任洪波，唐世祥，徐鸿飞，普恩平，刘子仪，李宝乐，王春林（.中国船舶重工集团公司七五〇试验场，云南省昆明市 65005；.云南省烟草公司烟草处，云南省昆明市 6500；.云南省烟草公司红河州公司，云南省红河州 6500；.云南省烟草公司普洱市公司，云南省普洱市 665000）

烟叶模拟烘烤机的温湿度控制

任洪波1，唐世祥1，徐鸿飞2，普恩平3，刘子仪4，李宝乐4，王春林1
（1.中国船舶重工集团公司七五〇试验场，云南省昆明市 650051；2.云南省烟草公司烟草处，云南省昆明市 650011；3.云南省烟草公司红河州公司，云南省红河州 654400；4.云南省烟草公司普洱市公司，云南省普洱市 665000）

为了提高烤烟的质量，改善生产设备，针对试验区新型烟叶烘烤特性的不确定性，用电热管加热的方式研制了烟叶模拟烘烤机。这种设备热效率高，操作方便。本文主要论述的是一种烟叶模拟烘烤机的温湿度控制方法。烟叶模拟烘烤机采用三组电热管加热方式进行加热，通过对烟叶模拟烘烤机建立模糊控制算法，并根据模糊控制的输出量对温湿度控制执行机构的组合进行了调节，很好地解决了烟叶烘烤温湿度控制中所具有的模型不确定性、非线性和滞后性等特点。在实际应用中取得了良好的控制效果，对试验区的烤烟试验有很重要的意义。

控制理论与控制工程；电热管加热；烟叶模拟烘烤机；模糊控制。

本文引用格式：任洪波，唐世祥，徐鸿飞，等.烟叶模拟烘烤机的温湿度控制［J］.新型工业化，2016，6（7）：51-55.

0　引言

烟叶模拟烘烤机又被称为试验烘烤机，是一种以模拟实际密集烤房的烘烤全过程的小型一体化的设备，可用于进行烟叶烘烤工艺研究或验证以及烘烤实操培训等，具有装烟少、试验验证经济损失小和温湿度控制精度高等特点。

烟叶模拟烘烤机主要由装烟室、加热室、进风口、回风口、排湿进风门和排湿窗等构成，加热室里设置了三组功率不同的电热管，通过循环风机将电热管产生的热能通过进风口将热风送入装烟室中，构成了一个热风循环系统。在长达170小时左右的烟叶烘烤过程中，烟叶逐渐通过物理与化学的方式脱水并烘烤干，是一个时变的过程。控制目标为装烟室里的干、湿球温度，而控制设备为电加热管和排湿风门，很难建立一个标准的模型［1］。同时加热与排湿两者之间相互交叉耦合，使得常规的控制方法难以达到理想的控制效果，导致最优控制、自适应控制和预测控制无法在实际中得到应用。PID控制和模糊控制可以不依据系统模型进行控制，而模糊控制能够很好地处理烤烟过程中具有的滞后性、惯性和耦合性［2-5］。本文中将采用模糊控制技术实现烟叶模拟烘烤机的温湿度控制。

1　烟叶模拟烘烤机的温湿度模糊控制

烟叶模拟烘烤机中需要对温度和湿度两个变量来进行控制，两者之间并不是相互独立，比如温度升高的同时，湿度会增大；湿度增大的时候，温度会下降等等，对温湿度中某一目标的控制，总会影响到另一个因子的变化。另一方面，执行机构的动作也不仅仅影响某一因子，比如风机的动作会同时影响温度和湿度的变化［6］［7］。总之，装烟室内温度和湿度这两个参数存在较强的耦合性，温度和湿度的变化会相互影响，对其实现精确控制有一定难度的，需要系统多方面的有机配合。由于温度变量对湿度变量的影响较大，而湿度对温度的影响较小，且湿度变化比温度变化慢得多，完全可以通过补偿进行耦合。因此，我们可以设计出烟叶模拟烘烤机温湿度模糊控制框图如图1所示。

