基于串级PID的颗粒水分智能控制系统及其控制方法与流程

基于串级pid的颗粒水分智能控制系统及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及一种应用于新型烟草制品加热卷烟用颗粒微波干燥工艺的水分智能控制系统，尤其是一种基于串级pid的水分智能控制系统及其控制方法。


背景技术：

2.颗粒型加热卷烟是中国烟草在新型烟草制品领域的独创产品。颗粒型加热卷烟的释烟颗粒(包括烟草颗粒和非烟草颗粒)在造粒工艺完成后，需要经过干燥工艺处理，才能进行后续烟支灌装成型和包装成品环节。
3.微波干燥具有批量化、连续生产及最大程度保留颗粒本香物质的优势，是颗粒型加热卷烟用颗粒的较优干燥工艺。在颗粒微波干燥工艺中，含水率的控制水平高低严重影响颗粒型加热卷烟产品的质量。现有颗粒微波干燥机大多数采用开环控制系统，更多依赖操作人员的生产实际经验进行手动控制，同时存在水分控制能力差、产品含水率波动大、人为控制滞后、控制精度低、抑制供电电压变化及负载扰动能力差等问题。其中影响颗粒含水率控制主要是由于颗粒表面温度波动、铺料厚度变化及人工操作误差等因素。


技术实现要素：

4.为解决现有微波干燥机控制系统存在的问题，本发明提供了一种基于串级pid的颗粒水分智能控制系统及其控制方法，以期能提高微波干燥工艺的颗粒含水率控制能力，快速减小颗粒含水率数值误差，稳定含水率波动范围，消除含水率控制滞后性；并降低人工操作不及时、不精确等因素影响。
5.本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
6.本发明一种基于串级pid的颗粒水分智能控制系统的特点是应用于加热卷烟用颗粒微波干燥工艺中，并在入口水分仪后串联第一级闭环负反馈回路；
7.所述第一闭环负反馈回路是依次串联有pid主控制器、补偿器、微波加热时间调节器、温度串级pid控制器、微波加热功率调节器、铺料厚度串级pid控制器、铺料厚度调节挡板、出口水分仪形成含水率主控制回路后再与含水率变送器相并联构成含水率反馈回路；
8.在所述温度串级pid控制器与铺料厚度串级pid控制器之间再并联有温度变送器，以形成第二级闭环负反馈回路并作为温度反馈回路；
9.在所述铺料厚度串级pid控制器与铺料厚度调节挡板之间再并联有铺料厚度变送器，以形成第三级闭环负反馈回路并作为铺料厚度反馈回路。
10.本发明所述的基于串级pid的颗粒水分智能控制系统的控制方法的特点是按如下步骤进行：
11.步骤1、利用入口水分仪测量微波干燥设备中颗粒的当前水分值，并判断当前水分值是否达到所设定的目标含水率范围；若达到，则微波干燥设备按照当前水分值进行干燥处理，否则，定义当前循环次数为i，并初始化i＝1；将当前水分值作为初始水分值pv
i
‑1后，执行步骤2；
12.步骤2、所述含水率主控制回路根据入口水分仪所测量的初始水分值pv
i
‑1进行处理，得到第i次循环出口水分实际值pv
1i
并经过所述含水率变送器传递给所述pid主控制器；
13.步骤3、所述pid主控制器根据出口水分实际值pv
1i
与出口水分设定值sp1进行偏差计算，得到的偏差经过补偿器的修正计算，得到微波干燥设备的第i
‑
1次循环的工艺函数f
i
‑1(t
i
‑1,t
i
‑1,δ
i
‑1)，其中，t
i
‑1表示微波工艺参数中第i
‑
1次循环的加热时间、t
i
‑1表示第i
‑
1次循环的加热温度、δ
i
‑1表示第i
‑
1次循环的铺料厚度；
14.步骤4、所述微波加热时间调节器对第i
‑
1次循环的一级工艺函数f
i
‑1(t
i
‑1,t
i
‑1,δ
i
‑1)中加热时间t
i
‑1进行调节，并将第i
‑
1次循环的调节后的一级工艺函数f
′
i
‑1(t
i
′
‑1,t
i
‑1,δ
i
‑1)传递给所述第二级闭环负反馈回路，并由铺料厚度串级pid控制器输出颗粒表面温度实际值后经过温度变送器传递给所述温度串级pid控制器；其中，t
′
i
‑1表示调节后的第i
‑
1次循环的加热时间；
15.步骤5、所述温度串级pid控制器根据颗粒表面温度实际值与颗粒表面温度设定值sp2进行偏差计算，得到第i
‑
1次循环的二级工艺函数f
″
i
‑1(t
′
i
‑1,t
i
‑1,δ
i
‑1)；
16.步骤6、所述微波加热功率调节器对第i
‑
1次循环的工艺函数f
″
i
‑1(t
′
i
‑1,t
i
‑1,δ
