基于模糊PID的油菜籽真空干燥在線控制系統(tǒng)設(shè)計

朱光耀，楊彩霞

（湖南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，湖南 長沙 410151）

基于模糊PID的油菜籽真空干燥在線控制系統(tǒng)設(shè)計

朱光耀，楊彩霞

（湖南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，湖南 長沙 410151）

針對油菜籽干燥過程中PID控制的不足，設(shè)計了基于模糊PID的油菜籽真空干燥控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合了模糊控制和傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)點，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，利用模糊控制理論對傳統(tǒng)PID參數(shù)進行在線修改，使系統(tǒng)在較小超調(diào)的情況下獲得較短的調(diào)節(jié)時間和良好的平穩(wěn)性，試驗結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、控制精度高的特點，提高了油菜籽的干燥質(zhì)量。

油菜籽；真空干燥；模糊PID控制；在線控制

干燥是油菜籽加工和生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，目前油菜籽干燥控制系統(tǒng)中常采用傳統(tǒng)的PID控制。在采用PID算法進行大量試驗后，結(jié)果表明控制效果不穩(wěn)定，波動和誤差加大，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是PID算法是通常需要建立在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)之上，其應(yīng)用中需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，但實際油菜籽干燥過程中具有時變性、非線性、多參數(shù)間強耦合、大滯后等特點，難以或不能建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用常規(guī)PID控制方案難以達到理想的控制目的。

同時，試驗中筆者發(fā)現(xiàn)若在現(xiàn)場操作人員的實時參與調(diào)節(jié)下，控制效果可得到顯著改善，而模糊控制是把現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗知識等邏輯規(guī)則轉(zhuǎn)化為相關(guān)的模糊信息，通過模糊推理，模仿人的思維方式和檢測經(jīng)驗，得出控制策略，可有效處理控制系統(tǒng)中的不確定性。因此本設(shè)計將模糊控制和PID控制結(jié)合起來，控制器可根據(jù)系統(tǒng)的偏差和偏差變化率，在專家經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進行模糊推理，修正PID的參數(shù)，從而達到提高控制精度的作用。

1 PLC控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）干燥過程分析。油菜籽的真空干燥過程應(yīng)采用預(yù)熱+干燥+冷卻+干燥+冷卻的干燥工藝為宜，且在各干燥段的干燥時間要較短，這是控制油菜籽在干燥過程中產(chǎn)生酸敗的有效措施之一。干燥系統(tǒng)的控制過程設(shè)置為：先啟動抽空泵，達到預(yù)設(shè)的壓力后進行預(yù)熱，預(yù)熱階段采用抽空與充氣的過程，使溫度能很快達到設(shè)定溫度。在此階段冷凝器啟動，抽出的水蒸氣直接排出。然后進一步抽空，降低真空度。一段時間后停止抽空，再次啟動加熱，達到預(yù)設(shè)溫度一段時間后，然后持續(xù)抽真空，直至達到預(yù)設(shè)壓力。然后進入終點運行，當(dāng)真空度達到預(yù)設(shè)值時，達到要求，完成系統(tǒng)運行。

（2）硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。智能干燥控制系統(tǒng)以PLC為核心，根據(jù)油菜籽真空干燥機實際控制需要，主控模塊PLC型號為西門子S7-200 CPU226。其輸入部分由溫度采集電路、濕度采集電路、水分采集電路、按鍵輸入電路組成；輸出部分由螺旋攪拌電機控制、可控硅控制加熱設(shè)備、指示燈、人際界面顯示電路和報警電路等組成，其中溫度控制系統(tǒng)采用Fuzzy-PID復(fù)合控制閉環(huán)系統(tǒng)，以提高控制的精度和效率。控制系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

圖1 油菜籽真空干燥系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

2 油菜籽熱風(fēng)干燥控制系統(tǒng)的模糊PID控制方法

（1）模糊PID控制的建模。在油菜籽的干燥過程中，溫度是影響干燥效率及油菜籽品質(zhì)的重要因素，因此，系統(tǒng)將溫度偏差e以及溫度偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，輸出為PID三個參數(shù)的調(diào)節(jié)量：Δkp、Δki、Δkd，從而達到將調(diào)節(jié)PID參數(shù)值的目的。對應(yīng)的模糊語言為E，Δe及U，在論域上定義7個模糊子集，記做{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分屬于模糊集合{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，溫度偏差e的基本論域設(shè)定為［-1，1］，溫度偏差變化率ec的基本論域設(shè)定為［-0.5，0.5］，輸出變量Δkp、Δki、Δkd的理論論域分別為［20，40］、［230，250］、［50，70］，隸屬度函數(shù)選用三角形隸屬度函數(shù)，采用Mamdani推理方法，使用加權(quán)平均法進行解模糊。

（2）PID各參數(shù)的模糊控制規(guī)則表。Δkp的模糊規(guī)則表，如表1所示。Δki的模糊規(guī)則表，如表2所示。Δkd的模糊規(guī)則表，如表3所示。