图1　烟叶模拟烘烤机温湿度模糊控制框图Fig.1　Schematic diagram of fuzzy controller for the tobacco baking machine

在烟叶模拟烘烤机温湿度控制系统中，模糊控制器选用温度的偏差E1及温度偏差变化率Ec1和湿度的误差E2及其变化率Ec2作为输入量，以加热装置（三组功率不同的电热管、风机）和排湿装置（排风口和百叶窗）的控制量作为输出量。下面对模糊控制表的设计进行说明［8］。

1.1模糊化处理

这里由于温度和湿度的模糊集合情况一致，在求取模糊控制表的过程中，取E和Ec来代表温湿度的偏差和偏差变化率，U代表模糊控制器的输出量。在该模糊控制器的输入输出论域上，根据实际情况设计输入和输出论域为七个基本模糊子集：｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝；即E、Ec和U的论域上的基本模糊子集使用符号表示为｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝。E 和Ec的量化的论域均取为［-6，-5，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6］，U的量化论域为［-7，-6，-5，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7］。用Matlab建立偏差和偏差变化率的模糊集合，如图2、3所示。

图2　模糊变量E和Ec的隶属函数曲线Fig.2　The membership function of E and Ec

图3　模糊变量U的隶属函数曲线Fig.3　The membership function of U

1.2模糊规则的建立

表1　模糊控制规则表Tab.1　The table of fuzzy control rule

选取控制量的原则是，当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主；而当误差较小时，选择控制量要以防止超调，保证系统的稳定性为主。总结的模糊控制规则表列于表1。

1.3模糊控制表的推导

我们事先用计算机离线计算求出模糊控制表，将它加入到控制程序中。在实际应用中，烟叶模拟烘烤机的控制器将输入变量E和Ec进行模糊化处理，然后可直接查表获得输出量U，这样大大简化了烤烟控制系统的结构，提高了效率。

下面是用MATLAB语言编写计算出的模糊控制表［9］［10］。这里采用的解模糊方法是重心法。

表2　模拟烟叶烘烤机的温湿度模糊控制表Tab.2　The table of fuzzy control rule for the tobacco baking machine

由于温湿度之间存在着耦合现象，这里引入参数β1实现湿度控制模糊解耦后的输出Uh为：

Uh=（1-β1）U1+β1U2

式中，β1的取值在0～1之间。如果β1取0，则表示的是温度和湿度是两个单独的回路控制。β1的值需要通过试验来确定。试验方法是在烟叶模拟烘烤机工作过程中从0开始逐渐增大β1的值，记录并比较温湿度的值。取烘烤机内温湿度变化最小的情况下的β1的值作为耦合的参数。

1.4烟叶模拟烘烤机的执行机构

根据输入模糊量，可以得到一个输出的模糊量，经过解模糊判决转换成一个可以执行的精确量。烟叶模拟烘烤机的执行机构有四个，分别是电加热装置、循环风机、进风口、百叶窗。这里加热装置由3组功率不同的电热管组成。电热管不同组合下对装烟室温度的影响如表3所示（表中↑表示增加，↓表示减小，箭头的数量表示的是增加或减小的程度）。循环风机可以分为高速、低速和停止三种档位。排风口可以分为不打开、打开一半、完全打开。烟叶模拟烘烤机中各执行机构的运行对温湿度的影响如表4所示（在表中将电加热装置、循环风机和排风口简化为开关量，其中1表示打开，0表示关闭）。

表3　不同电热管组合对温度的影响Tab.3　The influence of different electric heating tube for temperature

根据之前模糊控制给出的结果，选择合适的执行机构组合，即可对当前烤烟机内温湿度进行控制。

表4　烟叶模拟烘烤机中执行机构组合方案Tab.4　The different control combination scheme of the tobacco baking machine

