王 磐洪苑乾 黃漢英 胡月來 聶少伍 趙思明

(1. 華中農(nóng)業(yè)大學工學院，湖北 武漢 430070；2. 華中農(nóng)業(yè)大學食品科技學院，湖北 武漢 430070)

基于PLC的模糊PID控制器在熱風干燥箱上的應用

王 磐1洪苑乾1黃漢英1胡月來1聶少伍1趙思明2

(1. 華中農(nóng)業(yè)大學工學院，湖北 武漢 430070；2. 華中農(nóng)業(yè)大學食品科技學院，湖北 武漢 430070)

針對熱風干燥過程中溫、濕度變化的非線性和大滯后現(xiàn)象，系統(tǒng)采用了模糊控制與常規(guī)PID控制相結合的方法，利用模糊PID控制原理，設計了模糊PID控制器，實現(xiàn)了PID參數(shù)在PID控制系統(tǒng)中的在線自整定。試驗結果表明：在目標溫度設定為15 ℃時，與常規(guī)PID控制相比，基于模糊PID控制的熱風干燥控制系統(tǒng)最大超調(diào)量下降了3 ℃，調(diào)節(jié)時間減少了10 min，穩(wěn)態(tài)誤差為±0.5 ℃，具有更好的動態(tài)和靜態(tài)響應特性，在參數(shù)改變的情況下更能適應熱風干燥箱的工程應用需求。

模糊PID；PLC；熱風干燥；MATLAB；參數(shù)自整定

熱風干燥技術是將具有一定溫、濕度的熱空氣通過待干燥物料的表面以去除物料中水分的方法，目前廣泛應用于農(nóng)產(chǎn)品加工工程中。常壓熱風干燥技術在中國目前的農(nóng)產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)中應用達到90%以上[1-2]。

溫、濕度是物料干燥過程中非常重要的兩個參數(shù)，直接影響干燥物料品質[3-5]，因此將溫、濕度控制在一個合理的范圍內(nèi)對物料干燥是非常重要的。目前常用的PID控制雖然結構簡單，但控制超調(diào)量大，調(diào)節(jié)能力較弱，且依賴于被控對象的數(shù)學模型。而溫度和濕度在熱風干燥過程中屬于非線性、大滯后的控制對象，要得到精確的數(shù)學模型比較困難，PID控制方法滿足不了控制精度的要求[6-8]。針對上述問題，本試驗擬采用模糊控制與常規(guī)PID控制相結合的方法，設計模糊PID控制器，以偏差值e和偏差的變化ec作為輸入，PID參數(shù)Kp、Ki、Kd作為輸出，利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進行修改，以改善熱風干燥箱的控制精度。

1 系統(tǒng)硬件組成

熱風干燥箱控制系統(tǒng)以PLC為核心控制器，PC機作為人機界面，主要由加熱器、加濕器、制冷系統(tǒng)、轉輪除濕系統(tǒng)、循環(huán)風機、溫濕度傳感器等組成。

溫度控制主要是通過加熱器和制冷系統(tǒng)來調(diào)節(jié)，濕度控制主要通過加濕器、制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器表冷除濕和轉輪吸附除濕來實現(xiàn)，通過循環(huán)風機對干燥箱進行循環(huán)送風，并利用變頻器對循環(huán)風機進行調(diào)速，采用PC機作為控制系統(tǒng)的上位機，采用PC/PPI協(xié)議與PLC進行通訊，實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控[9]。控制系統(tǒng)的硬件結構見圖1。

2 模糊PID控制器

2.1 模糊PID控制系統(tǒng)結構

模糊PID控制器的結構主要包括模糊控制和參數(shù)可調(diào)整的PID控制兩部分。模糊PID控制系統(tǒng)結構見圖2。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結構圖

U. 第k次輸出的控制量e. 第k次采樣時的采樣偏差值ec. 第k次偏差的變化Kp. 調(diào)節(jié)器的比例積分Kd. 調(diào)節(jié)器的微分系數(shù)Ki. 調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)

圖2 模糊PID控制系統(tǒng)結構圖

Figure 2 Fuzzy PID control system structure

設溫度(或濕度)的給定值為r(t)，溫濕度傳感器檢測到的值為y，模糊PID控制器的輸入變化量設置為y與r(t)的偏差值e以及偏差的變化ec，輸出變化量設置為PID的3個可調(diào)整參數(shù)Kp、Ki、Kd。