i
‑1)中加热温度t
i
‑1进行调节，并将第i
‑
1次循环的调节后的二级工艺函数f
″
i
‑1(t
′
i
‑1,t
′
i
‑1,δ
i
‑1)与供电电压扰动一起传递给所述第三级闭环负反馈回路，并由铺料厚度调节挡板输出颗粒铺料厚度实际值后经过铺料厚度变送器传递给所述铺料厚度串级pid控制器；其中，t
i
′
‑1表示调节后的第i
‑
1次循环的加热温度；
17.步骤7、所述铺料厚度串级pid控制器根据铺料厚度实际值与铺料厚度设定值sp3进行偏差计算，得到第i
‑
1次循环的三级工艺函数f
″′
i
‑1(t
′
i
‑1,t
′
i
‑1,δ
i
‑1)；
18.步骤8、所述铺料厚度调节挡板根据负载扰动对工艺函数f
″′
i
‑1(t
′
i
‑1,t
′
i
‑1,δ
i
‑1)中的铺料厚度δ
i
‑1进行调节，并将第i
‑
1次循环的调节后的三级工艺函数f
″′
i
‑1(t
′
i
‑1,t
′
i
‑1,δ
′
i
‑1)传递给出口水分仪，由所述出口水分仪得到第i+1次循环的出口水分实际值pv
1i+1
；其中，δ
′
i
‑1表示调节后的第i
‑
1次循环的铺料厚度；
19.步骤9、判断第i+1次循环的出口水分实际值pv
1i+1
的误差值是否达到所设定的阈值，若达到，则将按照第i+1次循环的出口水分实际值pv
1i+1
对微波干燥设备进行干燥控制后，返回步骤1，否则，将i+1赋值给i后，返回步骤3。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
21.1、本发明将铺料厚度pid控制器、颗粒表面温度pid控制器串联到含水率主控制回路中，构建了铺料厚度、颗粒表面温度、颗粒水分三个闭环负反馈控制回路，高效降低了颗粒表面温度、铺料厚度等对水分控制的迟滞、波动影响，同时将负载扰动引入铺料厚度控制内回路，供电电压变化引入颗粒表面温度控制内回路，极大提高了水分控制对干扰的抑制能力。
22.2、本发明应用了三个闭环负反馈控制回路，形成三个闭环负反馈；实现了颗粒含水率的稳定平稳、精确无迟滞、自适应调节的智能控制；极大提高了颗粒含水率控制能力，稳定了干燥颗粒水分波动，消除了水分控制的迟滞性，较大程度降低了人工控制不及时、精度差等因素的影响。
附图说明
23.图1为本发明的智能控制系统结构示意图；
24.图2为本发明的加热卷烟用颗粒微波干燥工艺智能控制模式简图。
具体实施方式
25.本实施例中，如图1所示，一种基于串级pid的颗粒水分智能控制系统是应用于加热卷烟用颗粒微波干燥工艺中，并在入口水分仪后串联第一级闭环负反馈回路；入口水分仪采集入料端湿颗粒含水率实际值pv0；
26.第一闭环负反馈回路是依次串联有pid主控制器、补偿器、微波加热时间调节器、温度串级pid控制器、微波加热功率调节器、铺料厚度串级pid控制器、铺料厚度调节挡板、出口水分仪形成含水率主控制回路后再与含水率变送器相并联构成含水率反馈回路；其中，出口水分仪采集出口端干燥颗粒含水率实际值pv1，铺料厚度调节挡板采集挡板高度即铺料厚度实际值pv3；补偿器是由微波干燥设备工艺参数确定的一个三元复合函数，自变量可根据设备过程控制数据及操作经验获取，并根据测试结构进行相应修正。温度串级pid控制器是对温度进行pid控制的装置。铺料厚度串级pid控制器是对颗粒铺料厚度进行pid控制的装置。
27.以含水率反馈作为主控制回路反馈；将出口水分实际值pv1反馈到pid主控制器输入端；pid主控制器输出值决定温度串级pid控制器设定值，pid主控制器根据入口水分实际值pv0与出口水分设定值sp1的偏差作为串级控制系统初始条件，经过补偿器计算一次微波干燥设备的初始工艺函数f0(t,t,δ)；其中，f0(t,t,δ)是微波工艺参数加热时间t、加热温度t、铺料厚度δ的三元复合函数，并由初始工艺函数f(t,t,δ)确定初始条件下微波工艺参数执行微波干燥操作；待颗粒干燥后，pid主控制器根据出口水分实际值pv1与出口水分设定值sp1的偏差经补偿器修正计算出工艺函数f(t,t,δ)，并由修正的工艺函数确定微波工艺参数执行微波干燥操作；
28.在温度串级pid控制器与、铺料厚度串级pid控制器之间再并联有温度变送器，以形成第二级闭环负反馈回路并作为温度反馈回路；温度反馈回路将颗粒表面温度实际值pv2反馈到温度串级pid控制器的输入端；并将供电电压变化扰动引入温度反馈控制回路；温度传感器在供电电压变化及其他干扰因素下采集到颗粒表面温度pv2。将经过补偿器修正后工艺函数确定的加热时间t作为微波加热时间调节的输入值；温度串级pid控制器将颗粒表面温度实际值pv2与颗粒表面温度设定值sp2的偏差计算出微波加热功率数值；
