基于干燥均勻性的真空脈動(dòng)干燥加熱控制技術(shù)

薛令陽(yáng) 王書(shū)茂 MUJUMDAR A S 王 軍 于賢龍 高振江

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.麥吉爾大學(xué)生物資源工程系， 蒙特利爾 H9X 3V9)

0 引言

真空脈動(dòng)干燥技術(shù)是一種新型干燥技術(shù)[1-3]，對(duì)于表面有蠟質(zhì)層覆蓋、易褐變、高糖分、難干燥的果蔬物料有很好的干燥效果[4-6]。碳纖維加熱板作為熱源引入真空脈動(dòng)干燥裝備后，因具有質(zhì)量小、升溫快、熱效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于枸杞、葡萄干、棗片等干燥加工[7-11]。實(shí)際生產(chǎn)中，真空脈動(dòng)干燥裝置的生產(chǎn)成品率為60%～90%，仍然存在較大的提升空間[12]。干燥均勻性是影響生產(chǎn)成品率的重要因素，因此提高干燥均勻性對(duì)降低干燥損失、推進(jìn)真空脈動(dòng)干燥裝備工程化應(yīng)用具有重要意義。

在提高干燥均勻性方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[13-15]，發(fā)現(xiàn)干燥裝備均勻性和物料均勻性是兩個(gè)主要影響因素。在微波干燥中，提高干燥均勻性主要通過(guò)改善微波腔中電磁場(chǎng)的均勻性和在干燥過(guò)程中改變物料位置兩種方式來(lái)改善微波能吸收的均勻性[16-17]。在熱風(fēng)干燥中，主要通過(guò)優(yōu)化干燥室內(nèi)溫度場(chǎng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)[18-20]。真空脈動(dòng)干燥中的多層輻射加熱方式不同于微波干燥和熱風(fēng)干燥，相關(guān)研究較少，僅有通過(guò)增加輻射間距改善單層干燥均勻性的報(bào)道[21]，并未解決多層整體干燥均勻性問(wèn)題?，F(xiàn)有真空脈動(dòng)干燥裝備中普遍采用的開(kāi)關(guān)式加熱板溫度控制方式也無(wú)法滿足提高干燥均勻性的需求。為此，本文針對(duì)現(xiàn)有真空脈動(dòng)干燥平臺(tái)，研究提高整體干燥均勻性的解決方案，并提出相應(yīng)控制策略，以期為改善多層加熱干燥裝備均勻性提供借鑒。

1 真空脈動(dòng)干燥裝置

基于輻射加熱的真空脈動(dòng)干燥裝置[22]如圖1所示，主要由真空脈動(dòng)系統(tǒng)(包括真空泵、循環(huán)水冷卻裝置、真空管路、干燥室)、加熱系統(tǒng)(主要包括料架、碳纖維加熱板和進(jìn)氣預(yù)加熱裝置)和自動(dòng)控制系統(tǒng)(包括人機(jī)界面、控制電路、傳感器等)3部分組成。加熱系統(tǒng)置于干燥室內(nèi)部，共8層碳纖維紅外加熱板(尺寸300 mm×500 mm)，物料置于兩層加熱板之間，物料盤(pán)距上加熱板40 mm，距下加熱板25 mm[21]，加熱板以輻射方式從上、下兩個(gè)方向?qū)ξ锪线M(jìn)行加熱。最頂層加熱板上部和最底層加熱板下部分別安裝20 mm厚的隔熱板，以減小頂層加熱板熱量損失及加熱系統(tǒng)對(duì)干燥室內(nèi)自動(dòng)稱(chēng)量系統(tǒng)的干擾。進(jìn)氣預(yù)熱裝置直接與干燥室進(jìn)氣口電磁閥相連，容積與干燥室容積相同，氣流通路為蛇形盤(pán)旋形式。