2.2 模糊PID控制器的設計

在控制系統(tǒng)中，將箱內(nèi)的溫、濕度設定值作為控制零界點。模糊控制器的輸入變化量為y與r(t)之間的偏差值和偏差的變化，模糊輸出變化量為Kp、Ki、Kd的修正值△Kp、△Ki、△Kd，建立模糊PID控制器。現(xiàn)在以溫度為例來說明模糊PID控制器的設計。

2.2.1 溫度模糊PID控制器各參數(shù)的確定 選定溫度偏差值e和溫度偏差的變化ec作為模糊控制器的輸入變化量，選定PID控制器的參數(shù)Kp、Ki、Kd的修正值△Kp、△Ki、△Kd作為模糊控制器的輸出變化量。

選取溫度偏差值e的基本論域為[-6 6]，溫度偏差的變化ec的基本論域為[-3 3]；選取語言變量偏差E的模糊論域為[-3 3]，偏差的變化EC的模糊論域為[-3 3]；模糊子集為{NB NM NS Z PS PM PB}，模糊意義簡記為{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}；設定語言輸入變量Kp、Ki、Kd的基本論域分別為[-0.3 0.3]、[-0.06 0.06]、[-3 3]，模糊論域分別為[-0.3 0.3]、[-0.06 0.06]、[-3 3]，模糊集為{NB NM NS Z PS PM PB}，意義同上。

模糊控制器的相關參數(shù)見表1。

2.2.2 隸屬度函數(shù)(MF)的確定 在模糊控制器的建立過程中，通過隸屬度函數(shù)可以方便的獲取各模糊語言變量的賦值表。為了方便計算，故選取三角形隸屬度函數(shù)曲線[10-12]。

表1 模糊控制器的相關參數(shù)

由于系統(tǒng)中選取的溫度輸入、溫度輸出的語言變量都是7個語言值，即NB NM NS Z PS PM PB，對于輸入變量偏差e選取的7個語言值為NB(溫差負大)、NM(溫差負中)、NS(溫差負小)、Z(溫差適中)、PS(溫差正小)、PM(溫差正中)、PB(溫差正大)；溫度偏差的變化的7個語言值為NB(負溫差變化嚴重)、NM(負溫差變化中等)、NS(負溫差變化不嚴重)、Z(溫差沒變化)、PS(正溫差變化小)、PM(正溫差變化中等)、PB(正溫差變化嚴重)；輸出變量Kp、Ki、Kd選取的7個語言值分別為NB(負大)、NM(負中)、NS(負小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。根據(jù)現(xiàn)有的PID參數(shù)的整定經(jīng)驗，確定輸入、輸出變量在論域上的隸屬度函數(shù)見圖3。

圖3 輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)

2.2.3 建立模糊規(guī)則表 模糊規(guī)則是輸入量和輸出量之間模糊蘊涵關系的表現(xiàn)，是用F條件命題對這種關系進行了表述?；谙到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、響應速度、超調(diào)量和穩(wěn)定精度等因素考慮，PID參數(shù)的調(diào)整經(jīng)驗規(guī)則[13-15]：

(1) 當|e|較大時，可選擇取較大Kp，這樣可以加快系統(tǒng)的響應速度，并減小系統(tǒng)的時間常數(shù)和阻尼系數(shù)。但Kp過大時則會導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為避免出現(xiàn)積分過飽和現(xiàn)象，可選取較小的Kd。此時，可取Ki=0以避免系統(tǒng)的超調(diào)量較大。

(2) 當|e|處于中等大時，可取較小的Kp以保證系統(tǒng)響應的超調(diào)量較小。此時，為確保系統(tǒng)的響應速度較快，可取適中的Kd值。同時，可將Ki適當增大。

(3) 當|e|較小時，可選取較大的Kp和Ki以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，同時為了避免系統(tǒng)在平衡點時出現(xiàn)震蕩，Kd的取值應適中。

模糊規(guī)則的制定是一個非常復雜的過程，一般是依據(jù)上述經(jīng)驗原則和操作者的實際經(jīng)驗來進行總結的。本系統(tǒng)采用的是“IF ……THEN……”的結構模式，根據(jù)實際的專家經(jīng)驗和試驗過程中的經(jīng)驗總結得到49條模糊控制規(guī)則，并利用計算機仿真技術對這些規(guī)則進行了優(yōu)化，結果見表2。

