基于模糊免疫PID的飼料加工試驗(yàn)機(jī)溫度控制研究

■吳勇 趙勇 黃堃

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214121）

顆粒飼料的加工一般是經(jīng)過(guò)蒸汽調(diào)質(zhì)后，再進(jìn)行制粒。調(diào)質(zhì)溫度對(duì)顆粒飼料的加工效果具有非常重要的影響。調(diào)質(zhì)溫度增加，將促進(jìn)顆粒飼料蛋白質(zhì)的變性以及淀粉的糊化，但是過(guò)高的調(diào)質(zhì)溫度將導(dǎo)致飼料蛋白質(zhì)、酶制劑以及維生素的利用率降低，不利于動(dòng)物的吸收，因此，在飼料加工過(guò)程中應(yīng)該對(duì)試驗(yàn)機(jī)的調(diào)質(zhì)溫度進(jìn)行有效地控制，從而能夠獲得一個(gè)適宜的調(diào)質(zhì)溫度，提高飼料的利用率，選擇一種有效的控制技術(shù)對(duì)飼料加工試驗(yàn)機(jī)的溫度進(jìn)行控制，對(duì)于顆粒飼料加工質(zhì)量的提高具有非常重要的作用[1]。

飼料加工試驗(yàn)機(jī)的溫度控制屬于一個(gè)大滯后、大慣性、非線性的系統(tǒng)，利用傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)對(duì)其進(jìn)行控制，控制效率比較低，超調(diào)量較大，無(wú)法獲得較好的控制效果。目前，將模糊免疫PID控制技術(shù)引入飼料加工試驗(yàn)機(jī)的控制研究還未見(jiàn)報(bào)道，傳統(tǒng)的模糊PID控制器控制精度比較欠缺，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。近年來(lái)，控制理論的水平不斷提高，控制技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，免疫算法的理論體系不斷完善，并且在很多工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了非常廣泛地應(yīng)用。筆者通過(guò)構(gòu)建模糊免疫PID控制器對(duì)飼料加工試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行自適應(yīng)地控制，并且進(jìn)行了相應(yīng)的仿真試驗(yàn)，使得系統(tǒng)可以在較短時(shí)間里達(dá)到穩(wěn)態(tài)，減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的抗擾能力。

1 飼料加工試驗(yàn)機(jī)的工藝流程及基本指標(biāo)

顆粒飼料的工藝流程如圖1所示。

圖1 顆粒飼料的制備工藝流程

調(diào)質(zhì)溫度可以通過(guò)控制喂料速率以及蒸汽量加以控制，在調(diào)質(zhì)器上安裝溫度傳感器可以測(cè)試相應(yīng)的調(diào)質(zhì)溫度。

顆粒飼料的主要加工工藝參數(shù)包括：

1.1 淀粉糊化度

淀粉糊化度可以利用簡(jiǎn)易酶法測(cè)定，經(jīng)過(guò)加熱將飼料制備成全糊化試樣，接著通過(guò)酶解、沉淀過(guò)濾。然后通過(guò)斐林試劑實(shí)現(xiàn)顯色，對(duì)吸光度進(jìn)行測(cè)定，最后，可以根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出淀粉糊化度。

1.2 飼料顆粒的耐久性

顆粒耐久性可以體現(xiàn)飼料加工質(zhì)量的好壞，顆粒耐久性越好，飼料的質(zhì)量越好。飼料顆粒的耐久性可以通過(guò)耐久性裝置進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果按照如下的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Dk表示飼料顆粒的耐久度；G1表示經(jīng)過(guò)耐久性裝置翻轉(zhuǎn)后的顆粒飼料的質(zhì)量；G2表示經(jīng)過(guò)耐久性裝置翻轉(zhuǎn)前的顆粒飼料的質(zhì)量。

