烟草企业烟叶储藏房空调控制系统设计研究
发布时间：2014-08-20 10:15
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
烟叶是卷烟工业的物质基础，优质安全的烟草原料是满足卷烟工业需求、促进烟草行业发展的前提。随着社会生活水平的提高，对卷烟质量档次的要求也不断提高，为了保证卷烟质量的稳定性，必须做好烟叶原料数量和质量的保障工作。贮存是烟草加工过程中提高品质的一个重要环节，是卷烟生产工艺流程中的关键环节之一。贮叶工序的主要目是一方面通过对烟叶原料混配的存储，使添加在烟草中的水分、料液、香料以及其他物料相互混配均匀且被烟片充分吸收；另一方面也起到调节和平衡制丝生产能力及生产时间的作用。烟叶在贮存过程中，需要为其贮存环境提供适宜的温湿度条件，并且为了提高叶料混配的质量还应适当延长贮叶时间。经过贮存过程的烟叶品质明显改善、烟香增加、刺激性降低，其内在化学成分趋于协调，感官质量得到提高，能够满足卷烟配方的需求。近几年，对烟草的需求越来越多，促使烟草行业发展的速度逐渐加快，对烟叶贮存的规模和数量的要求也越来越大，实现烟叶的安全存储就成为亟待解决的问题。如果没有较好的烟叶贮存养护技术，没有对烟叶贮存进行科学的管理，就会在烟叶贮存过程中造成较高的损耗率，并且难以保证烟叶的质量。
1.2 烟叶贮房控制技术的应用现状
机理分析法指的是人们根据被控对象的特征，确定系统内部的机理类型，准确表达出变量的因果关系，再对一些不确定因素进行简化，选择恰当的数学方法得到描述被控对象特征的数学模型。人工神经网络建模法是新型建模方法中应用比较多的建模方法，它根据被控对象的输入、输出关系，不间断的调整网络的阈值和权值，来推导从输入到输出的映射关系，进行模型建立时不需要具体的函数表达式，也不需要对方程进行求解，就能推导出输入输出变量的函数表达式。
……………
第2章 贮叶房空调控制系统结构设计
2.1 贮叶房空调系统
贮叶房空调系统主要由风机、空气处理设备、风阀及风道、新风口和排风口构成。由于外界空气中含有灰尘颗粒，最初室外新风必须经过过滤装置的初次过滤，新风经过风阀进入组合式空调机组，再与贮叶房内的回风进行充分混合，经过混合后的空气再通过初效过滤、中效过滤、高效过滤以及加湿、冷热交换后，满足生产要求的空气则由送风机沿通风管道送至贮叶房。而改变空气温湿度的方法是在空气调节机构中利用空气—水换热的方式进行的[15-17]。
2.2 贮叶房空调控制系统的硬件选型
为了能够满足复杂多变的应用场合，本文设计中选用的是通用性好的模块化通用型 PLC—S7-300 系列，其能够在一个系统中扩展 32 个不同的应用模块。在 SIMATIC 控制器销售中 S7-300 是销量最多的产品，并且被广泛应用于各个领域的自动化方向。S7-300 的主要组成部分有导轨（RACK）、电源模块（PS）、中央处理单元模块（CPU）、信号模块（SM）和功能模块（FM）等。用户可以根据应用系统的具体情况选择适合的模块，由于导轨上的槽位没有限制，SM 模块和 FM 模块可以随意插放，系统自行组态，维护也非常方便[22]。
贮叶房空调 PLC 控制系统的组成，如表 2-5 所示。PLC 通过温湿度传感器采集现场空气参数；通过 RS-485 串口通讯与 MP377(HMI)连接，实现系统的现场监控功能。可见，整个空调系统的数据采集、数据分析以及控制等功能仅由一台西门子 S7-300PLC 即可完成。S7-300 系列 PLC 采用模块化设计，为满足控制任务增加的要求，可以对各个模块进行扩展和组合。它的核心是 CPU模块，通过总线扩展输入/输出模块、通信模块等其他模块组成系统[23,24]。
……………
第 3 章 贮叶房烟叶温度场建模.............................19
3.1 温度场理论............................. 19
3.1.1 温度场的基本概念....................... 19
3.1.2 烟叶温度场的控制方程和边界条件.................. 20
3.2 温度场的有限差分数值计算................. 21
第 4 章 贮叶房空调系统仿真模型..................29
4.1 贮叶房空调控制系统的数学模型.................... 29
4.2 贮叶房空调控制系统的仿真模型......................... 35
第 5 章 贮叶房空调控制系统控制器设计..................41
5.1 模糊控制器的组成........................ 41
5.2 模糊 PID 控制器设计 ........................ 42
