基于累计和策略的梗丝干燥机出口含水率控制方法与流程

1.本发明涉及卷烟制造领域，尤其涉及一种基于累计和策略的梗丝干燥机出口含水率控制方法。


背景技术：

2.烟梗是卷烟生产的重要原料之一，其理化特性与烟叶存在明显的区别，通常需要采用单独的加工工艺。梗丝干燥设备通过对梗丝进行闪蒸膨化及干燥，达到提升梗丝的填充值和弹性、降低造碎，进而提高成品烟丝感官质量等效果。
3.近年来对梗丝干燥工艺的研究主要集中在工艺参数对化学成分的影响上，例如有研究蒸汽压力对梗丝化学成分、香味成分、显微组织结构等方面都会造成较为显著的影响，构建了利用高温高压水蒸汽处理烟梗的方法；有分析蒸汽压力的变化对梗丝半纤维素和木质素的去除效率的影响关系；有研究蒸汽压力的变化对梗丝填充值、整丝率以及感官质量等的影响；以及也有采用正交试验方法研究蒸汽压力、作用时间等对烟梗化学成分、填充性能、感官质量等的影响，并运用综合平衡法确定了烟梗蒸汽增压回潮的较优工艺条件。虽然本领域上述研究促进了梗丝干燥生产工艺的整体改进，但在具体生产实践的控制中，由于各类梗丝的化学成分难以在现场进行快速检测，不能有效指导生产过程的实时控制，因此生产管理人员主要还是通过控制梗丝含水率来保证加工质量。
4.梗丝含水率控制的好坏直接决定了梗丝加工工艺的最终质量，是烟草制丝过程中的一个关键质量特性。现有对烘丝设备进行改进，通过将设备干燥管道改为管塔结合式并增加管道长度来有效降低烘丝干燥温度，避免梗丝含水率的剧烈变化；还有在闪蒸设备中增加加热去水装置，使出料口内壁凝结的冷凝水气化排出，避免冷凝水落入梗丝中造成其含水率的增加；以及一种闪蒸式梗丝膨化进料装置，可通过降低进料管外壁温度来避免梗丝粘连，以提高梗丝含水率的均匀性。
5.这些现有方案均是从设备改造的角度来改善梗丝含水率，但在实际生产中，设备的改造仅能够解决部分较为突出的问题，比如冷凝水带来的含水率变化等，多数含水率的波动主要由pid反馈控制来进行自动控制，但往往存在响应速度慢、控制不及时、过程能力偏低等问题。具体而言，梗丝干燥设备通常分为气流式和滚筒式两种，其中低速气流干燥机是目前较为广泛采用的一种机型。该机型以蒸汽为热源，通过热风来带走梗丝中的部分水分，其风量的大小主要由排潮风门开度来决定，因此可通过对排潮风门开度的调节来控制出口含水率。在实际生产过程中，通常由按照于干燥机出口位置的水分仪检测出口含水率的实时数据并传送给pid控制系统，pid控制系统根据与设定的出口含水率目标值的偏差对排潮分门开度进行实时调节。但由于pid控制响应较慢，控制精度不高，在来料含水率不够稳定的情形下很容易出现较大的质量波动。


技术实现要素：

6.鉴于上述，本发明旨在提供一种基于累计和策略的梗丝干燥机出口含水率控制方
法，以解决前述提及的技术问题。
7.本发明采用的技术方案如下：
8.本发明提供了一种基于累计和策略的梗丝干燥机出口含水率控制方法，其中包括：
9.基于相同牌号的梗丝来料的历史批次数据，获取来料含水率的历史分布情况；
10.根据预设的累计和策略，利用实时检测的当前来料含水率以及预设的第一偏移系数，获得第一统计量；
11.将所述第一统计量与所述历史分布情况比对，确定当前时刻的来料含水率趋势；
12.当所述来料含水率趋势相对于所述历史分布情况发生变化时，对干燥机排潮风门开度进行前馈调控；
13.根据预设的累计和策略，利用实时检测的当前出口含水率、预设的目标出口含水率以及预设的第二偏移系数，获得第二统计量；
14.基于所述第二统计量以及预设的若干个出口含水率阈值的关系，确定当前出口含水率的不同状态并对干燥机排潮风门开度进行分级式的反馈调控；
15.结合对于干燥机排潮风门开度的所述前馈调控、所述反馈调控以及预设的pid调控，控制干燥后的梗丝含水率。
16.在其中至少一种可能的实现方式中，在对干燥机排潮风门开度进行前馈调控料后，更新来料含水率的分布情况；
17.将更新后的分布情况作为历史分布情况，持续监控在后时刻的来料含水率趋势。
18.在其中至少一种可能的实现方式中，所述更新来料含水率的分布情况包括：基于当前时刻以及若干个在先时刻的来料含水率实测值的均值，估算新的来料含水率分布情况。
