一种应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法与流程

1.本发明涉及卷烟工艺空调的控制技术领域，尤其涉及一种应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法。


背景技术：

2.在卷烟厂生产区域中的原辅料及生产工艺环节对环境的温湿度有极其严格的规范，短时间的波动即会影响烟丝含水量、造碎率的变化，进而对产品质量产生不良影响。烟草行业的生产及仓储的温湿度控制大多采用大型工艺空调集中控制，通常采取全空气系统供给，可以为被控区域提供精确的热湿环境。因此其温湿度控制系统必须具备降温、加热、加湿及除湿的功能，一般由冷热源、空气处理机柜、送回风管道及控制系统构成。在不同工况的温湿度调整过程当中，存在温度调整过程中影响湿度指标及在湿度调整过程中影响温度指标的现象，即温度控制及湿度控制之间存在强耦合性，易导致温湿度调整的动态性能下降，甚至出现超调现象。


技术实现要素：

3.本发明提供一种应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法，解决现有卷烟工艺空调温湿度调整过程中温度与湿度之间存在强耦合性，造成温湿度超调现象的问题，能提高卷烟工艺空调的温湿度调节效率，降低强耦合导致的较大超调量。
4.为实现以下目的，本发明提供以下技术方案：
5.一种应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法，包括：
6.设置加热器-温度控制回路的传递函数g
11
(s)、表冷器-温度控制回路的传递函数g
22
(s)、加湿器-湿度控制回路的传递函数g
33
(s)、表冷器-湿度控制回路的传递函数g
44
(s)、加湿器-温度控制回路的传递函数g
13
(s)；
7.设置加热器-温度控制回路和加湿器-湿度控制回路作为主控制通道，加湿器-温度控制回路为耦合通道；
8.将所述耦合通道的耦合信号转换为控制对象前级的扰动信号，以进行前馈补偿。
9.优选的，还包括：
10.在表冷需求大于且等于除湿需求时，设置表冷器-温度控制回路为主控制通道，表冷器-湿度控制回路为耦合通道，并将此工况下的表冷器-湿度控制回路耦合通道传递函数记为g
32
(s)；
11.在表冷需求小于除湿需求时，表冷器-湿度控制回路为主控制通道，表冷器-温度控制回路为耦合通道，将此工况下的表冷器-温度控制回路耦合通道传递函数记为g
41
(s)。
12.优选的，还包括：
13.若以加热器-温度控制回路为主控制通道、加湿器-温度控制回路为耦合通道，则前馈补偿传递函数为f
13
(s)，并按公式f
13
(s)＝-g
13
(s)/g
11
(s)得到。
14.优选的，还包括：
15.若以表冷器-温度控制回路为主控制通道、加湿器-温度控制回路为耦合通道，则前馈补偿传递函数为f
23
(s)，并按公式f
23
(s)＝-g
13
(s)/g
22
(s)得到。
16.优选的，还包括：
17.若以加湿器-湿度控制回路为主控制通道、表冷器-湿度控制回路为耦合通道，则前馈补偿传递函数为f
32
(s)，并按公式f
32
(s)＝-g
32
(s)/g
33
(s)得到。
18.优选的，还包括：
19.设加热回路pid计算输出值为u
heat-pid
,表冷阀导致的加热补偿输出为y
f14
，加湿阀门控制输出为y
hum
，加湿阀导致的理论加热补偿输出为y
f13
,加湿阀导致的理论加热补偿输出为y
f23
,加湿阀导致的实际加热补偿输出为y
′
f13
，加湿阀导致的实际表冷补偿输出为y
′
f23
则按以下公式对加湿器-温度控制回路进行前馈补偿：
[0020][0021]
优选的，还包括：
[0022]
设表冷需求大于等于除湿需求时的表冷阀门命令输出为u
cooler
，除湿需求为u
′
dehum
，表冷需求小于除湿需求时的表冷阀门命令输出为u
dehum
，表冷需求为u
′
cooler
，表冷阀导致的加湿阀加湿补偿输入为u
f32
,表冷器导致的加热阀加热补偿输出为u
f14
，按以下公式对表冷器-湿度控制回路及表冷器-温度控制回路进行前馈补偿：
[0023]uf32
＝u
cooler-u
′
dehum
；
[0024]uf14
＝u
dehum-u
′
cooler
。
[0025]
优选的，还包括：
[0026]
设置温度pid控制器和湿度pid控制器，所述温度pid控制器用于控制对应的控制对象以调节工艺空调的温度，所述湿度pid控制器用于控制对应的控制对象以调节工艺空调的湿度；