圖1 真空脈動(dòng)干燥裝置Fig.1 Pulsed vacuum dryer 1.控制箱 2.人機(jī)界面(觸摸屏) 3.干燥室 4.料架 5.真空壓力傳感器 6.循環(huán)水箱 7.冷卻機(jī) 8.水環(huán)式真空泵 9.進(jìn)抽氣口 10.進(jìn)氣口氣流擋板 11.電磁閥 12.門(mén) 13.進(jìn)氣預(yù)熱箱 14.觀察窗 15.隔熱板

2 干燥均勻性影響因素分析

農(nóng)產(chǎn)物料的干燥過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、不穩(wěn)定、非線性的過(guò)程[23]，物料在干燥過(guò)程中時(shí)刻發(fā)生變化，干燥均勻性受到多重因素影響，對(duì)干燥環(huán)境和物料整體進(jìn)行精確建模目前尚無(wú)完整解決方案，故無(wú)法直接基于理論模型進(jìn)行分析驗(yàn)證。

真空脈動(dòng)干燥過(guò)程主要包括對(duì)物料進(jìn)行加熱的輻射加熱過(guò)程和真空壓力周期性循環(huán)的脈動(dòng)過(guò)程兩部分，裝備層面影響均勻性的主要因素包含輻射強(qiáng)度均勻性和脈動(dòng)過(guò)程切換的流場(chǎng)影響兩部分。

針對(duì)輻射強(qiáng)度均勻性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)紅外輻射加熱特性進(jìn)行了大量研究[24-28]，提出了匹配吸收理論和非匹配吸收理論，發(fā)現(xiàn)薄層物料(如油漆涂層)紅外干燥適用于匹配吸收理論，而對(duì)于厚物料(如農(nóng)產(chǎn)物料、木材等)則適用于非匹配吸收理論。真空脈動(dòng)干燥中所使用的碳纖維紅外加熱板發(fā)熱溫度小于100℃，紅外波長(zhǎng)范圍5～15 μm，有效避開(kāi)了大部分農(nóng)產(chǎn)物料的表面吸收區(qū)，輻射源輻射到物料的能量在不同深度幾乎被全部吸收?；诜瞧ヅ湮绽碚摚ㄟ^(guò)控制干燥環(huán)境中輻射強(qiáng)度均勻性可以提高物料干燥均勻性。

相比于其他紅外加熱方式，碳纖維紅外加熱板的均勻性已有很大提高，但仍無(wú)法保證工業(yè)化批量生產(chǎn)時(shí)紅外加熱板的功率以及表面溫度完全相同。圖2為碳纖維加熱板表面紅外溫度，由圖2可以看出加熱板表面存在2～6℃的溫度差異。測(cè)量1～8號(hào)加熱板電阻分別為406.5、386.3、389.7、395.4、410.8、392.0、394.6、400.6 Ω，均值為397.0 Ω。由測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同加熱板電阻存在約5%的差異。面對(duì)以上差異，原有的加熱板溫度開(kāi)關(guān)控制方式存在很大缺陷，會(huì)造成較大的輻射強(qiáng)度差異，影響整體干燥均勻性。

圖2 加熱板表面溫度Fig.2 Temperature map of heating plate

針對(duì)流場(chǎng)影響問(wèn)題，真空脈動(dòng)干燥不可避免地會(huì)產(chǎn)生氣流變化，該氣流變化對(duì)整體干燥均勻性的影響尚無(wú)相關(guān)研究。雖然脈動(dòng)切換(抽氣和進(jìn)氣)階段相對(duì)于真空階段和常壓階段時(shí)間短暫，但氣流流動(dòng)迅速，對(duì)干燥室內(nèi)加熱板和物料會(huì)產(chǎn)生一定沖擊，沖擊過(guò)程強(qiáng)烈，且難以測(cè)量和控制。因此，通過(guò)改善流場(chǎng)均勻性提高干燥均勻性的方式較難實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，紅外加熱板的表面溫度差異和功率差異引起的輻射強(qiáng)度差異與流場(chǎng)影響是影響整體干燥均勻性的主要因素。在綜合考慮加熱板差異因素的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種加熱控制系統(tǒng)，使其能夠控制不同加熱板保持相同的輻射強(qiáng)度，在受到氣流沖擊干擾后能夠迅速恢復(fù)，減小氣流沖擊對(duì)均勻性的影響，實(shí)現(xiàn)提高整體干燥均勻性的目的。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