19.在其中至少一种可能的实现方式中，所述利用实时检测的当前出口含水率、预设的目标出口含水率以及预设的第二偏移系数，获得第二统计量包括：
20.求取所述当前出口含水率与所述目标出口含水率的差值；
21.利用所述差值以及与预设的标准偏差相关的所述第二偏移系数，得到第二统计量。
22.在其中至少一种可能的实现方式中，按预设的初始梯度对干燥机排潮风门开度进行前馈及反馈调控，所述初始梯度由专家经验获得。
23.在其中至少一种可能的实现方式中，所述分级式的反馈调控包括：对应于当前出口含水率与所述出口含水率阈值的偏差程度，所述初始梯度包括若干梯度等级。
24.在其中至少一种可能的实现方式中，利用同一控制策略每进行预设次数的调控后，对所述初始梯度进行自学习优化。
25.在其中至少一种可能的实现方式中，所述对所述初始梯度进行自学习优化包括：
26.在利用所述初始梯度对干燥机排潮风门开度进行一次前馈调控或反馈调控后，获取预设延时后的实时出口含水率；
27.根据每一次调控后的所述实时出口含水率获得对应的实时标准偏差值；
28.当同一类型调控的次数达到预设次数时，求取所述实时标准偏差值的偏差均值；
29.基于所述偏差均值以及预设的偏差阈值的比对关系，改变或保持所述初始梯度。
30.本发明的主要设计构思在于，基于梗丝干燥工序传统的pid控制系统，采用过程数据趋势的统计分析来构造快速响应的精细化前馈及反馈整合控制策略。具体地，是在原有的pid反馈控制的基础上，采用累计和(cusum，cumulative sum)的机制对来料含水率和出口含水率的变化趋势进行预测分析，构造前馈和反馈控制相结合的整合控制策略：将与来料相关的统计值与历史分布规律比对以确定来料含水率趋势，并据此进行前馈风门调控；将与出口含水率相关的统计值与多个出口含水率阈值比对以确定当前出口含水率的状态，进而对风门开度进行分级式的反馈调控，最后结合前馈反馈调控及传统的pid调控，控制干燥后的梗丝含水率。本发明所提出的整合控制策略，不仅能够收窄过程数据的分布范围，而且也使过程数据更为均匀，从而可以大幅提高梗丝干燥出口含水率的过程质量水平，有效改善该工序的质量控制能力。
附图说明
31.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步描述，其中：
32.图1为本发明实施例提供的基于累计和策略的梗丝干燥机出口含水率控制方法的流程图。
具体实施方式
33.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
34.本发明提出了一种基于累计和策略的梗丝干燥机出口含水率控制方法的实施例，具体来说，如图1所示，其中包括：
35.步骤s1、基于相同牌号的梗丝来料的历史批次数据，获取来料含水率的历史分布情况；
36.步骤s2、根据预设的累计和策略，利用实时检测的当前来料含水率以及预设的第一偏移系数，获得第一统计量；
37.步骤s3、将所述第一统计量与所述历史分布情况比对，确定当前时刻的来料含水率趋势；
38.步骤s4、当所述来料含水率趋势相对于所述历史分布情况发生变化时，对干燥机排潮风门开度进行前馈调控；
39.步骤s5、根据预设的累计和策略，利用实时检测的当前出口含水率、预设的目标出口含水率以及预设的第二偏移系数，获得第二统计量；
40.步骤s6、基于所述第二统计量以及预设的若干个出口含水率阈值的关系，确定当前出口含水率的不同状态并对干燥机排潮风门开度进行分级式的反馈调控；
41.步骤s7、结合对于干燥机排潮风门开度的所述前馈调控、所述反馈调控以及预设的pid调控，控制干燥后的梗丝含水率。
42.进一步地，在对干燥机排潮风门开度进行前馈调控料后，更新来料含水率的分布情况；
43.将更新后的分布情况作为历史分布情况，持续监控在后时刻的来料含水率趋势。
44.基于此，所述更新来料含水率的分布情况包括：基于当前时刻以及若干个在先时刻的来料含水率实测值的均值，估算新的来料含水率分布情况。
45.进一步地，所述利用实时检测的当前出口含水率、预设的目标出口含水率以及预设的第二偏移系数，获得第二统计量包括：
46.求取所述当前出口含水率与所述目标出口含水率的差值；