根據(jù)模糊控制規(guī)則的要求，利用MATLAB軟件對相應的參數(shù)進行計算，得出模糊PID控制規(guī)則查詢表見表3。

表2 溫度輸出變量 Kp、Ki、 Kd的控制規(guī)則表

表3 模糊PID控制規(guī)則查詢表

2.3 系統(tǒng)仿真試驗

為了滿足在工程上的使用要求，利用計算技術在MATLAB軟件上對模糊PID控制器進行仿真，得出Kp、Ki、Kd在論域上的輸出波形見圖4～6。由圖4～6可知，當溫度偏差為-3，溫度偏差的變化為3時，輸出變量Kp為0，Ki為0，Kd為1.02，與表3結果一致。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)軟件的設計主要包括PLC控制程序的設計、PC機監(jiān)控程序的設計。

3.1 模糊PID控制程序設計

采用STEP-7軟件對模糊PID控制器的控制程序進行設計，程序主要分為輸入量量化程序、模糊控制查表程序、去模糊化程序等，流程圖見圖7。

圖4 Kp在論域上的輸出波形圖

圖5 Ki在論域上的輸出波形圖

圖6 Kd在論域上的輸出波形圖

首先，對系統(tǒng)進行初始化設置，并利用HX-42I1WS型溫濕度傳感器對熱風干燥箱內(nèi)部的溫度和濕度進行檢測，輸送到EM235模塊，由PLC接收EM235模塊送來的溫、濕度信號，并與設定值進行比較得到偏差信號，調(diào)用模糊PID控制算法，通過輸出占空比可調(diào)的PWM脈沖信號對固態(tài)繼電器的通斷時間進行控制，來完成系統(tǒng)對溫、濕度的準確控制。

3.2 監(jiān)控程序設計

PC機監(jiān)控程序主要是實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示和設置等功能，系統(tǒng)采用WinCC7.0實現(xiàn)監(jiān)控工程的組態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)主要包括6個界面：用戶登錄、工藝流程、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集、趨勢顯示和故障警報界面。

圖7 模糊PID控制流程圖

4 運行試驗

4.1 試驗材料

鮮活團頭魴(武昌魚)：尾重0.5 kg左右，購于華中農(nóng)業(yè)大學農(nóng)貿(mào)市場。

4.2 試驗設備

循環(huán)熱風干燥箱：QYH-1500A型，東莞市常平企亞工業(yè)設備制造廠。經(jīng)本課題組改造后，計算機控制系統(tǒng)可對溫度、濕度、風速進行實時的檢測或控制，熱風干燥箱整機結構示意圖見圖8。

4.3 試驗方法

4.3.1 樣品處理

鮮活團頭魴→去鱗、剖背去除內(nèi)臟→清洗并進行10%鹽水腌制→瀝干→懸掛待用

4.3.2 干燥方法 在環(huán)境溫度為5～15 ℃的條件下，將干燥溫度設置為15 ℃，干燥濕度設置為41%，干燥風速設置為2 m/s。以平行于風向的方式將瀝干的團頭魴懸掛在熱風干燥箱的干燥室內(nèi)進行干燥，每條間距約5 cm，以保證團頭魴的各個表面與熱風充分接觸，時間約53 h。

圖8 整機結構示意圖

4.4 試驗結果

分別采用模糊PID和常規(guī)PID兩種控制方式對團頭魴進行干燥處理，得到的溫度響應曲線見圖9。

圖9 溫模糊PID和常規(guī)PID響應曲線

由圖9可知，在團頭魴的干燥過程中，與常規(guī)PID控制相比，模糊PID控制條件下的溫度調(diào)節(jié)時間縮短了10 min，超調(diào)量下降了3 ℃，約2 h時即達到設定溫度值，穩(wěn)態(tài)誤差為±0.5 ℃，均小于常規(guī)PID控制。試驗結果表明：模糊PID控制相較于常規(guī)PID控制更能滿足參數(shù)時變系統(tǒng)的響應要求，適應性更好。

5 討論

本研究利用MATLAB軟件，采用離線方式計算出查詢表，并進行模擬仿真。應用STEP-7設計控制程序，解決了PID參數(shù)在線自整定難的問題。實際運行結果表明，模糊PID控制精度提高，響應速度快，超調(diào)量小，達到令人滿意的效果。

針對干燥過程溫濕度的模糊PID控制器的設計，其關鍵是模糊查詢表的設計，而模糊查詢表的設計仍然是根據(jù)專家經(jīng)驗和試驗總結進行優(yōu)化得到的，有一定的局限性。為了進一步提高系統(tǒng)性能，可以采用其他智能控制技術與模糊控制相結合的控制方法。

[1] 黃立新, 陳國華, ARUN S Muiumdar. 干燥技術最新研究進展和展望[J]. 干燥技術與設備, 2007, 5(5): 215-219.