真空脈動(dòng)干燥裝置中的碳纖維加熱板尺寸為300 mm×500 mm，額定電壓為AC220V，額定輻射功率1.1 kW/m2，采用晶閘管驅(qū)動(dòng)。輻射功率的調(diào)整有調(diào)通斷比和調(diào)電壓兩種控制方式，分別對(duì)應(yīng)晶閘管的過(guò)零觸發(fā)和隨機(jī)觸發(fā)兩個(gè)工作方式。過(guò)零觸發(fā)即在每一次交流電壓零點(diǎn)時(shí)刻觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，在純電阻電路中電壓與電流同步，過(guò)零觸發(fā)不會(huì)產(chǎn)生電弧和電源波紋干擾。隨機(jī)觸發(fā)則可以在一個(gè)交流周期的任意時(shí)刻觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，可以實(shí)現(xiàn)任意功率和電壓的調(diào)整，導(dǎo)通時(shí)刻改變了完整的正弦信號(hào)，引入高頻干擾，會(huì)導(dǎo)致電源產(chǎn)生波紋，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。干燥室為全金屬密閉腔體，可視為法拉第籠，內(nèi)部的強(qiáng)電信號(hào)會(huì)加劇對(duì)控制電路的影響。雖然隨機(jī)觸發(fā)方式可以更好地控制加熱板的輸入電壓，實(shí)現(xiàn)更精確的控制，但考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文采用過(guò)零觸發(fā)方式設(shè)計(jì)控制電路。

干燥室內(nèi)部環(huán)境惡劣并且與外界隔離，因此，控制電路的安裝方式應(yīng)慎重考慮。若將控制電路安裝在干燥室外，傳感器連接線和加熱板控制線均需穿過(guò)干燥室的箱壁，穿墻線的數(shù)量隨加熱板數(shù)量的增加而增多，這既增加連接成本，又降低系統(tǒng)的可靠性，尤其在工程化應(yīng)用中加熱板數(shù)量增加到100～200片時(shí)，穿墻布線將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。若將控制電路安裝在干燥室內(nèi)，則需耐受干燥室內(nèi)高溫、高濕和真空等惡劣工況?？紤]到工程化應(yīng)用的需求，本文針對(duì)干燥室內(nèi)部惡劣工況進(jìn)行控制電路設(shè)計(jì)，使其能安裝在干燥室內(nèi)部。

結(jié)合干燥室的實(shí)際工況，控制電路應(yīng)能在溫度范圍20～100℃、相對(duì)濕度范圍0～100%、真空壓力3～101 kPa狀態(tài)下正常工作。為此，本文設(shè)計(jì)了強(qiáng)弱電分離控制方案，將整個(gè)控制電路分為弱電控制模塊和強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)模塊兩部分。雖然該方案增加了電路制作成本，但能減小電路中熱量聚集引起的局部過(guò)熱，又能減小強(qiáng)電部分對(duì)弱電電路的影響。硬件電路組成如圖3所示。

圖3 硬件電路組成結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of hardware circuit composition

溫度傳感器選用向日葵智能裝備有限公司生產(chǎn)的SFS125碳纖維加熱板專(zhuān)用測(cè)溫模塊，該模塊采用I2C總線協(xié)議，測(cè)量范圍0～125℃，識(shí)別測(cè)量精度0.125℃，利用導(dǎo)熱硅膠粘附在碳纖維加熱板表面，可以增大導(dǎo)熱面積減小響應(yīng)時(shí)間。溫度傳感器實(shí)物圖與安裝位置如圖4所示，實(shí)際測(cè)量溫度為加熱板傳感器安裝點(diǎn)的溫度。

