王云龍 朱雙杰 孫嘯

（滁州學(xué)院 安徽省滁州市 239000）

隨著茶飲行業(yè)的蓬勃發(fā)展。為了茶飲生產(chǎn)質(zhì)量，茶飲生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)溫度的控制精度一直提出較高的要求[1]。而萃取是茶飲生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，為了萃取時(shí)溫度穩(wěn)定，傳統(tǒng)的PID 控制策略使用較廣泛，但萃取時(shí)總是達(dá)不到理想的狀態(tài)，控制過(guò)程中屢屢出現(xiàn)超調(diào)量大，收斂時(shí)間長(zhǎng)、不穩(wěn)定的缺點(diǎn)[2]。

除茶飲生產(chǎn)中，萃取罐還應(yīng)用于植物、中草藥、食品等領(lǐng)域[3]。由于萃取罐應(yīng)用性較強(qiáng)，是非線性系統(tǒng)，未知變量也較多等特點(diǎn)，故對(duì)萃取罐的各種控制舉措也層出不窮。針對(duì)萃取罐存在的未知變量，文獻(xiàn)[4]構(gòu)造了雙線性狀態(tài)空間系統(tǒng)的狀態(tài)觀測(cè)器，有效的抑制了噪聲；由于萃取罐溫度加熱不均勻，文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)一種大容量分層輻射微波萃取裝置，解決了該問(wèn)題；文獻(xiàn)[6]通過(guò)利用萃取液回收單元,實(shí)現(xiàn)萃取液和萃取物的分離以及萃取液的循環(huán)利用，提高萃取物的使用價(jià)值。文獻(xiàn)[7]通過(guò)改造多通道可回收型中試亞臨界流體萃取裝置，改善了萃取能力。針對(duì)鐠/釹(Pr/Nd)萃取過(guò)程元素組分含量難以在線實(shí)時(shí)檢測(cè)的現(xiàn)狀，文獻(xiàn)[8]引入加權(quán)相似度準(zhǔn)則和局部模型更新策略,提出一種基于改進(jìn)即時(shí)學(xué)習(xí)算法，結(jié)果表明該算法具有精度高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[9]利用超聲輔助固相技術(shù)，解決了固相萃取技術(shù)無(wú)法低濃度復(fù)雜體系的高效精準(zhǔn)和可控分離的現(xiàn)狀。文獻(xiàn)[10]通過(guò)建立萃取過(guò)程模擬的Elman 網(wǎng)絡(luò)模型，保障產(chǎn)品所需純度。文獻(xiàn)[11]通過(guò)對(duì)萃取精餾的節(jié)能設(shè)計(jì)，在擾動(dòng)情況下，萃取效果依然能快速恢復(fù)到擾動(dòng)前水平。

為了能緩解茶飲業(yè)萃取不穩(wěn)定的情況，本文在設(shè)計(jì)觀測(cè)器罐數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了基于干擾觀測(cè)器補(bǔ)償?shù)腜ID 控制系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)基于干擾觀測(cè)器PID 算法和傳統(tǒng)PID 算法分別進(jìn)行了溫度控制仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證基于干擾觀測(cè)器PID 算法對(duì)萃取罐溫度控制更有效，由于干擾觀測(cè)器跟蹤干擾并及時(shí)補(bǔ)償[12]，使整個(gè)系統(tǒng)收斂時(shí)間縮短、穩(wěn)定度高、抗干擾性能較好。

1 萃取罐工作原理

萃取罐由罐體、攪拌電機(jī)、罐體過(guò)濾網(wǎng)構(gòu)成，在夾層的底部有冷凝水排水口，夾層底部有冷凝水排水口。萃取罐裝置如圖1 所示。

圖1：萃取罐

在制作茶飲過(guò)程中，萃取罐在進(jìn)行萃取時(shí)，將茶飲制作（本次實(shí)驗(yàn)所用的是菊花）所需的原料放置在罐內(nèi)水中進(jìn)行攪拌萃取，同時(shí)通過(guò)罐體夾層（內(nèi)通蒸汽）進(jìn)行加溫，溫度達(dá)到一定值時(shí)，萃取一段時(shí)間。當(dāng)萃取完成后，萃取液通過(guò)管道引出，殘?jiān)蛇^(guò)濾網(wǎng)截留、清除。整個(gè)萃取的溫度可以通過(guò)罐體夾層冷凝水排水口的排水流量大小或夾層蒸汽流量大小來(lái)決定。

2 觀測(cè)器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)觀測(cè)器為：

首先對(duì)觀測(cè)器的穩(wěn)定性進(jìn)行分析：

定義Lyapunov 函數(shù)為：

假設(shè)干擾d為時(shí)變信號(hào)，很小，當(dāng)取k1較大值時(shí)，有，將式（1）（2）.代入式（4），得：

通過(guò)采用觀測(cè)器對(duì)d 項(xiàng)進(jìn)行有效的觀測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償[5]。加入補(bǔ)償后的控制律為：

其中u0為PID 控制。

3 基于干擾觀測(cè)器PID萃取罐溫度控制設(shè)計(jì)