1.3 調(diào)質(zhì)溫度對(duì)顆粒飼料性能參數(shù)的影響

調(diào)質(zhì)溫度超過(guò)淀粉糊化溫度時(shí)，淀粉顆粒將吸水膨脹，最終破裂，有利于飼料顆粒的粘結(jié)。調(diào)質(zhì)溫度越高，淀粉糊化度越大。

調(diào)質(zhì)溫度對(duì)顆粒飼料的耐久性也有較大的影響，調(diào)質(zhì)溫度越高，顆粒飼料的耐久性越好，從而能夠避免顆粒在運(yùn)輸和儲(chǔ)藏的過(guò)程產(chǎn)生浪費(fèi)。

2 模糊免疫PID控制的基本原理

2.1 免疫PID控制的基本原理

傳統(tǒng)的PID控制的離散數(shù)學(xué)模型如下所示：

式中，Kp、Ki、Kd分別表示比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。

免疫PID控制主要是應(yīng)用免疫控制的免疫反饋機(jī)理組成具有反饋?zhàn)饔貌⑶铱梢砸罁?jù)控制器的輸出進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的比例系數(shù)，取代增量式PID的固定式比例系數(shù)kp，進(jìn)而能夠自適應(yīng)地調(diào)節(jié)控制器輸出。人體免疫體系的工作原理是使抗體迅速地入侵抗原，并且阻止抗體濃度較大對(duì)生物體造成的傷害。免疫系統(tǒng)的淋巴結(jié)存儲(chǔ)免疫B細(xì)胞和T細(xì)胞，當(dāng)抗原侵入機(jī)體后信息被傳輸給T細(xì)胞，接著，T細(xì)胞通過(guò)對(duì)B細(xì)胞的刺激形成相應(yīng)的抗體從而可以使抗原消失。T細(xì)胞內(nèi)包括輔助細(xì)胞TH以及抑制細(xì)胞TS，TH細(xì)胞和TS細(xì)胞彼此抑制，TH細(xì)胞正比于抗原信息，同時(shí)形成B細(xì)胞的抗體，TS細(xì)胞限制B細(xì)胞抗體的形成。在初始階段，抗原非常多，TH細(xì)胞也比較多，從而使B細(xì)胞形成過(guò)多的抗體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)抗原進(jìn)行抵制的作用；在抗原縮減的情況下，TS細(xì)胞隨之增加，TH細(xì)胞的形成受到限制，因此B細(xì)胞產(chǎn)生的抗體也將縮減。細(xì)胞處于彼此競(jìng)爭(zhēng)的狀態(tài)，從而使得整個(gè)系統(tǒng)處于重新的平衡狀態(tài)。模糊免疫PID控制器的輸入和輸出分別為7個(gè)，由于輸入和輸出語(yǔ)言變量的增加，免疫抑制系數(shù)能夠得到優(yōu)化。第K代的抗原個(gè)數(shù)利用ε(k)來(lái)表示，在抗原信息的影響下T細(xì)胞使輔助細(xì)胞TH輸出可以表示為如下的形式：

式中：k1表示激勵(lì)系數(shù)。

抑制細(xì)胞TS的輸出可以表示為如下的形式：

式中：k2表示抑制系數(shù)。

輔助細(xì)胞和抑制細(xì)胞共同作用使B細(xì)胞的輸出可以表示為如下的形式：

免疫PID控制器是基于免疫機(jī)理設(shè)計(jì)的非線性控制器，并且構(gòu)建了控制變量u(k)和誤差e(k)的非線性管理，相應(yīng)的PID控制器模型可以表示為如下的形式：

式中，K1表示控制反應(yīng)速度；λ表示控制穩(wěn)定性；h(·)表示非線性函數(shù)。

免疫PID控制器的輸出可以表示為如下的形式：

式中，Kp1=K1[ ]1-λh(u(k),Du(k))