圖4 傳感器與粘貼位置實(shí)物圖Fig.4 Pictures of sensor and assembly position

控制模塊電路以Microchip公司的微控制器PIC16F1947-E/PT為核心，該芯片正常工作溫度為-40～125℃，包含I2C總線接口、URAT接口、A/D轉(zhuǎn)換和多個(gè)定時(shí)器，完全滿足加熱板控制需求。通信電路選用Maxim公司的MAX13442ESA轉(zhuǎn)換芯片將微控制器的UART接口信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485信號(hào)，采用菊花鏈方式與觸摸屏通信，方便安裝和擴(kuò)展。

驅(qū)動(dòng)模塊中晶閘管選用NXP公司的BT138B-800E型雙向可控硅晶閘管，并采用帶零點(diǎn)檢測(cè)電路的TLP168J型光耦隔離器將強(qiáng)弱電信號(hào)隔離，有效提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。電路實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 硬件電路實(shí)物圖Fig.5 Assemble pictures of hardware 1.驅(qū)動(dòng)模塊 2.傳感器接口 3.控制模塊 4.傳感器連接線 5.電源和通信菊花鏈接口

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1控制算法設(shè)計(jì)

控制算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括3部分：使加熱板溫度穩(wěn)定在設(shè)定值；使所有加熱板的輻射強(qiáng)度相同，以保證各層物料的干燥速率一致；加熱板溫度在受到氣流干擾后能夠迅速恢復(fù)到設(shè)定值。為實(shí)現(xiàn)該控制目標(biāo)，本文對(duì)經(jīng)典PID控制算法進(jìn)行改進(jìn)。

PID算法在多層加熱控制中有兩種工作方式：各加熱板獨(dú)立控制，對(duì)每個(gè)加熱板都采用一個(gè)PID控制器，即獨(dú)立PID控制；所有加熱板整體控制，以全部加熱板的平均溫度為控制目標(biāo)，采用同一個(gè)PID控制器使所有加熱板同時(shí)動(dòng)作，即整體PID控制。由于加熱板表面溫度差異和不同加熱板阻值差異，此兩種工作方式在加熱板輻射強(qiáng)度均勻性控制方面均存在不足。

圖6 加熱板溫度直方圖Fig.6 Temperature histogram of heating plate

通過(guò)分析加熱板表面紅外溫度數(shù)據(jù)得到如圖6所示的溫度直方圖，由圖6發(fā)現(xiàn)加熱板表面溫度近似服從正態(tài)分布，說(shuō)明在相同控制溫度下加熱板的實(shí)際輻射強(qiáng)度也應(yīng)近似服從正態(tài)分布。以加熱板平均溫度為控制目標(biāo)，將加熱板溫度中不服從正態(tài)分布的離群點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立修正，對(duì)加熱板阻值差異采用功率修正系數(shù)調(diào)整實(shí)際輸出功率，來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱板輻射強(qiáng)度均勻性控制，具體控制流程如圖7所示。

圖7 PID控制流程圖Fig.7 Overall PID control workflow based on outlier optimization

為避免初始階段積分飽和現(xiàn)象，采用積分分離PID控制方式。計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中n——采樣序號(hào)

u(n)——第n次采樣時(shí)刻的系統(tǒng)輸出值

e(n)——第n次采樣時(shí)刻的偏差，℃

Kp——比例系數(shù)Ki——積分系數(shù)

Kd——微分系數(shù)

α1——積分分離下限值，℃

α2——積分分離上限值，℃

離群點(diǎn)檢測(cè)采用最大似然檢測(cè)方法[29]。最大化對(duì)數(shù)似然函數(shù)為

(3)

式中m——樣本總數(shù)μ——樣本均值

σ——樣本均方差

xi——第i個(gè)樣本點(diǎn)溫度，℃

式(3)中對(duì)μ和σ求導(dǎo)并對(duì)結(jié)果求解得到最大似然估計(jì)

(4)

(5)

