1 引言
随着国际健康组织（WHO）越来越多地对卷烟制品采取各种质量限定政策，卷烟生产设备的技术性能不断提高。滤棒成型机组作为卷烟生产中不可或缺的重要机组，其性能直接影响到了卷烟制品的最终质量。
烟腔加热系统是保证胶水粘贴质量的因素[1]。该工艺的工作状态直接影响到了滤棒的质量。然而在多数的滤棒成型机组中，控制算法上采用的是“乒-乓”控制算法[2]，并且温控脱离于核心控制系统。

2 滤棒成型机组的现有控制方式与控制算法
ZL22D型滤棒成型机组的主控系统式由Siemens公司的PLC和Lenze公司的伺服系统组成。烟腔加热系统是游离于核心控制系统之外。整个加热系统是通过安装面板上的加热按钮来实现该系统的关断与否，并不依据中央控制器的指令。它的设定温度是由该部件本身的感应片的受热膨胀系数所决定，不能够轻易调节。滤棒成型机组烟腔加热系统电路如图1所示。

图1 滤棒成型机组烟腔加热系统电路示意图

图1中，R8为300W的加热单元，当机组运行时操作员按下面板上的按钮S3.3，烟腔加热系统处于允许加热状态。R8是否进行加热，实际上取决于S8.1的状态。S8.1是一组带接触点的热感应片，就安装在烟腔上。当感应片的温度低于某一温度时，接触片是闭合的，加热回路被接通，整个系统开始加热；而当烟腔温度上升到一定温度后，感应片受热膨胀，使得接触片分开，于是加热回路被断开，加热停止。由于感应片的受热膨胀与冷却收缩，就使得烟腔加热系统的温度可以保持在某一温度范围内。
但是，这样的设计实际上使得烟腔加热系统与核心控制系统并不同步，而且部件的机械损坏可能会造成加热系统工作异常等问题或隐患。特别是考虑到人为因素的情况下，存在的问题或隐患就可能引起部件损坏甚至人身危险。
简单的“乒-乓”控制算法主要表现在整个系统的超调量[3]很大，达到稳定状态的时间较短，稳定后的温度波动呈振荡状。这些情况虽不全部是负面的，但是其综合效应对于保证烟腔温度稳定是不利的，对于滤棒的产品质量也是有一定的不利。

就该系统而言：例如，在室温26℃的条件下、烟腔加热的设定温度为90℃时，整个温度加热系统的超调量达到了25～30℃，超调比率为27.8～33.3%，稳定时间[5]约为200～260秒，稳态时的温度波动约为±10～15℃，系统响应时间[6]约为60～80秒。具体见表1。

表1 原烟腔加热系统的参考数据

其系统响应曲线示意如图2所示。从上述数据和曲线图说明该加热系统的控制算法不够理想，稳态温度波动大。温度波动大就容易影响滤棒纸带的粘合质量，加大“脱胶”的概率。

图2 原系统响应曲线示意图

3 新的控制方式和控制算法的筛选
加热系统，控制算法有很多种。而在本设计中，主要考察3种比较常用的控制算法方式，挑选出相对合适的一种。
3.1 回环控制
回环控制又名滞环控制或者回路控制，其控制理论曲线如图3所示。

图3 回环控制理论曲线

这是一种简单的控制算法，但控制能力不好，特别是该控制算法很容易发生输出结果的振荡状态。这种回环控制算法可以看作是对“1/0”控制算法的一种优化，是一种非常容易实现的控制方案，同时也是比较常用的一种方案选择。
3.2 PID控制
PID控制算法即比例积分微分控制。这是应用最广泛和适用性最好的控制算法，具有快速性好、稳定性强、准确性高的特点。
其传递函数为：Kp+KdS+Ki/S
其中Kp、Kd、Ki分别为比例、微分及积分系数。由于三个系数之间的关系是相互影响、相互制约，所以这种控制算法的最大问题在于其参数设置过程比较漫长，必须具有一定的自控理论知识和经验才能够快速进行参数的调节。

3.3 PWM控制
PWM控制即脉宽调制控制(Pulse-Width-Modulation)。这是一种根据实际温度与设定温度的差值大小,以不同的占空比实施加热的控制算法。公式表述如下：

其中，T为控制周期，T1、T2、T3为有效周期（小于或等于T）。n表示设定值减去实际值的差，N1、N2、N3、N4表述差值的大小，f（n）为输入响应公式，F（n）为输出响应公式。该控制算法可以看作对PID控制算法的一种简化，在牺牲了一定控制能力的基础上，简化参数设置。
为了比较这3种控制算法的控制效果，设计者利用MATLAB软件进行3种控制算法的计算机仿真，其结果如图4所示。

图4 MATLAB仿真曲线

图4中根据波动幅度自大至小分别是回环控制的响应曲线，PWM控制曲线，PID控制曲线。由4中，可以很容易地发现：PID控制的仿真效果较好，PWM控制的仿真效果次之，而回环控制的仿真效果最差。
不过，在要求最佳“性能—效果”的综合考虑下，设计者认为回环控制效果最差，PID控制最难操作。而PWM控制相对具有两者之长，回避了两者之短。基于这样的判断，最后决定采用PWM控制。

4 控制方式和控制算法的设计
确定了控制方式和控制算法之后，下一步就是实现设计。在设计中依次采用了如下的步骤，完成对控制方式的更新和新控制算法的设计。
4.1 增加温度检测装置
在烟腔加热部件上增加一个Pt100的热电偶，并将该元件的信号送入PLC的模拟输入模块，以实现加热温度对PLC的反馈。同时，加热部件R8由PLC决定工作状态，增加输出继电器K取代S8.1感应片，如图5所示。

图5 新的烟腔加热系统电路示意图

4.2 修正HMI显示
增加HMI的画面，以达到参数设定、温度数据显示等目的。图6就是最后完成的HMI显示画面。

图6 烟腔加热HMI显示画图

4.3 增加PLC程序
在Siemens S7-300的程序中增加烟腔加热的程序模块。图7就是程序运行（部分）时，烟腔加热程序模块的显示。

图7 烟腔加热PLC运行（部分）画图

4.4 控制参数的确定
在参数调整中，“N1/N2/N3/N4，T1/T2/T3=10℃/8℃/5℃/2℃、40/80/60”[7]的常用参数组无法彻底解决温度波动大的问题。这是由于功率为300W的加热器所加热物体相对较小，故而温度控制的时滞性较大，这就需要调节各个有效周期。在通过多次软件模拟和实际测试后，采用“T1/T2/T3=35/15/8”的参数组，实现设计的要求。

5 改良系统的比较
在控制方式方面，游离于核心控制系统的原有控制方式和服从于核心控制系统的新控制方式相比，新的控制方式更加安全和受控，解决了老系统的诸多问题。温度响应数据比较表 如表2所示。

表2 新、老系统温度响应数据比较表

从表2中我们可以发现，除了响应时间这一数据之外，新系统的响应曲线远远优于老系统。由于滤棒成型机组启动前要进行20分钟左右的机组预热，所以实际上烟腔加热系统的响应时间对于整个生产过程是没有太多意义的数据。图8为新老系统的响应曲线比较示意图。

图8 新老系统响应曲线比较示意图

6 结束语
对烟腔加热系统的改进是建立在自动控制的理论与实践相结合的基础上，运用了MATLAB软件进行模拟和推算，从而实现对控制方式和控制算法的甄别。通过这样的设计方法，缩短了设计过程和减少了实物试验的耗材。本文所采用的设计理念和设计过程可以作为其他同类“炉温控制系统”的借鉴，同时，也可作为其他技术开发及改进项目的参考。