第5章 贮叶房空调控制系统控制器设计
5.1 模糊控制器的组成
模糊控制的关键部分就是模糊控制器。设计模糊控制器时，要用到模糊集合、模糊关系以及模糊推理等，就是要把人的经验知识，人脑的推理方法转变成计算机能识别的模型，让计算机模仿人的思考来对系统进行控制。模糊控制器不需要知道被控对象的数学模型。模糊控制是根据人的经验知识进行模仿，实际上它是非线性控制的一部分。所以模糊控制对于非线性的、不确定模型的系统有很好的控制效果。如果一个系统无法针对被控对象建立比较准确的数学模型，那么控制效果就会不够理想。模糊控制在很多无法应用传统控制理念的系统中显得尤为重要，其系统组成如图 5-1 所示[38-40]。
5.2 模糊 PID 控制器设计
通过第一章 1.2.2 小节的介绍，我们知道 PID 控制对系统的动、静态特性有很好的控制效果。再将模糊理论应用其中后对调节时间和超调量都会有较大程度的改进，两者互相配合能根据系统的变化自动调节 PID 的参数，使这两个控制方法的优点都能很好的体现，两者结合形成的模糊 PID 控制器就能很好的实现对复杂系统的控制。综上分析，为了使贮叶房空调控制系统能够发挥其应有作用，在本文中对模糊 PID 控制器进行设计[41-43]。
…………
结论
本文以实际工程项目为背景，完成了烟草贮叶房空调控制系统的结构设计、控制系统建模等工作，并基于堆积体热传导理论重点研究了在有机质堆积自发热情况下的热耗散模型问题，设计了实用的温湿度控制器。本文的研究内容及结论不仅对烟草行业叶房、丝房的结构设计、控制系统设计具有实用价值，而且对相关的粮食、煤炭、食料仓储等行业具有借鉴指导意义。论文的主要工作及结论如下：
1. 根据贮房空调系统的控制要求，结合系统信号数量的实际情况，在充分考虑系统可靠性的基础上兼顾经济性、实用性，完成了基于 PLC 的贮叶房空调控制系统的结构设计方案， 进行了 PLC 系统硬件模块的选型配置，优化设计了电气拖动系统，完成了整个控制系统的硬件配置，该设计能很好的实现对贮叶房温湿度的监测及控制。
本文编号：8421
1.1 研究背景及意义
烟叶是卷烟工业的物质基础，优质安全的烟草原料是满足卷烟工业需求、促进烟草行业发展的前提。随着社会生活水平的提高，对卷烟质量档次的要求也不断提高，为了保证卷烟质量的稳定性，必须做好烟叶原料数量和质量的保障工作。贮存是烟草加工过程中提高品质的一个重要环节，是卷烟生产工艺流程中的关键环节之一。贮叶工序的主要目是一方面通过对烟叶原料混配的存储，使添加在烟草中的水分、料液、香料以及其他物料相互混配均匀且被烟片充分吸收；另一方面也起到调节和平衡制丝生产能力及生产时间的作用。烟叶在贮存过程中，需要为其贮存环境提供适宜的温湿度条件，并且为了提高叶料混配的质量还应适当延长贮叶时间。经过贮存过程的烟叶品质明显改善、烟香增加、刺激性降低，其内在化学成分趋于协调，感官质量得到提高，能够满足卷烟配方的需求。近几年，对烟草的需求越来越多，促使烟草行业发展的速度逐渐加快，对烟叶贮存的规模和数量的要求也越来越大，实现烟叶的安全存储就成为亟待解决的问题。如果没有较好的烟叶贮存养护技术，没有对烟叶贮存进行科学的管理，就会在烟叶贮存过程中造成较高的损耗率，并且难以保证烟叶的质量。
1.2 烟叶贮房控制技术的应用现状
机理分析法指的是人们根据被控对象的特征，确定系统内部的机理类型，准确表达出变量的因果关系，再对一些不确定因素进行简化，选择恰当的数学方法得到描述被控对象特征的数学模型。人工神经网络建模法是新型建模方法中应用比较多的建模方法，它根据被控对象的输入、输出关系，不间断的调整网络的阈值和权值，来推导从输入到输出的映射关系，进行模型建立时不需要具体的函数表达式，也不需要对方程进行求解，就能推导出输入输出变量的函数表达式。
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第2章 贮叶房空调控制系统结构设计
2.1 贮叶房空调系统
贮叶房空调系统主要由风机、空气处理设备、风阀及风道、新风口和排风口构成。由于外界空气中含有灰尘颗粒，最初室外新风必须经过过滤装置的初次过滤，新风经过风阀进入组合式空调机组，再与贮叶房内的回风进行充分混合，经过混合后的空气再通过初效过滤、中效过滤、高效过滤以及加湿、冷热交换后，满足生产要求的空气则由送风机沿通风管道送至贮叶房。而改变空气温湿度的方法是在空气调节机构中利用空气—水换热的方式进行的[15-17]。
2.2 贮叶房空调控制系统的硬件选型
为了能够满足复杂多变的应用场合，本文设计中选用的是通用性好的模块化通用型 PLC—S7-300 系列，其能够在一个系统中扩展 32 个不同的应用模块。在 SIMATIC 控制器销售中 S7-300 是销量最多的产品，并且被广泛应用于各个领域的自动化方向。S7-300 的主要组成部分有导轨（RACK）、电源模块（PS）、中央处理单元模块（CPU）、信号模块（SM）和功能模块（FM）等。用户可以根据应用系统的具体情况选择适合的模块，由于导轨上的槽位没有限制，SM 模块和 FM 模块可以随意插放，系统自行组态，维护也非常方便[22]。