由式(4)和式(5)可以求得各加熱板溫度分布的均值μ和均方差σ，若加熱板溫度在μ±3σ范圍外則認(rèn)為是離群點(diǎn)。識(shí)別到離群點(diǎn)后，將離群點(diǎn)加熱板的控制策略由整體PID控制改為獨(dú)立PID控制，并取與整體PID相同的控制參數(shù)，以該加熱板溫度與設(shè)定溫度差異作為控制偏差對(duì)加熱板進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整，將其修正到μ±3σ范圍內(nèi)。

針對(duì)加熱板阻值差異，對(duì)PID控制輸出結(jié)果進(jìn)行功率修正，功率修正系數(shù)基于各加熱板電阻進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法為

(6)

式中k——功率修正系數(shù)

Rav——所有加熱板電阻平均值，Ω

R——待修正加熱板電阻，Ω

1～8號(hào)加熱板功率修正系數(shù)計(jì)算結(jié)果分別為：1.024、0.973、0.982、0.996、1.035、0.987、0.994、1.009。

3.2.2參數(shù)整定

物料在干燥過(guò)程中由于水分大量散失，物料狀態(tài)發(fā)生較大變化，系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)也隨之變化，若只用一個(gè)PID參數(shù)進(jìn)行控制會(huì)造成控制精度下降。為此，本文對(duì)空載狀態(tài)和滿載狀態(tài)分別進(jìn)行參數(shù)整定，在干燥過(guò)程中檢測(cè)到控制精度下降后進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換。PID參數(shù)整定過(guò)程包含3部分：空載條件下的參數(shù)整定、滿載條件下的參數(shù)整定、積分分離上下限整定。

PID參數(shù)采用手工整定法進(jìn)行整定[30]，首先整定空載條件下的PID參數(shù)。令積分系數(shù)Ki=0，微分系數(shù)Kd=0，持續(xù)增大比例系數(shù)Kp，當(dāng)Kp=550時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)持續(xù)振蕩，振蕩周期約為9 s。此時(shí)將Kp減小到275，并以275為中心上下調(diào)整Kp值，以期產(chǎn)生25%幅值衰減特性的階躍響應(yīng)。當(dāng)Kp=300時(shí)出現(xiàn)幅值在一個(gè)振蕩周期內(nèi)下降到最大幅值的25%左右。取Kp=300，Ki=0，逐漸增大Kd值，隨著Kd值增大，超調(diào)量逐漸減小，調(diào)節(jié)時(shí)間逐漸減小，當(dāng)Kd值增大到50以后系統(tǒng)又開(kāi)始出現(xiàn)振蕩；取Kp=300，Kd=0，逐漸增大Ki，并觀察隨著Ki值增大，調(diào)節(jié)時(shí)間增加和超調(diào)量的變化情況。綜合考慮超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間最終取Kp=300，Ki=32，Kd=1 000。滿載條件下的PID參數(shù)采用同樣的方法整定，得到參數(shù)為Kp=450，Ki=35，Kd=1 200。

積分分離上下限整定時(shí)發(fā)現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象只出現(xiàn)在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，在干燥過(guò)程中目標(biāo)溫度調(diào)整范圍較小不會(huì)發(fā)生積分飽和。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將積分分離上下限設(shè)置為10℃時(shí)可以避免積分飽和現(xiàn)象。

3.2.3微控制器和觸摸屏程序設(shè)計(jì)

微控制器在工作過(guò)程中主要作用是讀取傳感器溫度、響應(yīng)觸摸屏指令和控制加熱板輸出。系統(tǒng)啟動(dòng)后微控制器首先完成自檢和初始化，然后依次獲取各加熱板的溫度，并向觸摸屏上傳各溫度數(shù)據(jù)，在獲得觸摸屏發(fā)出的啟動(dòng)指令和目標(biāo)溫度后，按照設(shè)定工作模式控制加熱板工作。

觸摸屏程序包括監(jiān)控界面和后臺(tái)宏指令程序。監(jiān)控界面包括曲線顯示界面和加熱板工作參數(shù)設(shè)置界面兩部分，如圖8所示。加熱板控制宏指令程序包括設(shè)置參數(shù)讀取、與下位機(jī)通信、3種控制方式下的PID輸出運(yùn)算等。