基于干擾觀測(cè)器PID 溫度控制由三部分組成，分別是PID 模塊，觀測(cè)器模塊、被控對(duì)象模塊（萃取罐）。

由圖2 知基于干擾觀測(cè)器PID 溫度控制原理：首先由設(shè)定值x 與輸出值y 進(jìn)行減運(yùn)算，得到的偏差進(jìn)入控制器經(jīng)過(guò)PID 算法，輸出值u；觀測(cè)器模塊跟蹤被控制對(duì)象狀態(tài)的輸出信號(hào)，然后進(jìn)行總擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)，其中Z1 是總擾動(dòng)的估計(jì)，Z2 是Z1 補(bǔ)償u 后的總值。最后觀測(cè)器的總估計(jì)補(bǔ)償PID 控制器的輸出，從而對(duì)被控對(duì)象萃取罐的溫度進(jìn)行控制。

圖2：基于干擾觀測(cè)器PID 萃取罐溫度控制框圖

4 基于干擾觀測(cè)器萃取罐溫度控制硬件布局

依據(jù)干擾觀測(cè)器PID 萃取罐溫度控制設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)實(shí)中的萃取罐溫度控制進(jìn)行硬件布局，如圖3 所示。

圖3：基于干擾觀測(cè)器萃取罐控制硬件布局

萃取罐溫度控制采用閉環(huán)回路控制，萃取罐為被控對(duì)象，萃取管溫度為被控變量，冷水流量大小為操縱量，控制器采用下載基于干擾觀測(cè)器的PID 控制程序的PLC模塊。首先溫度檢測(cè)器采集萃取罐的溫度，測(cè)量值通過(guò)PLC 控制程序運(yùn)算后，輸出值來(lái)控制冷水閥門的開度大小，從而控制萃取罐溫度的高低。

5 仿真實(shí)驗(yàn)分析

在Matlab 仿真軟件平臺(tái)上。為了驗(yàn)證基于干擾觀測(cè)器PID 控制效果，利用軟件平臺(tái)上的PID 模塊和S函數(shù)搭建了，PID 萃取罐溫度控制與基于干擾觀測(cè)器的PID 萃取罐溫度控制系統(tǒng)的仿真模型。進(jìn)行了兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)1 是在PID 調(diào)節(jié)參數(shù)相同情況下，PID控制與基于干擾觀測(cè)器PID 控制；對(duì)比實(shí)驗(yàn)2 是PID 最優(yōu)控制與基于干擾觀測(cè)器PID 控制，仿真結(jié)果如下。

圖4 為了驗(yàn)證干擾觀測(cè)器的抗干擾功能，和干擾觀測(cè)器PID 的調(diào)節(jié)能力，因此圖4 中的a，和b 實(shí)驗(yàn)中PID 控制器的調(diào)節(jié)參數(shù)大小均相同。

圖4：PID 調(diào)節(jié)參數(shù)相同對(duì)比（第1 組對(duì)比）

第一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）從圖4 中的a 和b 圖可知，在收斂過(guò)程中，基于干擾觀測(cè)器PID 萃取罐溫度控制系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng)響收斂時(shí)間更短，超調(diào)量明顯小于傳統(tǒng)PID 溫度控制器。

（2）當(dāng)系統(tǒng)添加干擾和負(fù)載時(shí)，因觀測(cè)器對(duì)干擾的補(bǔ)償，故基于干擾觀測(cè)器的PID 萃取罐溫度控制系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)PID 控制器抗干擾性能更強(qiáng)，穩(wěn)定性更好，魯棒性更高。

（3）基于干擾觀測(cè)器PID 萃取罐溫度控制系統(tǒng)穩(wěn)定值與溫度設(shè)定值之間的余差比傳統(tǒng)PID 溫度控制系統(tǒng)要小。

（4）觀測(cè)器對(duì)擾動(dòng)具有跟蹤作用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)PID 控制的缺點(diǎn)，使干擾補(bǔ)償更為準(zhǔn)確，增強(qiáng)烈系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。

在第二組對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)中，圖5 中的c 采取的是PID 最優(yōu)參數(shù)控制，d 采用的基于干擾觀測(cè)器的PID 參數(shù)控制。由第二組對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出表1 結(jié)果。

表1：第二組對(duì)比仿真結(jié)果表

圖5：PID 最優(yōu)控制與基于干擾觀測(cè)器PID 控制對(duì)比（第2 組對(duì)比）

根據(jù)表1 可知，PID 控制器在用最優(yōu)參數(shù)情況下，它的余差、收斂時(shí)間、超調(diào)量仍比基于干擾觀測(cè)器PID控制的效果差。據(jù)此進(jìn)一步說(shuō)明基于干擾觀測(cè)器的PID控制抑制干擾的性能優(yōu)于PID 控制。

6 結(jié)論

由于傳統(tǒng)PID 控制的萃取瓶溫度抗干擾能力差、溫度收斂時(shí)間長(zhǎng)，在傳統(tǒng)PID 控制器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了觀測(cè)器與PID 控制器相結(jié)合的仿真模型，并對(duì)它們做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明基于干擾觀測(cè)器的PID 萃取瓶溫度控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，收斂性以及抗干擾性。

在實(shí)際生產(chǎn)中，會(huì)存在一些不確定干擾、不可測(cè)的干擾。故本文所采用的方法可幫助操作人員完成溫度控制，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定和高效。在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境首先調(diào)節(jié)PID 參數(shù)，再取增加干擾觀測(cè)器，對(duì)于干擾觀測(cè)器參數(shù)改變幅度范圍不能過(guò)大，以免影響生產(chǎn)。