47.利用所述差值以及与预设的标准偏差相关的所述第二偏移系数，得到第二统计量。
48.进一步地，按预设的初始梯度对干燥机排潮风门开度进行前馈及反馈调控，所述初始梯度由专家经验获得。
49.基于此，一方面，所述分级式的反馈调控包括：对应于当前出口含水率与所述出口含水率阈值的偏差程度，所述初始梯度包括若干梯度等级。
50.另一方面，利用同一控制策略每进行预设次数的调控后，对所述初始梯度进行自学习优化。
51.具体地，所述对所述初始梯度进行自学习优化包括：
52.在利用所述初始梯度对干燥机排潮风门开度进行一次前馈调控或反馈调控后，获取预设延时后的实时出口含水率；
53.根据每一次调控后的所述实时出口含水率获得对应的实时标准偏差值；
54.当同一类型调控的次数达到预设次数时，求取所述实时标准偏差值的偏差均值；
55.基于所述偏差均值以及预设的偏差阈值的比对关系，改变或保持所述初始梯度。
56.下面结合前文各个实施例，进行综合展开：来料含水率的波动是影响梗丝干燥出口含水率稳定性的重要影响因素。由于从梗丝干燥机入口到出口的时间大约为8秒，将来料含水率的波动趋势与8秒后对应时刻的出口含水率的进行比较，就可以发现，若来料含水率连续增大或减小，就容易使出口含水率出现整体性的升高或降低，但是来料含水率的整体性变化趋势无法通过pid调整予以快速消除，因此本发明认为有必要对来料含水率的趋势性变化进行及时的预测并加以快速的调整。
57.进而考虑分别识别来料和出口含水率的变化趋势，实现前馈和反馈控制，并结合原有的pid控制，形成了如下整合控制模型，而前馈和反馈控制的具体策略，可根据来料含水率和出口含水率分别的变化趋势，采用累计和(cusum，cumulative sum)的方法得出。
58.cusum方法基于序贯分析原理中的序贯概率比检验，将过程的小偏移累加起来，达到放大的效果，提高对过程中出现的趋势性变化的预测识别能力
12.。具体到本发明，针对同一牌号的梗丝来料，可通过历史批次数据首先计算来料含水率的大致分布情况n(μ,σ)，以识别来料含水率的趋势性变化。为了识别来料含水率的趋势性变化，可构建如下统计量：
[0059][0060]
其中，yi为第i时刻来料含水率的实时检测值；u为偏移系数，通常可设u＝0.5σ；和的初始值由于cusum方法的统计量为两个，过程中出现趋势性变化的判断条件分别为即上下控制界限为
±
l，通常取l＝4σ。由此可以得出以下
控制策略：
[0061]
1)若则说明来料含水率有增大的趋势，这时需要通过增大排潮风门开度来带走更多水分，由于cusum统计量对含水率的变化较为敏感，这种增大的趋势一般不会很大，因此基于专家经验，可将排潮风门开度值增大1；
[0062]
2)同样，若则说明来料含水率有减小的趋势，这时可将干燥机排潮风门开度值减小1。
[0063]
3)若且则说明来料含水率没有趋势性变化，干燥机排潮风门开度值不做调整，继续进行监控。
[0064]
而在判断来料含水率出现了趋势性变化后，即执行了1)或2)的控制策略后，还需对过程分布的均值进行重新计算。这时，可以基于最近的3个时刻来料含水率的均值(一般检测频率为5秒，3个时刻就是15秒)估计新的分布均值：
[0065][0066]
然后由此重新按照式(1)构造cusum统计量继续进行监控。
[0067]
对于出口含水率的反馈控制，虽然pid控制系统在根据出口含水率的检测值进行实时的反馈调整，但效果比较缓慢。为此，本发明运用前述cusum方法构建更为快速有效的反馈控制策略并与pid控制相结合。由于出口含水率是梗丝干燥工序的关键质量特性，按照出口含水率的工艺控制要求，其标准偏差要小于0.28，本发明根据实际生产情况，将标准偏差的设定值设为σ0＝0.20。设ek为第k时刻出口含水率的实际检测值xk与目标值t的差：
[0068]ek
＝x
k-t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0069]
则可由此构造cusum统计量：
[0070][0071]
其中，偏移系数s＝0.5σ0＝0.1；初始值
[0072]
