基于干擾觀測器PID茶飲生產(chǎn)的溫度穩(wěn)定控制

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)過程中，對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)，為了萃取時溫度穩(wěn)定，傳統(tǒng)的PID 控制策略使用較廣泛，但萃取時總是達不到理想的狀態(tài)，控制過程中屢屢出現(xiàn)超調(diào)量大，收斂時間長、不穩(wěn)定的缺點[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，是非線性系統(tǒng)，未知變量也較多等特點，故對萃取罐的各種控制舉措也層出不窮。針對萃取罐存在的未知變量，文獻[4]構(gòu)造了雙線性狀態(tài)空間系統(tǒng)的狀態(tài)觀測器，有效的抑制了噪聲；由于萃取罐溫度加熱不均勻，文獻[5]設(shè)計一種大容量分層輻射微波萃取裝置，解決了該問題；文獻[6]通過利用萃取液回收單元,實現(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值。文獻[7]通過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。針對鐠/釹(Pr/Nd)萃取過程元素組分含量難以在線實時檢測的現(xiàn)狀，文獻[8]引入加權(quán)相似度準(zhǔn)則和局部模型更新策略,提出一種基于改進即時學(xué)習(xí)算法，結(jié)果表明該算法具有精度高、實時性好等優(yōu)點。文獻[9]利用超聲輔助固相技術(shù)，解決了固相萃取技術(shù)無法低濃度復(fù)雜體系的高效精準(zhǔn)和可控分離的現(xiàn)狀。文獻[10]通過建立萃取過程模擬的Elman 網(wǎng)絡(luò)模型，保障產(chǎn)品所需純度。文獻[11]通過對萃取精餾的節(jié)能設(shè)計，在擾動情況下，萃取效果依然能快速恢復(fù)到擾動前水平。

為了能緩解茶飲業(yè)萃取不穩(wěn)定的情況，本文在設(shè)計觀測器罐數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了基于干擾觀測器補償?shù)腜ID 控制系統(tǒng)的仿真模型，并對基于干擾觀測器PID 算法和傳統(tǒng)PID 算法分別進行了溫度控制仿真實驗，結(jié)果驗證基于干擾觀測器PID 算法對萃取罐溫度控制更有效，由于干擾觀測器跟蹤干擾并及時補償[12]，使整個系統(tǒng)收斂時間縮短、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、罐體過濾網(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

在制作茶飲過程中，萃取罐在進行萃取時，將茶飲制作（本次實驗所用的是菊花）所需的原料放置在罐內(nèi)水中進行攪拌萃取，同時通過罐體夾層（內(nèi)通蒸汽）進行加溫，溫度達到一定值時，萃取一段時間。當(dāng)萃取完成后，萃取液通過管道引出，殘渣由過濾網(wǎng)截留、清除。整個萃取的溫度可以通過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決定。

2 觀測器設(shè)計

設(shè)計觀測器為：

首先對觀測器的穩(wěn)定性進行分析：

定義Lyapunov 函數(shù)為：

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

通過采用觀測器對d 項進行有效的觀測，從而實現(xiàn)補償[5]。加入補償后的控制律為：

其中u0為PID 控制。

3 基于干擾觀測器PID萃取罐溫度控制設(shè)計

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

由圖2 知基于干擾觀測器PID 溫度控制原理：首先由設(shè)定值x 與輸出值y 進行減運算，得到的偏差進入控制器經(jīng)過PID 算法，輸出值u；觀測器模塊跟蹤被控制對象狀態(tài)的輸出信號，然后進行總擾動進行估計，其中Z1 是總擾動的估計，Z2 是Z1 補償u 后的總值。最后觀測器的總估計補償PID 控制器的輸出，從而對被控對象萃取罐的溫度進行控制。

圖2：基于干擾觀測器PID 萃取罐溫度控制框圖

4 基于干擾觀測器萃取罐溫度控制硬件布局

依據(jù)干擾觀測器PID 萃取罐溫度控制設(shè)計，對現(xiàn)實中的萃取罐溫度控制進行硬件布局，如圖3 所示。

圖3：基于干擾觀測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器的PID 控制程序的PLC模塊。首先溫度檢測器采集萃取罐的溫度，測量值通過PLC 控制程序運算后，輸出值來控制冷水閥門的開度大小，從而控制萃取罐溫度的高低。

5 仿真實驗分析

在Matlab 仿真軟件平臺上。為了驗證基于干擾觀測器PID 控制效果，利用軟件平臺上的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器的PID 萃取罐溫度控制系統(tǒng)的仿真模型。進行了兩組對比實驗，對比試驗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器PID 控制；對比實驗2 是PID 最優(yōu)控制與基于干擾觀測器PID 控制，仿真結(jié)果如下。

圖4 為了驗證干擾觀測器的抗干擾功能，和干擾觀測器PID 的調(diào)節(jié)能力，因此圖4 中的a，和b 實驗中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)相同對比（第1 組對比）

第一組對比實驗仿真實驗結(jié)果表明：

（1）從圖4 中的a 和b 圖可知，在收斂過程中，基于干擾觀測器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)添加干擾和負載時，因觀測器對干擾的補償，故基于干擾觀測器的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，穩(wěn)定性更好，魯棒性更高。

（3）基于干擾觀測器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）觀測器對擾動具有跟蹤作用，彌補了傳統(tǒng)PID 控制的缺點，使干擾補償更為準(zhǔn)確，增強烈系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。

在第二組對比仿真實驗中，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器的PID 參數(shù)控制。由第二組對比實驗得出表1 結(jié)果。

表1：第二組對比仿真結(jié)果表

圖5：PID 最優(yōu)控制與基于干擾觀測器PID 控制對比（第2 組對比）

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、收斂時間、超調(diào)量仍比基于干擾觀測器PID控制的效果差。據(jù)此進一步說明基于干擾觀測器的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、溫度收斂時間長，在傳統(tǒng)PID 控制器基礎(chǔ)上設(shè)計了觀測器與PID 控制器相結(jié)合的仿真模型，并對它們做了對比實驗，實驗表明基于干擾觀測器的PID 萃取瓶溫度控制系統(tǒng)具有較強的魯棒性，收斂性以及抗干擾性。

在實際生產(chǎn)中，會存在一些不確定干擾、不可測的干擾。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。在實際使用時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境首先調(diào)節(jié)PID 參數(shù)，再取增加干擾觀測器，對于干擾觀測器參數(shù)改變幅度范圍不能過大，以免影響生產(chǎn)。