烘丝机自适应调节模型的研究

曾宪文1，杨城1，史成云1，崔文波1，刘义龙1，崔汝念1

(1.红塔烟草（集团）有限责任公司昭通卷烟厂,云南省 昭通市 657000）

摘要：针对制丝生产现状，采用数据驱动的预测控制，建立基于机器学习的烘丝机自适应控制模型，达到精确和稳定控制烘丝出口水分的目的。

关键词：烘丝  出口水分  机器学习  数据驱动

一、现状分析

烘丝机如下图1所示：

图1  烘丝机示意图

烘丝机采用传统的前馈+反馈控制模型对出口水分进行控制，其控制模型如下图2所示：

图2  烘丝出口水分控制模型

前馈就是指以入口水分为变量，根据检测出的入口水分，系统会自动预设一个热风流量，将此预设热风流量写到底层PID控制回路中，对烟丝进行脱水处理。反馈就是以出口水分为变量，将出口水分与设定水分进行比较，看其是否等于设定出口水分，如果不等，系统会对预设的热风流量进行适当的修正，以达到控制出口水分的目的。

前馈+反馈的出口水分控制模型有以下缺点：

①参与控制的变量较为单一，在控制模型中，只考虑了入口水分这一变量，我们都知道，会影响出口水分的变量不仅仅只是入口水分，像蒸汽、热风流量、环境温湿度等都会影响其出口水分，此控制模型控制精度较低。

②前馈+反馈的控制模型在控制上存在一定的滞后性，该控制模型通过检测已经经过脱水处理的物料水分，来对正在脱水的物料进行热风流量的调节，控制存在一定的滞后性，导致控制精度较低

因为控制模型存在的种种弊端，导致了烘丝出口水分控制精度较低，在实际生产过程中，出口水分会出现较大波动，为了尽量减少其出口水分的波动，操作工只能根据经验对热风流量进行频繁的调整，这一方面增加了操作工的劳动强度，另一方面，如果操作工调整不当或未及时对热风流量进行调整，将会对产品质量造成较大影响。

二、自适应控制模型的构建

为了解决以上问题，我们用相关性矩阵对可能影响烘丝出口水分的因子进行了相关性分析，如下图3所示：

图3  相关性矩阵

根据相关性分析，我们得出了对烘丝出口水分有影响的因子为环境温湿度、入口物料流量、入口含水率、薄板温度、热风流量等因子，接着我们以历史数据为基础，通过对物料流量、入口水分、环境因素等进行分析、数据清洗、数据提取、数据建模，建立控制参数计算模型，根据烘丝机入口物料流量、入口水分、环境因素等使用模型计算出相应控制参数的推荐值。其控制模型如下所示：

Sjcksf=b+a1*x1+a2*x2+a3*x3+a4*x4+a5*x5+a6*x6+a7*x7+a8*x8

通过回归方程和回归系数反复检验，采用逐步回归法，最后得到模型为：

Sjcksf=20.38+-0.006*x1+0.007*x2-0.519*x3-0.069*x4+0.297293*x5-0.017*x6+0.109*x7+0.003*x8     

同时，在多元回归控制模型的基础上采用机器学习，从PLC系统和MES中共同采集与烘丝出口水分相关的实时数据，结合制丝生产现场人工控制烘丝出口水分所总结的历史经验，利用相似度计算法筛选出合格的历史生产数据结果作为烘丝出口水分控制的参考标准，采用数据驱动的预测控制算法（如下图4所示）降低烘丝出口水分的误差控制范围，最终得到烘丝出口水分控制后的结果。同时，建立烘丝出口水分控制系统与PLC系统的数据通道，根据出口水分热风流量计算出对应的热风风门开度，便于PLC系统自动调整热风风门，进而实时调控烘丝机的热风流量。另外，根据烘丝工序的工艺标准，预设影响烘丝出口水分的各重要数据属性的控制范围，对出现的异常情况进行及时报警与人工干预；将所获取的重要数据属性值进行可视化展示，便于管理人员和现场操作人员实时观测（如下图5所示）。

图4  数据驱动的预测控制算法

此数据驱动的预测控制算法，能从历史数据中学习热风流量控制模型和出口水分预测模型，实际生产过程中由控制模型计算热风流量，根据计算得到的热风流量用预测模型预测出口水分，如果预测值满足工艺要求则采用计算值，否则使用优化函数寻找优化方向，再次计算热风流量直到预测出口水分满足工艺要求。并根据一段时滞后监测到的实际出口水分数据作为反馈输入调整优化函数。

图5  自适应控制模型页面

三、模型验证

模型建立完成后，为了验证其模型是否有效，我们取80%的数据做训练集用于训练模型，20%数据为测试集进行验证烘丝出口物料含水率预测值和实际值对比曲线吻合度较高（如下图6所示），均方误差MSE=0.004，模型在训练集上的精度为94.2%，测试集上的精度为89.5%，模型效果较优。  

图6  预测水分与实际出口水分对比

参考文献

[1]顾亮等.环境温湿度对配送烟丝质量及卷烟质量的影响[J], 食品与机械2017,33(4):190～194.

[2]国家烟草专卖局. 卷烟工艺规范[M]. 北京：中央文献出版社，2003:38. [3]阎瑾.环境湿度对卷烟烟气成分和风格品质的影响[J],食品与机械2017, 33(11)：47～51.

[3]刘朝贤，孔臻，张大波．烟草加工工艺技术发展现状与趋势[C]. 2012年—2013年烟草科学与技术学科发展研究报告. 中国烟草协会，2013,12.