表1 Δkp的模糊規(guī)則表

表2 Δki的模糊規(guī)則表

表3 Δkd的模糊規(guī)則表

（3）模糊PID復(fù)合控制算法編程實現(xiàn)。模糊PID復(fù)合控制算法主要用于本系統(tǒng)的溫度控制模塊。溫控部分的應(yīng)用程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和子程序組成。主程序的任務(wù)是對系統(tǒng)進行初始化，實現(xiàn)參數(shù)輸入，并控制加熱電阻的正常運行。主程序主要由系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集及處理、智能推理等部分組成。數(shù)據(jù)采集及處理主要包括實時采集溫度信號，計算出實際溫度與理想值的差值以及溫差的變化率，并對溫度信號進行濾波和限幅處理。其軟件部分主要包括：采樣、控制計算、控制輸出、中斷、顯示、報警、調(diào)節(jié)參數(shù)修改、溫度設(shè)定及修改。主程序流程圖如圖2所示。考慮PLC中央處理器的實際性能，筆者先離線計算制出模糊控制調(diào)整表，并以數(shù)據(jù)塊的形式存入PLC的存儲器數(shù)據(jù)區(qū)中，這樣一來可減輕CPU的負擔(dān)，避免每次都要在線進行計算。之后再編寫一個子程序用來查找模糊控制調(diào)整表，當(dāng)PLC檢測到輸入值時，直接調(diào)用該子程序，即可得出輸出值。圖2所示為模糊PID控制程序?qū)崿F(xiàn)流程圖。

圖2 模糊PID控制程序?qū)崿F(xiàn)流程圖

4 結(jié)語

試驗樣本采用湖南高油酸753油菜籽，采樣后除雜并混合均勻，對比PID控制和模糊PID控制系統(tǒng)進行在線試驗，利用MCGS實時監(jiān)控溫度曲線，觀察在設(shè)置不同溫度值條件下溫度實時曲線，結(jié)果表明在恒溫階段的初期，和PID控制相比，模糊PID復(fù)合控制超調(diào)量小，振蕩也小，且更快地穩(wěn)定在設(shè)定目標值附近，縮短了達到目標設(shè)定值的時間，且穩(wěn)定后的模糊PID控制效果非常理想，誤差不超過1℃，達到目標要求。

［1］李茜，龐肖，湯偉，等.模糊PID復(fù)合控制在干燥部溫度控制中的應(yīng)用［J］.儀表與自控，2016，35（8）：1-3.

［2］胡先進.基于模糊PID控制的煙草梗絲干燥工藝控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.蕪湖：安徽工程大學(xué)，2015.

［3］劉斌，尹曉峰，丁珠玉，等.模糊PID在油菜籽熱風(fēng)干燥控制系統(tǒng)的研究［J］.西南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，41（4）：109-114.

［4］史春英，郭曉云，賈懷遠，等.油菜籽干燥工藝的研究［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報，2009，27（6）：903-904.

［5］付浩華，包李林，熊巍林，等.油菜籽薄層真空干燥技術(shù)的研究［J］.糧油食品科技，2011，19（3）：27-29.

［6］陳凱樂，謝方平，劉大為，等.油菜籽靜態(tài)變溫干燥試驗［J］.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，35（3）：281-283.

［7］謝艷群.智能油菜籽烘干機的設(shè)計與試驗研究［D］.長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

［8］詹攀，謝守勇，陳翀.基于模糊PID的煙葉烤房溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.西南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，39（2）：99-101.

［9］趙昌友.基于模糊PID中藥材干燥溫度控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真［J］.重慶工商大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，32（9）：81-84.

Design of Rapeseed Vacuum Drying On-line Control System Based on Fuzzy-PID Algorithms

ZHU Guang-yao，YANG Cai-xia
（School of Electrical Engineering,Hunan Mechanical&Electrical Polytechnic，Changsha，Hunan 410151，China）

According to the defectsofPID controlsystem during rapeseed vacuum drying process，a controlsystem whichwas based on Fuzzy-PID algorithmswasdesigned in thispaper.The proposed system combined the advantagesbetween traditionalPID and Fuzzy algorithms，When the parameters of the system changed，the Fuzzy theory was used tomodify the traditional PID parameters，which can geta shorter adjustment time and good stability under the condition of small overshoot.It is verified experimentally that the designed system was stable and with high precision，which can help to improve the quality of rapeseed vacuum drying.

rapeseed；vacuum drying；fuzzy-PID；online Control

S226.6

A

2095-980X（2017）05-0086-02

2017-04-19

湖南省教育廳科學(xué)研究項目：油菜籽真空干燥在線監(jiān)測系統(tǒng)研究與試驗（15C0488）；2016年湖南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目（JDK16TD05）。

朱光耀（1984-），男，湖南婁底人，大學(xué)本科，講師，主要研究方向：自動化控制技術(shù)。