[2] 趙存洋. 節(jié)能型果蔬熱風干燥實驗裝置及控制系統(tǒng)研究[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院, 2011: 15-21.

[3] 羅剛, 黃遠洋. 節(jié)能型恒溫恒濕箱的研制[J]. 機械設備, 2005(8): 51-52.

[4] 劉偉濤. 小型太陽能干燥設備研制及試驗研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2010: 20-24.

[5] 劉友明, 趙思明, 熊善柏, 等. 魚面的高溫高濕干燥工藝研究[J]. 食品科技, 2007(5): 221-223.

[6] 楊世勇, 徐國林. 模糊控制與PID控制的對比及其復合控制[J]. 自動化技術與應用, 2011, 30(11): 21-25.

[7] 吳宏鑫, 沈少萍. PID控制的應用與理論依據(jù)[J]. 控制工程, 2003, 10(1): 37-42.

[8] 吳曉強, 李亞莉, 周紅杰, 等. 基于模糊PID的茶葉烘干機恒溫控制系統(tǒng)研究[J]. 食品與機械, 2015, 31(4): 111-113, 255.

[9] 聶少伍, 黃漢英, 胡月來, 等. 基于PLC谷物脈沖微波殺蟲機自動控制系統(tǒng)[J]. 制造業(yè)自動化, 2014, 36(10): 142-144, 153.

[10] 盧燕, 羅青華, 魏克新. PLC實現(xiàn)的模糊PID控制器及在高爐布料系統(tǒng)中的應用[J]. 天津理工大學學報, 2008, 24(2): 73-75.

[11] 王述彥, 師宇, 馮忠緒. 基于模糊PID控制器的控制方法研究[J]. 機械科學與技術, 2011, 30(1): 166-172.

[12] 李敬兆, 湯文兵. PLC實現(xiàn)的模糊PID控制器及在高濃度啤酒稀釋系統(tǒng)中的應用[J]. 工業(yè)控制計算機, 2006, 19(7): 7-9.

[13] 趙永娟, 孫華東. 基于MATLAB的模糊PID控制器的設計和仿真[J]. 微計算機信息, 2009, 25(1): 48-50.

[14] 李敬兆, 湯文兵, 顧榮榮. PLC實現(xiàn)的模糊PID控制器及其在通風機風量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應用[J]. 江南大學學報: 自然科學版, 2006, 8(5): 422-426.

[15] 方良材, 黃衛(wèi)萍. 基于MATLAB的果酒發(fā)酵溫度PID控制系統(tǒng)比較研究[J]. 食品與機械, 2014, 30(3): 83-86.

Fuzzy PID controller based on PLC and application on hot air drying chamber

WANG Pan1HONGYuan-qian1HUANGHan-ying1HUYue-lai1NIEShao-wu1ZHAOSi-ming2

(1.CollegeofEngineeringandTechnology,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan,Hubei430070,China;2.CollegeofFoodScienceandTechnology,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan,Hubei430070 ,China)

According to the non-linearity and large-lag phenomena in temperature and humidity in hot air drying process, conventional PID control and fuzzy control were combined using fuzzy PID control theory in the system. A Fuzzy PID controller was designed to achieve the PID parameters’ online self-tuning. Results: when the target temperature is set at 15 ℃, compared with the conventional PID control, the maximum overshoot of the hot air drying control system based on fuzzy PID control is decreased by 3 ℃, the adjustment time is reduced by 10 min and the steady state error is ± 0.5 ℃, with better dynamic and static response characteristics, and in the case of parameter changes can better adapt to the hot air drying oven engineering applications.

fuzzy PID; PLC; hot air drying; MATLAB; PID parameter self-tunin

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.12.022

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術體系建設專項基金(編號：CARS-46-23)

王磐，男，華中農(nóng)業(yè)大學在讀碩士研究生。

黃漢英(1964—)，女，華中農(nóng)業(yè)大學副教授。 E-mail：hhywmx@mailhzau.edu.cn

2016—04—08