29.在铺料厚度串级pid控制器与铺料厚度调节挡板之间再并联有铺料厚度变送器，以形成第三级闭环负反馈回路并作为铺料厚度反馈回路；铺料厚度反馈回路将颗粒铺料厚度实际值pv3反馈到铺料厚度串级pid控制器的输入端；并将负载扰动引入铺料厚度反馈控制回路；铺料厚度串级pid控制器将铺料厚度实际值pv3与工艺函数确定的铺料函数设定值sp3的偏差计算出铺料厚度挡板调节参数；综上过程稳定颗粒出口水分值pv1。
30.本实施例中，如图1和图2所示，一种基于串级pid的水分智能控制系统的控制方法是按如下步骤进行：
31.步骤1、利用入口水分仪测量微波干燥设备中颗粒的当前水分值，并判断当前水分值是否达到所设定的目标含水率范围；若达到，则微波干燥设备按照当前水分值进行干燥
处理，否则，定义当前循环次数为i，并初始化i＝1；将当前水分值作为初始水分值pv
i
‑1后，执行步骤2；
32.步骤2、含水率主控制回路根据入口水分仪所测量的初始水分值pv
i
‑1进行处理，得到第i次循环出口水分实际值pv
1i
并经过含水率变送器传递给pid主控制器；
33.步骤3、pid主控制器根据出口水分实际值pv
1i
与出口水分设定值sp1进行偏差计算，得到的偏差经过补偿器的修正计算，得到微波干燥设备的第i
‑
1次循环的工艺函数f
i
‑1(t
i
‑1,t
i
‑1,δ
i
‑1)，其中，t
i
‑1表示微波工艺参数中第i
‑
1次循环的加热时间、t
i
‑1表示第i
‑
1次循环的加热温度、δ
i
‑1表示第i
‑
1次循环的铺料厚度；
34.步骤4、微波加热时间调节器对第i
‑
1次循环的一级工艺函数f
i
‑1(t
i
‑1,t
i
‑1,δ
i
‑1)中加热时间t
i
‑1进行调节，并将第i
‑
1次循环的调节后的一级工艺函数f
′
i
‑1(t
′
i
‑1,t
i
‑1,δ
i
‑1)传递给第二级闭环负反馈回路，并由铺料厚度串级pid控制器输出颗粒表面温度实际值后经过温度变送器传递给温度串级pid控制器；其中，t
′
i
‑1表示调节后的第i
‑
1次循环的加热时间；
35.步骤5、温度串级pid控制器根据颗粒表面温度实际值与颗粒表面温度设定值sp2进行偏差计算，得到第i
‑
1次循环的二级工艺函数f
″
i
‑1(t
′
i
‑1,t
i
‑1,δ
i
‑1)；
36.步骤6、微波加热功率调节器对第i
‑
1次循环的工艺函数f
″
i
‑1(t
′
i
‑1,t
i
‑1,δ
i
‑1)中加热温度t
i
‑1进行调节，并将第i
‑
1次循环的调节后的二级工艺函数f
″
i
‑1(t
′
i
‑1,t
′
i
‑1,δ
i
‑1)与供电电压扰动一起传递给第三级闭环负反馈回路，并由铺料厚度调节挡板输出颗粒铺料厚度实际值后经过铺料厚度变送器传递给铺料厚度串级pid控制器；其中，t
′
i
‑1表示调节后的第i
‑
1次循环的加热温度；
37.步骤7、铺料厚度串级pid控制器根据铺料厚度实际值与铺料厚度设定值sp3进行偏差计算，得到第i
‑
1次循环的三级工艺函数f
″′
i
‑1(t
′
i
‑1,t
′
i
‑1,δ
i
‑1)；
38.步骤8、铺料厚度调节挡板根据负载扰动对工艺函数f
″′
i
‑1(t
′
i
‑1,t
′
i
‑1,δ
i
‑1)中的铺料厚度δ
i
‑1进行调节，并将第i
‑
1次循环的调节后的三级工艺函数f
″′
i
‑1(t
′
i
‑1,t
′
i
‑1,δ
′
i
‑1)传递给出口水分仪，由出口水分仪得到第i+1次循环的出口水分实际值pv
1i+1
；其中，δ
′
i
‑1表示调节后的第i
‑
1次循环的铺料厚度；
39.步骤9、将i+1复制给i后，判断出口含水率的误差值是否达到所设定的阈值，若达到，则将按照第i+1次循环的出口水分实际值pv
1i+1
对微波干燥设备进行干燥控制后，返回步骤1，否则，返回步骤3。
40.使用本发明的智能控制系统与传统手动控制系统水分控制效果对比如下：
41.表1本发明的智能控制系统与传统手动控制系统水分控制效果
42.43.由表1可知，采用本发明的智能控制系统比传统手动控制系统的水分控制效果有极大改善，颗粒含水率、温度控制精度均有较好提升。