[0027]
设置前馈控制器，用于设置前馈补偿传递函数，并根据耦合通道对应的传递函数确定控制对象输出值的补偿量。
[0028]
本发明提供一种应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法，设置控制回路的传递函数，并根据所述主控制通道和所述耦合通道对应的传递函数将所述耦合通道的耦合信
温度控制回路为耦合通道；
[0044]
s3：将所述耦合通道的耦合信号转换为控制对象前级的扰动信号，以进行前馈补偿。
[0045]
具体地，工艺空调温湿度控制系统包括加热、加湿、降温、除湿四个控制环节，其中加热环节执行机构对应加热器，加湿环节执行机构对应加湿器，降温以及除湿环节执行机构均对应表冷器，各执行机构对温湿度控制的耦合情况如下：
[0046]
(1)加湿器对温湿度控制的耦合：加湿器加湿过程中不仅能够将蒸汽中的水分加入到空气中提高其含湿量，也因蒸汽存在的显热，对空气有一定的升温作用，即加湿回路的湿度控制会导致受控区域的升温。
[0047]
(2)表冷(除湿需求)对温湿度控制的耦合：因除湿需求导致的表冷器除湿过程中，通过表冷冷凝的方式将空气中的水分凝结出来降低其含湿量的同时，也导致了空气的降温，即除湿回路的湿度控制会导致受控区域的降温。
[0048]
(3)表冷(降温需求)对温湿度控制的耦合：因降温需求导致的表冷器降温过程中，通过热交换的方式降低空气温度的同时，也导致了空气中水分的析出，即降温回路的湿度控制会导致受控区域的湿度下降。
[0049]
一种面向于卷烟厂工艺空调的温湿度解耦控制系统，其加湿器-温度控制回路对温度回路的耦合干扰可以对加热器-温度控制主回路以及表冷器-温度控制主回路两个闭环控制回路产生影响，即前馈补偿可设计在这两个闭环控制回路的任一个回路中，这种系统可定义为单输出多通道耦合系统。加湿器-温度控制回路对温度造成的影响是正向的，即加湿会造成一定的温升。因此对加热回路的前馈补偿主要是通过减小加热回路的输出以抵消加湿造成的温升，对降温回路的前馈补偿则是通过增大降温回路的输出以抵消加湿造成的温升。经过解耦控制以及补偿算法后，能降低部分工况下强耦合导致的较大超调量，能缩短部分工况下强耦合导致的较长调节时间，能减少因系统超调导致的冷热抵消、干湿抵消等能源浪费。
[0050]
该方法还包括：
[0051]
s4：在表冷需求大于且等于除湿需求时，设置表冷器-温度控制回路为主控制通道，表冷器-湿度控制回路为耦合通道，并将此工况下的表冷器-湿度控制回路耦合通道传递函数记为g
32
(s)；
[0052]
s5：在表冷需求小于除湿需求时，表冷器-湿度控制回路为主控制通道，表冷器-温度控制回路为耦合通道，将此工况下的表冷器-温度控制回路耦合通道传递函数记为g
41
(s)。
[0053]
在实际应用中，其在除湿工况时，表冷器通过冷凝的方式降低空气湿度的同时，也导致了空气温度的下降；而在降温工况时，表冷器也不仅通过表冷降低空气的温度，同样导致了空气湿度的下降。这种耦合关系除了会导致调节时间变长，还可能会引起较大的超调。
[0054]
在一实施例中，一种面向于卷烟厂工艺空调的温湿度解耦控制系统，主要使用前馈补偿解耦方法进行解耦，以两输入两输出的耦合系统为例，如图2所示。前馈补偿解耦法是通过设计前馈控制器，将耦合通道的耦合信号转换为控制对象前级的扰动信号，从而实现解耦的目的，前馈补偿解耦的控制原理图如图3所示，其中f
′
21
(s)与f
′
12
(s)即为需要进行设计确定的前馈补偿传递函数。
[0055]
假设r1-y1＝e1,r2-y2＝e2,则有以下公式：
[0056]
y1＝e1g
c1
(s)g
′
11
(s) e2g
c2
(s)f
′
12
(s)g
′
11
(s) e2g
c2
(s)g
′
12
(s)
ꢀꢀ
(1)；
[0057]
y2＝e2g
c2
(s)g
′
22
(s) e1g
c1
(s)f
′
21
(s)g
′
22
(s) e1g
c1
(s)g
′
21
(s)
ꢀꢀ
(2)；
[0058]
若要使得y1与e2无关，y2与e1无关，则须满足：
[0059]
e2g
c2
(s)f
′
12
(s)g
′
11
(s) e2g
c2
(s)g
′
12
(s)＝0
ꢀꢀ
(3)；
[0060]
e1g
c1
(s)f
′
21
(s)g
′
22
(s) e1g
c1
(s)g
′
21
(s)＝0
ꢀꢀ
(4)；
[0061]
因此前馈补偿解耦传递函数应为：
