基于粒子群算法的烟草卷接机控制系统设计与优化_鄢红章.pdf

第 卷第期 年月 收稿日期：作者简介：鄢红章（），男，湖北襄阳人，学士，工程师，研究方向为卷烟工艺与机械装备；张艮水（），男，湖北襄阳人，学士，工程师，研究方向为卷烟工艺与机械装备。基于粒子群算法的烟草卷接机控制系统设计与优化鄢红章，张艮水，兰志超，郭子国，胡祥胜，李诚，梁静（湖北中烟工业有限责任公司，湖北 武汉 ）摘要：针对烟草卷接机，基于微波检测质量技术，引入粒子群算法，提出了一种重量控制方法实现对平准电机的稳定控制。所设计的基于粒子群算法的烟草卷接机控制系统，以烟草卷接机为主体配合扫描装置、重量控制装置等组件实现烟支生产功能，具有良好的控制精度。最后通过针对性的案例分析，对比卷接机烟支重量自动控制系统优化前后的控制效果，进一步验证所设计系统的可靠性及可行性。关键词：卷接机；粒子群算法；烟草设备；控制系统中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；引言我国烟草行业经过多年发展，卷烟产品质量得到一定程度的提高。随着行业大环境的变化以及卷烟生产行业的结构升级，卷烟生产企业间的竞争程度呈逐年升高趋势，部分企业针对产品实施差异化、特色化营销以及装备升级改进。技术与设备作为一个企业发展的原动力，烟草设备研发成为企业盈利与发展的关键。烟草卷接机对于卷烟生产有着关键作用，经过我国烟草行业人员的不断研发，我国自主生产的烟草卷接机质量有了长足进步。但作为一种多组件构成的复杂机械，常受多种因素影响，导致设备出现故障的原因较多，而我国烟草卷接机在运行稳定性、自动化程度等方面与国际先进企业仍存在一定差距，使得最终生产的卷烟产品质量出现问题。针对现有传统烟支卷接机控制系统抗干扰能力较差、运行稳定性不好以及自动化程度不高的问题，引入启发式算法中的粒子群算法，设计了一种基于粒子群算法的烟草卷接机控制系统。（）卷接机烟支重量控制系统组成烟草卷接机烟支重量控制系统以烟草卷接机为主体，并配有扫描装置、重量控制装置等多个组件以实现烟支生产功能。扫描装置安装于烟条通道上方位置，烟条在其中自由通过。扫描装置基于微波检测质量检测原理，内置有微波传感器，当烟条通过此装置时，装置内的微 波 传 感 器 进 行 检 测，产 生 烟 支 重 量 检 测信号。重量控制装置是整个控制系统的核心组件，基于从扫描装置所获得的烟支实时重量信号，与生产要求的理想重量信号作比较，得到系统当前状态下产品的重量误差，进而基于误差信号使用粒子群算法得到后方平准电机所需的控制信号。削减圆盘部分是直接进行烟支裁削的执行机构，由平准电机进行带动，当产品质量高于设定重量时，平准电机带动削减圆盘升高，进而减少输送烟丝数量。反之当产品质量低于设定重量时，平准电机使得削减圆盘降低，进而增加输送烟丝数量。传动机构由皮带、齿轮和电机等组成，能够完成烟条输送以及动力传输的作用。卷烟机重量控制系统结构如图所示。图卷烟机重量控制系统结构粒子群算法 粒子群优化算法原理粒子群算法（）是一种启发式的群体进化优化算法。其在寻优问题的基础上结合了生物科学和演化计算理论，将待解决的问题看作限定空间中的一个飞鸟，简化理解为一个“粒子”，通过粒子群对最优位置的搜索来代替寻优问题。粒子群算法迭代计算 算法将待解决的问题视为一个数学问题，针对提取后的问题寻找其潜在的最优解。因此，需要针对研究问题事先确定一个适应度函数，用来判定每个解的优劣程度。在优化过程中，每个粒子在算法规定的范围内运动，粒子的初代位置通过算法初始化定义，其下一时刻的位置再由运动速度和迭代时间计算得出。其速度迭代公式为 （）（）（）对于种群中某个粒子，为此粒子当前的速度；为粒子的惯性权重，代表迭代过程中粒子速度的继承能力；为当前粒子迭代后找到的空间内最优的位置，通过适应度对其优劣进行判定；为种群所有粒子迭代后本身找到的空间内最优的位置，通过 适 应 度 对 其 优 劣 进 行 判 定；和为 学 习因子。（）为当前粒子在限定空间内的位置。