电加热新型卷烟烟具温度对象分析

徐宏 陈焰 汤建国 郑绪东

摘要电加热新型卷烟有降焦减害作用，其中加热温控系统为电加热新型卷烟烟具的核心。烟具主要存在起烟速度慢、发烟性能差等缺陷。采用阶跃响应法对烟具温度对象温度阶跃响应信号进行辨识，得烟具加热温度对象为一阶惯性纯滞后系统，并对烟具加热温度对象控制算法进行优化改进与仿真。仿真结果表明：改进的烟具温度对象加热延时时间缩短38.1%，温度上升时间缩短29.8%，调节时间缩短24.8%。研究可加快烟具起烟速度，提高发烟性能，降低系统的功耗，延长电池寿命，为烟具电路改进、开发提供理论指导。

关键词新型卷烟；电加热；烟具；温度对象；阶跃响应；惯性；纯滞后

中图分类号TS43文献标识码

A文章编号0517-6611（2017）08-0215-02

Analysis on the Temperature Object of Electricheating Cigarette Heater

XU Hong1，CHEN Yan1*，TANG Jianguo2* et al（1.Kunming University of Science & Technology，Kunming，Yunnan 650504；2.China Tobacco Yunnan Industrial Co.，Ltd.，Technology Center，Kunming，Yunnan 650202）

AbstractElectricheating cigarette heater has the function of reducing the tar and other harmful components.The heating temperature control system is the core of electricheating cigarette heater.It mainly exists slow smoking speed，poor smoking performance and other defects of electricheating cigarette heater.The step response signal of the heating temperature object was identified by using the step response method.It obtained that the heating temperature object is the firstorder inertia pure delay system.And the control algorithm of the heating temperature object was optimized and simulated.The simulation results identified that the delay time of heating of the optimized heating temperature object was reduced by 38.1%，the temperature rise time was reduced by 29.8% and the adjustment time was shortened by 24.8%，which improves the smoke speed and performance； reduces system power consumption and extends battery service life，provides theoretical guidance for the improvement of electricheating cigarette heater circuit and the development of the electricheating cigarette heater.

Key wordsNovel cigarette；Electricheating；Cigarette heater；Temperature object；Step response；Inertia；Pure delay

傳统卷烟在高温燃烧裂解时，会产生对人体有害的成分，危害人们的健康[1]。电加热新型卷烟是加热而非燃烧烟草制品，减少了对人体的有害成分，是一种健康的、降焦减害的烟草制品[2-4]。电加热新型卷烟烟支烘烤温度是影响卷烟烟气化学成分的重要因素[5-9]，加热温控系统为烟具的核心。

目前，国内电加热新型卷烟制品技术落后于国外[10-12]。国内自主研发的烟具存在起烟速率慢、发烟性能差等缺陷，主要表现为加热延时长、温度上升时间长、调节时间长等。

国内对电加热新型卷烟烟具温度对象研究甚少。笔者采用阶跃响应法，对电加热新型卷烟烟具温度对象进行开环辨识，并对模型进行优化和仿真，以提升烟具的起烟速度，提高烟具发烟性能，为烟具电路改进、开发提供理论指导。

1对象结构及特性曲线

1.1对象结构分析

电加热新型卷烟包括：电加热新型烟具和新型卷烟烟支。电加热新型烟具主要由电源管理单元、微处理器、温控系统及显示单元组成，如图1所示。烟具温控系统核心加热部件为加热棒，如图2所示，加热棒由内层镍铬发热丝、外层陶瓷棒体等组成，发热丝内嵌于陶瓷棒体中，型热电偶传感器内嵌于加热棒内顶端。

1.2对象特性曲线

该试验选取菲莫IQOS烟具与自主研发的电加热新型卷烟烟具进行对比分析。选取IQOS烟支，采用阶跃响应法，在室温（28 ℃）条件下，阶跃信号设定为260 ℃，采用针型铠装式热电偶采集到两者加热空载温度对象变化曲线。对试验数据处理后，得如图3所示的IQOS烟具温度对象及自主研发烟具温度对象空载加热温度曲线。

2.2对象参数辨识

采用“切线法”，在图4曲线变化速率最快处做切线[13]， 得出t0=24.3，τ=2.1；由上述可得：T=t0-τ=22.2。

参数K可由式（2）求得。

K=ΔyΔx=0.974（2）

3对象优化与仿真

3.1对象特性曲线对比

在图5中IQOS和新型卷烟烟具温度对象曲线中斜率最大处做切线，切线与横坐标轴的交点的横坐标值为加热延时时间τ；在曲线中斜率为零点处对应横坐标值为调节时间ts；在曲线中有：y（t1）=0.1，y（t2）=

电加热新型卷烟烟具与IQOS烟具温度对象相比：加热延时长1.3 s，升溫时间长42.7 s，调节时间长70.6 s。由于烟具温度对象的加热延时时间、温度上升时间及调节时间直接影响烟具起烟速度与发烟性能，因此，需对烟具加热温度对象控制算法进行优化改进。

3.2对象参数优化

一阶惯性纯滞后系统可通过缩小控制参数T、τ值，增大参数K值来优化控制参数，使得系统加热延时时间τ、上升时间tr及调节时间ts缩短。

对自主研发电加热新型卷烟烟具温度对象模型传递函数G（s）前串联一个传递函数G′（s），如图6所示，得式（4），使得优化后烟具温度对象模型的控制参数T、τ值缩小，K值增大，烟具温度对象加热延时时间、温度上升时间及调节时间缩短，从而可使烟具起烟速度加快、发烟性能更高。

对象的加热延时时间τ=1.3 s，缩短38.1%；温度上升时间tr=47.4 s，缩短29.8%；调节时间ts=117.1s，缩短24.8%。

通过改变控制模型算法，可改变烟具温度对象G（s）模型参数，使烟具温度对象加热延时时间、温度上升时间及调节时间缩短，可加快烟具起烟速度，提高发烟性能，降低系统的功耗，延长电池寿命，为烟具电路改进、开发提供理论指导。

4结论

采用阶跃响应法，对电加热新型卷烟烟具温度对象进行

系统参数辨识，得其为一阶惯性纯滞后系统。通过对烟具温度对象控制算法优化改进，使得烟具温度对象加热延时时间缩短38.1%、温度上升时间缩短29.8%、调节时间缩短24.8%，从而可加快烟具起烟速度，提高发烟性能，降低系统的功耗，延长电池寿命，为烟具电路改进、开发提供理论指导。

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