[0062]f′
12
(s)＝-g
′
12
(s)/g
′
11
(s)
ꢀꢀ
(5)；
[0063]f′
21
(s)＝-g
′
21
(s)/g
′
22
(s)
ꢀꢀ
(6)；
[0064]
式中r1为第一控制回路的设定值，r2为第二控制回路的设定值，y1为第一控制回路的实际反馈值，y2为第二控制回路的实际反馈值，g
c1
(s)为第一控制回路控制器传递函数，g
c2
(s)为第二控制回路的控制器传递函数，g
′
11
(s)为第一控制回路的执行器-第一控制回路传递函数，g
′
21
(s)为第一控制回路的执行器-第二控制回路传递函数，g
′
12
(s)为第二控制回路的执行器-第一控制回路传递函数，g
′
22
(s)为第二控制回路的执行器-第一控制回路传递函数。
[0065]
该方法还包括：
[0066]
若以加热器-温度控制回路为主控制通道、加湿器-温度控制回路为耦合通道，则前馈补偿传递函数为f
13
(s)，并按公式f
13
(s)＝-g
13
(s)/g
11
(s)得到。
[0067]
若以表冷器-温度控制回路为主控制通道、加湿器-温度控制回路为耦合通道，则前馈补偿传递函数为f
23
(s)，并按公式f
23
(s)＝-g
13
(s)/g
22
(s)得到。
[0068]
若以加湿器-湿度控制回路为主控制通道、表冷器-湿度控制回路为耦合通道，则前馈补偿传递函数为f
32
(s)，并按公式f
32
(s)＝-g
32
(s)/g
33
(s)得到。
[0069]
在表冷器-温度控制回路耦合通道解耦时，假设前馈补偿传递函数为f
14
，可得：f
14
(s)＝-g
22
(s)/g
11
(s)。
[0070]
该方法还包括：
[0071]
设加热回路pid计算输出值为u
heat-pid
,表冷阀导致的加热补偿输出为y
f14
，加湿阀门控制输出为y
hum
，加湿阀导致的理论加热补偿输出为y
f13
,加湿阀导致的理论加热补偿输出为y
f23
,加湿阀导致的实际加热补偿输出为y
′
f13
，加湿阀导致的实际表冷补偿输出为y
′
f23
则按以下公式对加湿器-温度控制回路进行前馈补偿：
[0072][0073]
该方法还包括：
[0074]
设表冷需求大于等于除湿需求时的表冷阀门命令输出为u
cooler
，除湿需求为u
′
dehum
，表冷需求小于除湿需求时的表冷阀门命令输出为u
dehum
，表冷需求为u
′
cooler
，表冷阀导致的加湿阀加湿补偿输入为u
f32
,表冷器导致的加热阀加热补偿输出为u
f14
，按以下公式对表冷器-湿度控制回路及表冷器-温度控制回路进行前馈补偿：
[0075]uf32
＝u
cooler-u
′
dehum
；
[0076]uf14
＝u
dehum-u
′
cooler
。
[0077]
该方法还包括：
[0078]
设置温度pid控制器和湿度pid控制器，所述温度pid控制器用于控制对应的控制对象以调节工艺空调的温度，所述湿度pid控制器用于控制对应的控制对象以调节工艺空调的湿度；
[0079]
设置前馈控制器，用于设置前馈补偿传递函数，并根据耦合通道对应的传递函数确定控制对象输出值的补偿量。
[0080]
在实际应用中，一种面向于卷烟厂工艺空调的温湿度解耦控制系统，采用多变量耦合控制系统的解耦方法，主要通过在控制对象之前或者在其pid反馈通道上设置解耦器，将系统中互相耦合导致的控制对象输出值的互相影响换算成pid的变化值，进而给定一个反向的pid补偿进行消除，实现解耦的效果。较为成熟的理论主要有相对增益法、特征曲线分析法以及状态变量法，但因对系统模型的准确性均有较高的要求，实际应用较少。相对易于实现且实际应用较为广泛的方式主要包括前馈补偿解耦法、对角矩阵解耦法以及单位矩阵解耦法，其中单位矩阵解耦法可理解为对角矩阵解耦法的一个特例。
[0081]
可见，本发明提供一种应用于卷烟工艺空调的温湿度解耦控制方法，设置控制回路的传递函数，并根据所述主控制通道和所述耦合通道对应的传递函数将所述耦合通道的耦合信号转换为控制对象前级的扰动信号，以进行前馈补偿。解决现有卷烟工艺空调温湿度调整过程中温度与湿度之间存在强耦合性，造成温湿度超调现象的问题，能提高卷烟工艺空调的温湿度调节效率，降低强耦合导致的较大超调量。
[0082]
以上依据图示所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但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。