为了实现对出口含水率的及时准确的调整，可采用分级策略设计反馈控制策略，令l1＝3σ0＝0.6，l2＝5σ0＝1.0，则有：
[0073]
1)若说明出口含水率显著增大，则需要通过增大排潮风门开度来带走更多水分，可将排潮风门开度值增大4；
[0074]
2)若说明出口含水率较大，可将排潮风门开度值增大2；
[0075]
3)若且说明出口含水率较为稳定，不需要进行调整；
[0076]
4)若说明出口含水率较小，可将排潮风门开度值减小2；
[0077]
5)若说明出口含水率显著降低，可将排潮风门开度值减小4；
[0078]
在上述前馈和反馈控制策略中，排潮风门开度值的具体调整程度都是根据专家经验初步给出，而在实际应用过程中，更佳地可以定期对各控制策略的调整效果进行分析和自学习优化，以保证控制策略符合实际生产情况。例如，对于同一控制策略每进行预设次数调整后就自动进行一次自学习优化(可根据实际需求修改自学习的触发条件)，从而对其它前馈和反馈控制策略中的风门开度调整量进行自学习优化。
[0079]
具体地，在利用所述初始梯度对干燥机排潮风门开度进行一次前馈调控或反馈调控之后，获取预设延时后(如50秒后)的实时出口含水率；
[0080]
根据每一次调控后的所述实时出口含水率获得对应的实时标准偏差值；
[0081]
当同一类型调控的次数达到预设次数时，求取所述实时标准偏差值的偏差均值；
[0082]
基于所述偏差均值以及预设的偏差阈值的比对关系，改变或保持所述初始梯度。举例来说，若偏差均值小于0.20，则保持初始梯度并重新进行下一轮的自学习优化；若偏差均值在0.20与0.25之间，则将干燥机排潮风门开度调控幅度在原幅度基础上加1；若偏差均值大于0.25，则将干燥机排潮风门开度调控幅度在原幅度基础上加2。
[0083]
经实际验证分析：按照传统方式，出口含水率漂移性的变化程度较为明显，数据分布的范围较大，其原因主要是由于原有的控制系统调整较为缓慢所造成的响应延迟。而采用本发明所述提出的整合控制策略后，过程数据的分布范围会显收窄，过程数据也更为均匀，对出口含水率的控制效果显著提高。
[0084]
综上所述，本发明的主要设计构思在于，基于梗丝干燥工序传统的pid控制系统，采用过程数据趋势的统计分析来构造快速响应的精细化前馈及反馈整合控制策略。具体地，是在原有的pid反馈控制的基础上，采用累计和(cusum，cumulative sum)的机制对来料含水率和出口含水率的变化趋势进行预测分析，构造前馈和反馈控制相结合的整合控制策略：将与来料相关的统计值与历史分布规律比对以确定来料含水率趋势，并据此进行前馈风门调控；将与出口含水率相关的统计值与多个出口含水率阈值比对以确定当前出口含水率的状态，进而对风门开度进行分级式的反馈调控，最后结合前馈反馈调控及传统的pid调控，控制干燥后的梗丝含水率。本发明所提出的整合控制策略，不仅能够收窄过程数据的分布范围，而且也使过程数据更为均匀，从而可以大幅提高梗丝干燥出口含水率的过程质量水平，有效改善该工序的质量控制能力。
[0085]
本发明实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示单独存在a、同时存在a和b、单独存在b的情况。其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项”及其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。例如，a，b和c中的至少一项可以表示：a，b，c，a和b，a和c，b和c或a和b和c，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
[0086]
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，但以上仅为本发明的较佳实施例，需要言明的是，上述实施例及其优选方式所涉及的技术特征，本领域技术人员可以在不脱离、不改变本发明的设计思路以及技术效果的前提下，合理地组合搭配成多种等效方案；因此，本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。