發明框架的前提下，可以對其中某一部分做出改進與優化(如改變控制器算法為自 適應控制、內模控制，或者模型表達方式由目前的HR變成傳遞函數等)，這也屬於本發明 的保護範圍。
權利要求
1.一種對菸葉復烤機水分、溫度的模型預測控制方法，包括過程測試步驟，通過對菸葉復烤機的PLC進行階躍測試，獲得關於菸葉復烤過程中的 操作變量、前饋變量和被控變量的測試數據；過程辨識步驟，對所獲得的測試數據進行分析，以辨識過程的動態數學模型，所述動態 數學模型包括一系列子模型，每一個子模型表示操作變量或前饋變量與被控變量之間的數 學影響關係；控制器設計步驟，根據工藝原理和操作經驗，調整得到的動態數學模型，從而建立模型 預測控制器；控制器運行步驟，運行模型預測控制器，在模型預測控制器的運行中，根據被控指標的 要求和所測量的被控變量反饋以及前饋變量的變化計算操作變量，並將其作用到PLC中的 指定PID迴路上。
2.根據權利要求1的模型預測控制方法，還包括控制器組態步驟，根據生產要求設置模型預測控制器的組態參數，包括各個被控指標 的優先級、權重，以及操作變量的上下限。
3.根據權利要求1的模型預測控制方法，還包括PLC底層組態與邏輯設計步驟，以實現對伺服器與PLC之間通信的監控，對將控制器 的操作變量作用到各PID迴路上進行控制，並實現預測控制與常規操作員控制的無擾動切換。
4.根據權利要求1的模型預測控制方法，還包括控制器監控與維護步驟，收集過程數據與控制器的狀態，以監控控制器的運行質量並 根據過程工藝狀態的變化優化模型預測控制器的組態參數和/或重新辨識過程的動態數 據模型。
5.根據權利要求1的模型預測控制方法，其中，所述控制器設計步驟包括根據工藝機 理與操作經驗以及生產線的特點，確定每個子模型是否應當存在，並計算修正應當存在的 子模型的滯後時間及增益方向，從而確定模型預測控制所用模型的結構。
6.根據權利要求1的模型預測控制方法，其中，所述過程的動態數據模型用有限脈衝 響應表示。
7.根據權利要求1的模型預測控制方法，其中，所述模型預測控制器為動態矩陣控制器
8.根據權利要求1的模型預測控制方法，其中，在獨立於PLC、並與PLC通信的伺服器 上運行模型預測控制器。
9.根據權利要求8的模型預測控制方法，其中，在PLC操作站上操作模型預測控制器。
10.根據權利要求1所述的模型預測控制方法，其中，將控制器獨立於PLC，且控制器的 算法不局限於模型預測控制。
11.根據權利要求1所述的模型預測控制方法，其中，該方法與復烤機的型號、製造廠 家無關。
12.—種對菸葉復烤機水分、溫度的模型預測控制系統，包括伺服器，用於運行模型預測控制器，模型預測控制器在運行中，根據菸葉復烤過程中的 被控指標的要求和所測量的被控變量反饋以及前饋變量的變化計算操作變量，並將其作用到PLC系統中的指定PID迴路上；以及PLC系統，用於通過PID迴路對復烤設備進行控制。
13.根據權利要求12的模型預測控制系統，其中，所述模型預測控制器的組態參數包 括各個被控指標的優先級、權重，以及操作變量的上下限，並能夠根據生產要求設置。
14.根據權利要求12的模型預測控制系統，其中，所述PLC系統包括PLC底層組態與邏 輯裝置，用於實現對模型預測控制器與PLC之間通信的監控，對將模型預測控制器的操作 變量作用到各PID迴路上進行控制，並實現預測控制與常規操作員控制的無擾動切換。
15.根據權利要求12的模型預測控制系統，還包括實時資料庫，用於收集並存儲生產 過程數據以及模型預測控制器的內部數據，從而使得所述模型預測控制器的組態參數及其 動態數據模型能夠根據所監控的控制器的運行質量以及過程工藝狀態的變化進行優化和 修改。
16.根據權利要求12的模型預測控制系統，其中，所述模型預測控制器為動態矩陣控 制器。
17.根據權利要求12所述的模型預測控制系統，其中，控制器獨立於PLC，且控制器的 算法不局限於模型預測控制。
18.根據權利要求12所述的模型預測控制系統，其中，該系統與復烤機的型號、製造廠家無關。
全文摘要
本發明提供了一種對菸葉復烤機水分、溫度的模型預測控制方法及系統，該方法包括過程測試步驟，通過對菸葉復烤機的PLC進行階躍測試，獲得關於菸葉復烤過程中的操作變量、前饋變量和被控變量的測試數據；過程辨識步驟，對所獲得的測試數據進行分析，以辨識過程的動態數學模型，所述動態數學模型包括一系列子模型，每一個子模型表示操作變量或前饋變量與被控變量之間的數學影響關係；控制器設計步驟，根據工藝原理和操作經驗，調整得到的動態數學模型，從而建立模型預測控制器；控制器運行步驟，運行模型預測控制器，在模型預測控制器的運行中，根據被控指標的要求和所測量的被控變量反饋以及前饋變量的變化計算操作變量，並將其作用到PLC中的指定PID迴路上。
文檔編號G05B19/418GK102147613SQ201110091318
公開日2011年8月10日 申請日期2011年4月12日 優先權日2011年4月12日
發明者孫軍, 黃振軍, 黃繼紅 申請人:黃繼紅