圖8 觸摸屏監(jiān)控界面Fig.8 HMI monitoring interfaces

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 材料與方法

4.1.1試驗(yàn)材料

為避免物料因素(結(jié)構(gòu)和含水率差異)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，采用自制的厚度為1 mm、直徑為33 mm的圓形面片作為試驗(yàn)原料，面片初始濕基含水率(39.4±0.3)%。

4.1.2試驗(yàn)安排與試驗(yàn)儀器

為驗(yàn)證離群點(diǎn)優(yōu)化PID控制的控制效果，將離群點(diǎn)優(yōu)化PID控制、獨(dú)立PID控制和整體PID控制3種控制方式進(jìn)行對(duì)比。為驗(yàn)證控制系統(tǒng)在不同進(jìn)氣擾動(dòng)下的控制效果，進(jìn)氣擾動(dòng)因素取進(jìn)氣溫度為常溫20℃和高溫65℃進(jìn)行試驗(yàn)研究。為探究均勻性變化規(guī)律，在試驗(yàn)過(guò)程中每2個(gè)脈動(dòng)循環(huán)取出物料進(jìn)行稱(chēng)量。最后，對(duì)離群點(diǎn)優(yōu)化PID控制在兩個(gè)進(jìn)氣溫度下進(jìn)行不稱(chēng)量重復(fù)試驗(yàn)。具體試驗(yàn)安排如表1所示。

表1 試驗(yàn)安排Tab.1 Experiment arrangement

試驗(yàn)時(shí)將面片按6行12列方式均勻平鋪在料盤(pán)上(圖9)依次放入干燥室，每次試驗(yàn)共7盤(pán)。工藝參數(shù)設(shè)置為：加熱板控制溫度65℃，真空時(shí)間5 min，常壓時(shí)間3 min，干燥至平均濕基含水率小于10%時(shí)結(jié)束。每次試驗(yàn)結(jié)束后，將各料盤(pán)物料移至鋁盒中放入電熱鼓風(fēng)干燥箱，在105℃條件下干燥至質(zhì)量恒定，得到干物質(zhì)質(zhì)量[31]。

圖9 面片排盤(pán)示意圖Fig.9 Diagrammatic drawing of facets arrangement

試驗(yàn)儀器：物料含水率使用DHG-9140A型電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科技有限公司)進(jìn)行測(cè)量，干燥過(guò)程中物料質(zhì)量使用JA31002型電子天平(量程3 100 g，精度0.01 g，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司)進(jìn)行測(cè)量。

4.1.3參數(shù)計(jì)算方法

干燥過(guò)程中面片的含水率用干基含水率M來(lái)表示[6]，公式為

(7)

式中M0——物料干物質(zhì)質(zhì)量，g

Mt——干燥t時(shí)刻的物料質(zhì)量，g

干燥均勻性采用含水率均勻度K進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中K值越接近100%均勻性越好，反之越差，公式[17]為

(8)

Δx——所有料盤(pán)面片干基含水率均方差

4.2 結(jié)果與分析

4.2.1不同PID控制算法下控制效果分析

獨(dú)立PID控制、整體PID控制和離群點(diǎn)優(yōu)化PID控制3種控制方式下加熱板溫度和實(shí)際功率變化曲線分別如圖10～12所示。

由圖10a～12a可以發(fā)現(xiàn)，在3種控制方式下，各加熱板平均溫度均無(wú)超調(diào)現(xiàn)象，獨(dú)立PID控制調(diào)節(jié)時(shí)間約為180 s，整體PID控制和離群點(diǎn)優(yōu)化整體PID控制調(diào)節(jié)時(shí)間約120 s，穩(wěn)定后控制精度±0.8℃，PID參數(shù)調(diào)整前后控制精度無(wú)明顯變化。

