基于參數(shù)自調(diào)整模糊PID算法的飼料膨化機(jī)控制仿真分析

蘆螢螢

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州 253000）

飼料膨化機(jī)主要應(yīng)用于食品膨化、膨化單一原料 和畜禽飼料膨化，可以預(yù)處理植物油脂等，在各種類型的飼料廠都具有廣泛的應(yīng)用。飼料膨化機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、便于操作和維修方便的優(yōu)勢(shì)。飼料膨化機(jī)對(duì)飼料進(jìn)行擠壓膨化，可以提高加工后的飼料在動(dòng)物體內(nèi)的消化率。飼料膨化機(jī)的膨化率對(duì)于飼料的膨化質(zhì)量具有非常大的影響，而溫度是飼料膨化機(jī)的重要性能參數(shù)，溫度不能過(guò)大，否則飼料將產(chǎn)生降解和焦化，同時(shí)溫度也不宜過(guò)低，這樣就無(wú)法達(dá)到預(yù)計(jì)的膨化效果。因此，對(duì)膨化機(jī)進(jìn)行溫度控制對(duì)于飼料的膨化效果的影響是非常關(guān)鍵的。采用傳統(tǒng)的PID控制算法對(duì)飼料膨化機(jī)進(jìn)行控制，在實(shí)際的控制過(guò)程中，會(huì)受到許多不確定因素的影響，因此會(huì)產(chǎn)生較大的系統(tǒng)控制誤差，在動(dòng)態(tài)性能不能獲得比較理想的效果，不能獲得較好的控制效果。針對(duì)以上缺陷，利用模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制算法對(duì)飼料膨化機(jī)的溫度進(jìn)行控制，可以提高控制的實(shí)時(shí)性和可靠性，具有較好的控制精度，因此，可以滿足飼料膨化機(jī)的工作要求。

1 飼料膨化機(jī)溫度控制的基本要求

膨化機(jī)的基本工作原理是利用螺桿為顆粒狀的飼料提供推力，向前擠壓飼料，使飼料進(jìn)行充分地混合和攪拌，在飼料混合的過(guò)程中，溫度和壓力不斷升高，飼料從?？妆粩D出的瞬間，飼料的溫度突然降低，飼料的體積將增大幾十倍。飼料膨化機(jī)在飼料加工的過(guò)程中，輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)具有非常復(fù)雜的變化，呈現(xiàn)非線性的特點(diǎn)。飼料膨化機(jī)料筒溫度是整機(jī)工作效率的重要影響參數(shù)，因此必須進(jìn)行有效的控制，從而能夠提高飼料產(chǎn)品的質(zhì)量。

溫度產(chǎn)生的主要原因?yàn)橥饧訜崞鞯募訜帷暳虾吐輻U與膨化機(jī)筒的摩擦。溫度的改變有很多影響因素，比如，螺桿的扭矩、飼料的變化、膨化機(jī)筒內(nèi)飼料所承受的壓力、飼料含水量、摩擦系數(shù)。以上這些因素產(chǎn)生變化時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致溫度的上升或者下降。其中飼料的含水量發(fā)生改變時(shí)，飼料和螺桿與膨化機(jī)筒之間將產(chǎn)生較大的摩擦熱，從而導(dǎo)致熱量損失的增加或降低。溫度的有效控制不僅關(guān)系到飼料膨化機(jī)的可靠性、生產(chǎn)效率以及使用壽命，而且影響著飼料品質(zhì)的提升，因此，對(duì)飼料膨化機(jī)的溫度控制提出了較高的要求。

2 飼料膨化機(jī)溫度模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制的基本思想

PID控制器屬于線性控制器，控制偏差可以表示為如下的形式：

式中：R（t）表示控制系統(tǒng)的溫度給定值，Y（t）表示控制系統(tǒng)的溫度實(shí)際輸出值。

PID控制算法的數(shù)學(xué)模型如下所示：

式中：s表示序列，s=0，1，2，…；x（s）表示控制系統(tǒng)的輸出值；EC（s）表示輸出偏差的改變量，EC（s）=E（s）-E(s-1)]；E(s)表示控制系統(tǒng)輸入的偏差大小；Kp表示PID控制系統(tǒng)的比例因子；K1表示控制系統(tǒng)的積分因子；KD表示控制系統(tǒng)的微分因子。