贮叶房空调 PLC 控制系统的组成，如表 2-5 所示。PLC 通过温湿度传感器采集现场空气参数；通过 RS-485 串口通讯与 MP377(HMI)连接，实现系统的现场监控功能。可见，整个空调系统的数据采集、数据分析以及控制等功能仅由一台西门子 S7-300PLC 即可完成。S7-300 系列 PLC 采用模块化设计，为满足控制任务增加的要求，可以对各个模块进行扩展和组合。它的核心是 CPU模块，通过总线扩展输入/输出模块、通信模块等其他模块组成系统[23,24]。
……………
第 3 章 贮叶房烟叶温度场建模.............................19
3.1 温度场理论............................. 19
3.1.1 温度场的基本概念....................... 19
3.1.2 烟叶温度场的控制方程和边界条件.................. 20
3.2 温度场的有限差分数值计算................. 21
第 4 章 贮叶房空调系统仿真模型..................29
4.1 贮叶房空调控制系统的数学模型.................... 29
4.2 贮叶房空调控制系统的仿真模型......................... 35
第 5 章 贮叶房空调控制系统控制器设计..................41
5.1 模糊控制器的组成........................ 41
5.2 模糊 PID 控制器设计 ........................ 42
第5章 贮叶房空调控制系统控制器设计
5.1 模糊控制器的组成
模糊控制的关键部分就是模糊控制器。设计模糊控制器时，要用到模糊集合、模糊关系以及模糊推理等，就是要把人的经验知识，人脑的推理方法转变成计算机能识别的模型，让计算机模仿人的思考来对系统进行控制。模糊控制器不需要知道被控对象的数学模型。模糊控制是根据人的经验知识进行模仿，实际上它是非线性控制的一部分。所以模糊控制对于非线性的、不确定模型的系统有很好的控制效果。如果一个系统无法针对被控对象建立比较准确的数学模型，那么控制效果就会不够理想。模糊控制在很多无法应用传统控制理念的系统中显得尤为重要，其系统组成如图 5-1 所示[38-40]。
5.2 模糊 PID 控制器设计
通过第一章 1.2.2 小节的介绍，我们知道 PID 控制对系统的动、静态特性有很好的控制效果。再将模糊理论应用其中后对调节时间和超调量都会有较大程度的改进，两者互相配合能根据系统的变化自动调节 PID 的参数，使这两个控制方法的优点都能很好的体现，两者结合形成的模糊 PID 控制器就能很好的实现对复杂系统的控制。综上分析，为了使贮叶房空调控制系统能够发挥其应有作用，在本文中对模糊 PID 控制器进行设计[41-43]。
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结论
本文以实际工程项目为背景，完成了烟草贮叶房空调控制系统的结构设计、控制系统建模等工作，并基于堆积体热传导理论重点研究了在有机质堆积自发热情况下的热耗散模型问题，设计了实用的温湿度控制器。本文的研究内容及结论不仅对烟草行业叶房、丝房的结构设计、控制系统设计具有实用价值，而且对相关的粮食、煤炭、食料仓储等行业具有借鉴指导意义。论文的主要工作及结论如下：
1. 根据贮房空调系统的控制要求，结合系统信号数量的实际情况，在充分考虑系统可靠性的基础上兼顾经济性、实用性，完成了基于 PLC 的贮叶房空调控制系统的结构设计方案， 进行了 PLC 系统硬件模块的选型配置，优化设计了电气拖动系统，完成了整个控制系统的硬件配置，该设计能很好的实现对贮叶房温湿度的监测及控制。
2. 在烟叶传热特点的基础上，通过对温度场数值模拟方法的比较分析，选用有限差分法进行烟叶温度场的数值模拟计算，通过模拟曲线与实测曲线的对比可以看出，该方法能快速准确的计算出温度场的分布情况。针对贮叶房空调系统整体不能直接建立准确的数学模型的特点，采用能量守恒定理和质量守恒定理建立空调系统各部分的数学模型，并分别建立其仿真模型，再将各部分仿真模型按输入输出关系连接构成整个贮叶房空调系统的仿真模型。
……………
参考文献（略）
本文编号：8421
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/8421.html
