PID控制在烟草行业中的应用

面对中国加入世贸组织(WTO)以后的竞争压力和世界卫生组织(WHO)《烟草控制框架公约》的社会压力，自2005年下半年开始，国家局组织行业内外有关专家起草了《中国卷烟科技发展纲要》，这个《纲要》，明确了中国卷烟的科技发展方向，提出了以发展中式烤烟型卷烟为主，积极研究开发中式混合型卷烟。

　　要发展中式卷烟是一项系统的工程，而制丝工艺技术是重中之重。从技术角度上看，制丝工艺技术是卷烟工业企业的核心技术之一，制丝工艺技术水平的高低，直接影响着卷烟产品的成本和质量，从长远看，制丝工艺技术水平的高低，不仅对未来中式卷烟产品在国内外市场上的表现起着重要作用，而且还必将对我国烟草行业的生存和发展产生重要影响。要改变那种只重视外观质量、物理指标而忽视内在质量的现象，其中一个重要的技术支撑就是对PID在制丝工艺中的应用进行认真细致的研究，因为如何较好利用PID控制是保证产品质量稳定的前提，如水分、温度等不稳定将直接对烟丝的结构和内在品质产生极大的影响。

　　一．系统概述

　　PID控制包含比例、积分、微分三部分，实际中也有PI和PD控制器。PID控制器就是根据系统的误差利用比例积分微分计算出控制量，控制器输出和控制器输入（误差）之间的关系在时域中可用公式表示如下:

　　公式中e（t）表示误差、控制器的输入，u（t）是控制器的输出，KF为比例系数、Ki积分时间常数、Kd为微分时间常数。其公式又可表示为：

公式中U(s)和E(s)分别为U(t)和e(t)的拉氏变换，Td=Kd/KF ,Ti=KF/Ki 。KF、Ki、Kd分别为控制器的比例、积分、微分系数。
比例（P）控制

　　比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当只有比例控制时系统输出存在稳态误差。

　　积分（I）控制

　　在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取关于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

　　因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

　　微分（D）控制

　　在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出現振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性的元件（环节）和（或）有滞后的元件，使力图克服误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使克服误差的作用的变化要有些“超前”，即在误差接近零时，克服误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中只引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用只是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使克服误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重地冲过头。

　　所以对有较大惯性和（或）滞后的被控对象，比例+微分(PD)的控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

　　二．应用

　　早期的PID在烟草行业的应用主要是以单闭环控制为主，因PID控制从开始调节到进入稳定需要一定的时间，造成了生产过程中料头料尾的产品质量无法达到设定的要求，而且受到外界干扰因素的影响很大，从而影响产品内在质量的稳定性。而现在的PID控制在烟草行业的应用大部分是多闭环控制，解决了料头料尾及生产过程中内在质量的不稳定现象，把外界干扰因素对生产所造成的影响降到最低。

　　在生产过程中，PID工作基理：由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到现场控制对象值保持恒定的目的，控制作用就必须不断的进行。若扰动出现使得现场控制对象值(以下简称被控参数)发生变化，现场检测元件就会将这种变化记录并传送给PID控制器，改变过程变量值(以下简称PV值)，经变送器送至PID控制器的输入端，并与其给定值(以下简称SP值)进行比较得到偏差值(以下简称e值)，调节器按此偏差并以我们预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开度增加或减少，从而使现场控制对象值发生改变，并趋向于给定值（SP值），以达到控制目的。

　　这里我主要以制丝生产线RCC回潮机为例，着重介绍现在PID控制在烟草行业中的应用。首先，介绍一下RCC的出口水份是如何控制的，RCC的功能是在一定的温度下，根据要求对烟丝进行再回潮，回潮后的烟丝水份就是烘丝系统HXD入口烟丝的水份，这个水份的稳定性如何将直接影响HXD的出口水份，所以控制好RCC出口水份，是HXD出口水份稳定的前提。

　　RCC的加水PID控制是先根据公式算出初始的加水量L0,其公式如下：

　　L0=烟丝流量*[（100-入料水份设定值）/（100 - 出口水份设定值 + 喷射蒸汽含水率）]-烟丝流量

　　当RCC出口的水分仪检测到烟丝实际水份与出口水份设定值有偏差时，控制器输入端对偏差值经过对L0进行修正，修正值为L1,即过程加水量的设定值为L=L0+L1。而PID控制器根据由流量变送器传来的实际流量值，发出控制信号去调节气动阀的开度，解决了现场扰动因素，保证实际加水量趋向于过程加水量的设定值，从而确保了烟丝出口水分的稳定性。控制简图如下：

　　三．综述

　　随着烟草科技的不断发展，烟草在制品加工工艺的要求愈来愈高，通过对烟草在制品过程工艺参数的控制逐渐取代烟草在制品的结果检验。控制卷烟产品感官质量的稳定性，不仅要在原料上保证配方的准确性，而且要保证加工过程工艺参数的稳定。烟草生产线上采用了大量的PID参与控制，在安全、节能、环保、稳定生产、改善劳动条件、提高产品的产、质量等方面都有着功不可没的重要地位。

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