由圖10可看出，獨(dú)立PID控制雖然可以保證各加熱板測(cè)量點(diǎn)溫度幾乎相同，但加熱板實(shí)際功率卻存在較大差異。由圖11可知，在整體PID控制時(shí)各加熱板實(shí)際功率相同，然而加熱板溫度卻存在明顯差異，其中8號(hào)加熱板出現(xiàn)離群現(xiàn)象。如圖12所示，離群點(diǎn)優(yōu)化PID控制既可以實(shí)現(xiàn)各加熱板溫度維持在設(shè)定值附近，又使加熱板實(shí)際功率無(wú)明顯差異，并且在受到氣流沖擊干擾后加熱板溫度變化小于整體PID控制，各加熱板平均溫度能夠迅速恢復(fù)到設(shè)定值，加熱板輻射功率幾乎沒(méi)有受到影響，說(shuō)明該控制算法可以控制不同加熱板維持相同的輻射強(qiáng)度，受到干擾后可以迅速恢復(fù)。

圖10 獨(dú)立PID控制下加熱板溫度和輻射功率 變化曲線Fig.10 Changing curves of temperature and actual power of heating plate controlled by independent PID

圖11 整體PID控制下加熱板溫度和輻射功率 變化曲線Fig.11 Changing curves of temperature and actual power of heating plate controlled by integral PID

圖12 離群點(diǎn)優(yōu)化PID控制下加熱板溫度和輻射功率 變化曲線Fig.12 Changing curves of temperature and actual power of heating plate controlled by integral PID of outlier point optimization

圖13 不同進(jìn)氣溫度和不同控制方式下面片干燥 過(guò)程均勻度變化曲線Fig.13 Uniformity changing curves of sheet drying process under different inlet temperature and different control modes

4.2.2不同控制方式和進(jìn)氣溫度對(duì)干燥均勻性的影響

干燥過(guò)程中均勻度變化曲線如圖13(圖中橫坐標(biāo)為以2為底的對(duì)數(shù)坐標(biāo))所示，由圖13可知，在不同進(jìn)氣溫度下均勻度從大到小表現(xiàn)為離群點(diǎn)優(yōu)化PID控制、獨(dú)立PID控制、整體PID控制，其中離群點(diǎn)優(yōu)化PID控制的均勻性明顯好于其他兩種控制方式。

在兩種進(jìn)氣溫度的進(jìn)氣擾動(dòng)下干燥均勻度呈現(xiàn)了不同的變化規(guī)律，在20℃進(jìn)氣時(shí)的干燥均勻性?xún)?yōu)于65℃進(jìn)氣，但在兩種進(jìn)氣溫度擾動(dòng)下離群點(diǎn)優(yōu)化PID控制下的均勻性均優(yōu)于其他控制方式。說(shuō)明離群點(diǎn)優(yōu)化PID控制可以提高整體干燥均勻性，在受到進(jìn)氣干擾后仍然能維持較好的控制效果。

4.2.3不同進(jìn)氣溫度干擾下離群點(diǎn)優(yōu)化PID控制效果

進(jìn)氣溫度為20℃時(shí)，干燥終了整體均勻度為96.4%，65℃時(shí)整體均勻度為95%。雖然進(jìn)氣溫度變化對(duì)最終干燥均勻性產(chǎn)生了一定影響，但兩者的整體干燥均勻度均處于較優(yōu)水平。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了過(guò)零觸發(fā)方式的加熱板控制電路，將強(qiáng)電部分和弱電部分獨(dú)立設(shè)計(jì)，減小干燥室內(nèi)高溫、高濕惡劣環(huán)境的影響，采用菊花鏈連接方式方便擴(kuò)展和安裝。

(2)將離群點(diǎn)檢測(cè)算法和積分分離PID控制算法相結(jié)合，可以有效解決加熱板表面溫度差異和加熱板電阻值差異引起的輻射強(qiáng)度不均勻問(wèn)題，并能降低氣流沖擊干擾對(duì)均勻性的影響，面片干燥均勻度由90%左右提高到95%以上，整體干燥均勻性的提高為真空脈動(dòng)干燥裝備大型化發(fā)展和智能控制奠定了基礎(chǔ)。