2　应用结果及结论

实际烘烤过程中的干湿温数据见表5。

从表中可以看出，控制精度符合按国家烤房技术规范的控制精度要求：干温±1℃湿温±0.5℃，系统总体稳态性能良好。说明模糊控制能满足烟叶模拟烘烤机的温湿度控制要求。

表5　设定干湿温与实测干湿温数据表Tab.5　The table of set value and actual value

3　结束语

本文给出了烟叶模拟烘烤机的一种控制方法。通过建立模糊控制算法，实现了烟叶模拟烘烤机温湿度的精确控制。经在云南省红河州、普洱市等烤烟主产烟区实际应用证明，算法对烤房温度湿度的控制精度表现良好，响应速度快且稳定性高，能够全面提供烟叶烘烤工艺研究探索和验证研究实操培训等功能，具有十分广阔的应用前景。

［1］国家烟草专卖局关于印发密集烤房技术规范（试行）修订版的通知.［国烟办综（2009）418号］.The technical specification of tobacco baking room by China Tobacco Monopoly Bureau［（2009）418］.

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［1］期刊：作者.题名［J］.期刊名，出版年，卷（期）：起始页-终止页.

［2］专著、译著：著者.书名［M］.第几版.出版地：出版社，出版年.起始页-终止页.

［3］专著中析出文献：作者.题名［A］.见：原文献责任人.书名［M］.出版地：出版社，出版年.起始页-终止页.

［4］学位论文：著者.题名［D］.出版地：出版者，出版年.起始页-终止页.

［5］专利文献：专利所有者.专利题名［P］.专利国别：专利号，出版日期.

［6］软件：著者.软件名［CP］，版本.出版地：出版者，出版年.

［7］会议论文：析出责任者.析出题名［C］//会议录责任者.会议录题名.出版地：出版者，出版年：页码.

［8］报告：著者.题名［R］.出版地：出版者，出版年.

［9］标准：标准编号，标准名称［S］.

［10］电子文献：主要责任者.电子文献题名［电子文献及载体类型标识］.电子文献的出处或可获得地址，发表或更新日期.

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The Temperature-Humidity Control of Tobacco Baking Machine

RENG Hong-bo1，TANG Shi-xiang1，XU Hong-fei2，PU En-ping3，LIU Zi-yi4，LI Bao-le4，WANG Chun-lin1
（1.China Ship Heavy Industry Group Company（CSIC）750 Test Range，Kun Ming 650051，China；2.YunNan Tobacco Company，Kun Ming 650011，China；3.YunNan Tobacco Company in HongHe，HongHe 665000，China；4.YunNan Tobacco Company in PuEr，PuEr 652399，China）

The quality of tobacco，the production equipment of tobacco baking machine and the new tobacco baking characteristics are diffcult problems in the production of tobacco baking machine.This tobacco baking machine uses three different electric hearting tubes to improve the tobacco baking machine.This machine has high thermal effciency and it is easy to operate.This paper discusses the temperature-humidity control of tobacco baking machine and uses fuzzy control to solve the temperature-humidity control，s problem of tobacco baking machine.This method has a good control effect in the fact tobacco baking production.This device has a guiding signifcance for baking tobacco production.

Control theory and control engineering；Electric hearting tubes；Tobacco baking machine；Fuzzy Control

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.07.009

RENG Hong-bo，TANG Shi-xiang，XU Hong-fei，et al.The Temperature-Humidity Control of Tobacco Baking Machine［J］.The Journal of New Industrialization，2016，6（7）：51-55.

任洪波，男，工程硕士，主要从事测控技术研究；唐世祥，男，工程硕士，主要从事控制技术研究；徐鸿飞，男，农艺师；普恩平，男，农艺师；刘子仪，男，农艺师；李宝乐，男，助理农艺师；王春林，男，高级工程师，主要从事信息及自动化应用技术研究