基于粒子群算法的重量控制器设计 确定目标函数基于粒子群算法的重量控制器的输入信号来扫描装置对于烟支实时检测的重量信号，将之与设定的烟支理想质量对比求取差值，得到控制器输出。控制器输出则作为电机的控制量，对于平准电机系统使用常见的闭环控制，调节时间与超调量是评价电机控制效果的关键参数，反映了控制系统的稳定性、快速性以及抗干扰性能。使用调节时 间 与 超 调 量作为适应度函数 设 计 依据，该函数能较好地评价控制系统的优劣，评价函数为 （）（）（）以及分别为理想的调节时间与超调量，两者取值越小适应度函数的评价效果越准确，但同时对于系统的性能要求也越苛刻。本文根据常见的卷烟机控制系统对比后，对于理想的调节时间与超调量分别取值为 、。使用 算法确定控制器参数确定适应度函数后，使用 算法设计重量控制装置，该控制器进行平准电机控制量的优化过程主要历经以下个步骤。其流程如图所示。输入烟草卷接机控制器所需的原始数据，包括理想烟支的质量、平准电机转速以及扫描装置检测烟草产品质量等。确定目标函数，对原始数据进行数据预处理后，使用计算后的 参数作为算法的目标函数。进行算法初始化，设定粒子群算法的惯性权谢崇权等：基于粒子群算法的烟草卷接机控制系统设计与优化自动控制与检测重、种群大小、初始位置、迭代步长以及迭代次数等。使用适应度函数计算单个粒子的适应度值。迭代更新粒子群体的位置和速度。计算最优粒子个体的适应度函数值，并与输出条件进行比较判断。若达到输出条件，则保存最优解，停止迭代；反之则转到步骤，重新进行算法迭代。图基于粒子群算法的卷烟机控制系统流程案例分析 数据来源为验证本文方法的有效性，对比卷接机烟支重量自动控制系统优化前后的控制效果，经过仿真以及多次测试提取优化前后卷接机烟支重量控制系统的产品质量、平准电机控制效果等数据，并将无效数据剔除进行数据分析预处理。算法应用针对给定案例进行仿真实验分析，使用粒子群算法计算得出平准电机控制量，在算法不同迭代次数下针对平准电机计算其适应度，使用 搭建仿真实验平台，进行算法验证。通过仿真得到粒子群算法适应度函数变化曲线，如图所示。图基于粒子群算法迭代过程适应度函数变化曲线在生产条件相同的情况下，使用控制系统优化前后卷烟机生产同种烟支，对烟支产品进行抽样检测，得到控制系统改造前后产品参数对比如表所示。表控制系统改造前后产品参数 产品质量均值质量方差质量标准差理想产品 控制系统改造前 控制系统改造后 结合表分析可知，控制系统改造前烟支产品的质量与理想产品差别较大，且产品质量的方差较大，进行控制系统优化改造后烟支产品质量均值接近产品理想质量，且产品质量的标准差明显减小。结束语本文设计了一种以烟草卷接机为主体，并配有扫描装置、重量控制装置等组件的烟草卷接机烟支重量控制系统。并结合粒子群算法，提出针对性的适应度函数，设计重量控制装置完成对于平准电机的有效控制。最后通过案例分析，对比卷接机烟支重量自动控制系统改造前后生产烟支的产品重量数据，进一步验证本文系统的有效性，结果表明，改造后的控制系统对于卷烟操作时有更好的稳定性。参考文献：李二超，高振磊 改进粒子速度和位置更新公式的粒子群优化算法南京师大学报（自然科学版），（）：袁秀秀，刘亚丽，贾楠基于烟草行业的科技查新项目数据统计分析湖南文理学院学报，（）：吕柏行，郭志光，赵韦皓，等标准粒子群算法的优化方式综述科学技术创新，（）：杨博雯粒子群优化算法的惯性权重研究锦州：渤海大学，冯茜，李擎，全威，等多目标粒子群优化算法研究综述工程科学学报，（）：杜昱忻 智能控制技术在烟草设备中的应用研究河北农机，（）：蒋健烟草设备电气控制的常见问题及对策分析自动化应用，（）：李明标准粒子群算法的收敛性分析及改进研究锦州：渤海大学，方英武，王轶，赵海燕，等基于粒子群优化的 自适应温度 控 制 算 法 计 算 机 与 数 字 工 程，（）：，赵乃刚，邓景顺 粒子群优化算法综述 科技创新导报，（）：买地那依库尔班简述烟草设备电气控制常见问题与对策 电子制作，（）：杨旭，韩忠华一种用于细支烟卷烟机的重量控制系统 电脑知识与技术，（）：