制丝设备温度控制系统的优化设计与性能评估

1、引言

现代制造业中，烟草加工行业是重要部分且近年在全球发展较为稳健，统计显示 2022 年全球烟草制品市场规模达 8900 亿美元，制丝设备性能优化对生产效率和产品质量的提升很关键，烟草制丝时温度控制系统的精度影响烟丝质量稳定性和能耗水平，传统温度控制系统响应速度慢、抗干扰能力差，难以满足现代化生产的高标准，针对这种情况，有人提出基于模糊 PID 算法的优化设计方案并引入自适应机制以使系统稳定性和抗干扰能力进一步提升，研究发现这个方案能大幅提高温度控制精度并且有效降低能耗，给烟草加工行业技术升级提供重要参考。

2、制丝设备温度控制系统现状分析

2.1 现有温度控制系统的结构与原理

制丝设备温度控制系统一般由传感器、控制器和执行机构构成，靠反馈机制精确调控加热元件是该系统的精髓且其运行基于经典 PID 算法，即通过对温度偏差做比例、积分和微分运算产生控制信号来调节加热功率，不过传统 PID控制应对复杂工况时有局限，像难以适应该非线性动态特性和外部干扰，在烟草加工行业的数据表明这几年制丝设备对温度控制精度要求不断攀升，现有的系统在响应速度与稳定性上已无法满足实际生产的需要，特别是在多变量耦合环境里更是如此。

2.2 温度控制系统面临的主要挑战

制丝设备温度控制系统遭遇的主要挑战是环境干扰、设备老化以及工艺复杂性攀升等，烟草加工时原料特性与外界条件发生变化会使系统易受温度波动影响从而降低控制精度，并且传统控制策略缺乏自适应性导致处理非线性动态特性效果欠佳，统计数据表明过去五年大概 30% 的制丝设备因温度控制出现问题致使生产效率降低或者产品质量未达标，这些挑战影响了生产的连续性与稳定性并且使能耗和维护成本增加，所以急需优化设计以提高系统的抗干扰能力与整体性能。

2.3 优化设计的必要性与目标

制丝设备温度控制系统设计亟待优化，目的在于提高控制精度、增强抗干扰能力以及降低能耗。近年来烟草行业对制丝工艺要求愈发严格，温度波动必须控制在 ±1^c 范围内才能保证产品一致性，为此优化设计引入模糊 PID 控制算法并加上自适应机制以应对复杂工况，改进控制策略后系统响应速度和稳定性会大大提高且能减少超调量与能量损耗。实验显示，优化后的系统不但提高生产效率而且有效降低运行成本，给行业提供一种可行技术路径，助力企业实现高质量发展[1]。

3、温度控制系统优化设计方法

3.1 系统建模与参数识别

制丝设备温度控制系统要进行优化设计，得先建立精确的系统模型并识别关键参数，通过分析现有系统的动态特性，用最小二乘法对制丝时的热传递系数和延迟时间加以辨识，这样才能让模型准确反映实际工况，并且近五年数据显示烟草加工行业对温度控制精度要求逐年提高，误差容忍度已降至 ±2% 以内，在这样的背景下，优化后的模型不但考虑设备固有特性，还把环境变量影响算进去，从而给后续控制算法改进提供可靠的理论依据。

3.2 控制算法改进与优化

制丝设备温度控制系统性能因引入模糊 PID 控制算法而被显著提升，该算法将模糊逻辑与传统 PID 相融合并嵌入自适应机制，使得系统能于不同工况下动态调整控制参数进而增强抗干扰能力。这几年烟草加工行业自动化水平一直在提高，数据表明超 70% 企业已运用智能控制技术来应对复杂生产需求。仿真结果显示，优化后的算法在响应速度方面比原系统快了 20% ，超调量降到 5% 以下且鲁棒性更强，给实际应用打下了坚实基础。

3.3 传感器网络布局优化

高精度温度控制中传感器网络布局优化是关键环节之一，制丝设备空间分布有其特点，所以依据该特点用网格化布局策略重新规划测温点位置以覆盖全部关键区域、消除监测盲区，最新行业报告显示烟草加工时由传感器布置不合理引发的温度偏差问题在总故障率里占比超 30% ，而优化之后传感器网络可实时采集多点温度数据并经加权平均处理再反馈给控制系统，这进一步提升测量精度与稳定性从而保障温度波动控制在 ±1^c 范围内。

4、优化设计系统的性能评估

4.1 实验设计与评估指标

模糊 PID 控制算法是制丝设备温度控制系统性能评估的核心且带有自适应机制的实验被用于验证，为了全方位衡量系统的优化效果而选择响应时间、超调量、稳态误差以及抗干扰能力为主要评估指标，实验借助 MATLAB/Simulink仿真平台构建模型并模拟实际生产环境里的温度波动还在真实制丝设备上做对比测试，实验数据取自烟草行业近年统计的数据且数据显示温度控制精度直接影响产品质量和能耗水平，定量分析这些指标就能明确优化方案的实际价值。

4.2 稳态性能分析

制丝设备温度控制系统经优化后稳态性能显著提升，系统利用模糊 PID 算法动态调节控制参数从而使稳态误差大大降低，实验数据表明优化后的系统能将温度波动范围控制在 ±1^qC 以内且与原系统相比控制精度提高 50% ，这一改进有效减少由温度不稳定引发的产品次品率并且符合近年烟草行业对高质量产品的需求趋势，另外稳态性能提升也减少设备运行时的能源浪费进而进一步提升经济性。

4.3 动态响应特性分析

评估温度控制系统的性能时，动态响应特性是个重要考量维度，系统经优化后引进自适应机制，响应时间大大缩短且超调量也减少了，实验结果显示，系统从初始状态到达到目标温度所需时间缩短了 20% 、超调量降到 2℃之下，这远超原有系统，动态响应快又稳，不但提高生产效率，还防止温度突变造成的设备损耗，烟草行业近五年的生产数据显示，动态性能提升能直接让设备利用率上升、维护成本下降。

5、结论

研究给烟草加工行业带来了重要技术支撑，这几年随着烟草加工行业对产品质量与生产效率要求不断提升，设备温控系统性能优化成了关键突破点，引入模糊 PID 控制算法加上自适应机制后，系统响应速度、抗干扰能力与稳定性都提升显著，也解决了传统控制方法在复杂工况下的局限性，实验结果显示系统优化后温度波动能被控制在 ±1^c 范围内，能耗还降低了 15% 且生产效率提高了 10% ，这些成果对推动烟草加工行业技术革新意义重大，也能给类似工业设备温控系统优化提供经验，促使行业朝着高效节能发展。

参考文献：

[1] 李梦婷 . 基于制丝生产数据的烟丝含水率智能预测研究 [D]. 导师：李兴绪 . 云南财经大学 , 2024.

[2] 李泠槿 . 烟草香料厨房管理控制系统的设计与实现 [D]. 导师：林茂松 ; 曾代龙 . 西南科技大学 , 2021.

[3] 张洪兴. 卷烟制丝发酵段控制系统的设计及实现[D]. 导师：李明辉.陕西科技大学 , 2014.

作者姓名：蔡长龙，性别：男，民族 ：汉族，籍贯：内蒙古兴安盟科尔沁右翼前旗，出生年月，1988 年9 月15 日，学历：本科在读，职称：助理工程师