將模糊理論和傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合可以獲得模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制器，比例因子Kp、積分因子K1和微分因子KD可以表示為偏差｜E｜和偏差變化量｜EC｜的函數(shù)，函數(shù)的形式如下所示：

飼料膨化機(jī)溫度控制的模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制基本原理如圖1所示。

根據(jù)飼料膨化機(jī)的實(shí)際，建立其溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，可以表示為如下的形式：

3 飼料膨化機(jī)溫度模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制器的輸入和輸出

設(shè)飼料膨化機(jī)溫度控制的模糊參數(shù)自調(diào)整PID的參數(shù)自調(diào)整，結(jié)合偏差｜E｜和偏差變化量｜EC｜和模糊理論，提出比例積分ΔKP、ΔKI和ΔKD的模糊控制規(guī)則，模糊論域取為[-5，5]，可以劃分為7個(gè)等級(jí)，分別表示為 {PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}，PB 表示正大，PM表示正中，PS表示正小，ZO表示零，NS負(fù)小，NM表示負(fù)中，NB表示負(fù)大。模糊控制表分別見表1、表2和表3。

根據(jù)飼料膨化機(jī)溫度控制系統(tǒng)的實(shí)際，設(shè)計(jì)出如下形式的控制規(guī)則：

通過(guò)對(duì)上述模糊控制規(guī)則進(jìn)行整理可以獲得模糊控制邏輯運(yùn)算表。

表1 ΔKP模糊控制規(guī)則

表2 ΔKI模糊控制規(guī)則

表3 ΔKD模糊控制規(guī)則

模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制器利用加權(quán)平均值的方法獲得輸出量的值，主要操作方法如下：

①求解出模糊推理結(jié)果中所有元素的重心元素；

②經(jīng)過(guò)模糊化重心元素后可以獲得相應(yīng)的精確值，可以利用如下的公式進(jìn)行計(jì)算：

其中，U*表示精確解；λ（i）表示 ΔKP、ΔKI以及 ΔKD的隸屬度函數(shù)，n表示輸出元素的數(shù)量。

對(duì)精確量進(jìn)行整定可以獲得整定值ΔKP、ΔKI、ΔKD，模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制器的輸入?yún)?shù)利用如下的方程進(jìn)行計(jì)算：

式中，KP0、KI0、KD0分別表示比例因子KP、積分因子KI和微分因子KD的初始值。

4 飼料膨化機(jī)溫度控制的仿真實(shí)驗(yàn)研究

利用模糊PID控制器對(duì)飼料膨化機(jī)進(jìn)行溫度控制仿真分析，模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制器的初始參數(shù)分別為：ΔKP=35、ΔKI=0.50、ΔKD=0.002。為了能夠驗(yàn)證模糊自PID控制系統(tǒng)的有效性，同時(shí)也利用傳統(tǒng)PID控制器對(duì)相同的飼料膨化機(jī)進(jìn)行了控制仿真，所選取的參數(shù)取值如下：ΔKP=5、ΔKI=0.06、ΔKD=6.5。仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，利用傳統(tǒng)PID控制器進(jìn)行飼料膨化機(jī)溫度控制的仿真結(jié)果具有大的超調(diào)量，溫度控制進(jìn)行穩(wěn)定的時(shí)間比較長(zhǎng)，不具備較好的控制可靠性；而利用模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制器對(duì)膨化機(jī)進(jìn)行溫度控制仿真，超調(diào)量明顯減少，而且溫度控制系統(tǒng)很快地進(jìn)入了穩(wěn)定狀態(tài)，因此，模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制器具有較好的可靠性，控制精度得到了較大的改善。

5 小結(jié)

模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制技術(shù)具有魯棒性強(qiáng)、調(diào)節(jié)速度快、易于實(shí)現(xiàn)、控制穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)，利用模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制器對(duì)飼料膨化進(jìn)行溫度控制能夠有效地提高膨化機(jī)溫度控制的精度，從而提高飼料加工的質(zhì)量。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制器相對(duì)于傳統(tǒng)PID控制技術(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性，超調(diào)量降低，系統(tǒng)響應(yīng)的速度加快，進(jìn)而驗(yàn)證了該控制方法的有效性。

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