2.2 模糊免疫PID控制的基本原理

通過(guò)模糊控制器對(duì)非線性函數(shù) f(·)進(jìn)行逼近，并且對(duì)控制精度以及運(yùn)算量進(jìn)行權(quán)衡，通過(guò)兩個(gè)模糊集對(duì)輸入量u(k)和Δu(k)進(jìn)行模糊化操作，分別為正和負(fù)，可以用P和N來(lái)表示。對(duì)于輸出函數(shù) f(·)，通過(guò)三個(gè)模糊集對(duì)其進(jìn)行模糊化運(yùn)算，分別為正、零和負(fù)，可以利用P，Z，N來(lái)表示。模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)原則如下：當(dāng)細(xì)胞受到較大刺激時(shí)，抑制能力比較小；當(dāng)細(xì)胞受到較小刺激時(shí)，抑制能力比較大。換句話說(shuō)就是：當(dāng)u(k)為正和Δu(k)為正的情況下，f(·)為負(fù)；當(dāng)u(k)為負(fù)和Δu(k)為負(fù)的情況下，f(·)為正；當(dāng) u(k)和 Δu(k)符號(hào)相反時(shí)，f(·)為零。

在模糊免疫PID控制器中，按照偏差e和偏差變化量Δe以及模糊理論，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)變化量ΔKp、積分系數(shù)變化量ΔKi和微分系數(shù)變化量ΔKd的模糊規(guī)則，論域的取值范圍為[-1，1]，選取7個(gè)模糊集，分別為：正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中和負(fù)大，可以分別表示為PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB。模糊規(guī)則分別見(jiàn)表1、表2和表3。

表1 ΔKp模糊控制規(guī)則

表3 ΔKd模糊控制規(guī)則

通過(guò)精確量的整定運(yùn)算可以獲得整定值ΔKp、ΔKi、ΔKd，模糊免疫PID控制器的輸入?yún)?shù)根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Kp0表示比例系數(shù)Kp的初值、Ki0表示積分系數(shù)Ki的初值、Kd0表示微分系數(shù)Kd的初值。

3 基于模糊免疫PID的飼料加工試驗(yàn)機(jī)的控制仿真分析

3.1 飼料加工試驗(yàn)機(jī)控制的基本原理

飼料加工試驗(yàn)機(jī)可以進(jìn)行飼料的自動(dòng)加工。首先，啟動(dòng)加熱器進(jìn)行預(yù)加熱，給飼料加工試驗(yàn)機(jī)加熱，直到自停。然后，溫度降低后進(jìn)行自動(dòng)加熱，啟動(dòng)油泵，經(jīng)過(guò)2 min后啟動(dòng)主機(jī)，經(jīng)過(guò)4 min左右機(jī)頭開(kāi)始出料，接著，將主電機(jī)和喂料電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加到預(yù)先設(shè)定的值，接下來(lái)，使主電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，最后停機(jī)。

3.2 仿真分析

以肉雞顆粒飼料的加工為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)飼料加工的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，其適宜的調(diào)質(zhì)溫度為90℃，利用模糊免疫PID技術(shù)對(duì)其進(jìn)行控制，模糊免疫PID控制器的參數(shù)設(shè)置為：k1=1.25,k2=1.14,K1=1.42,Kp=0.20,Ki=0.05,Kd=0.10。為了能夠驗(yàn)證該方法的有效性，同時(shí)也利用模糊PID控制技術(shù)對(duì)其進(jìn)行控制仿真分析，PID的基本參數(shù)設(shè)置和模糊免疫PID相同?？刂品抡娉绦蚶肕ATLAB軟件編制而成，仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 飼料加工試驗(yàn)機(jī)調(diào)質(zhì)溫度控制仿真結(jié)果

從圖1的仿真結(jié)果可以看出，模糊免疫PID控制技術(shù)和模糊PID控制技術(shù)相比具有更好的控制效果，前者響應(yīng)速度比較快，而且超調(diào)量也比較小，因此，更有利于提高顆粒飼料的加工質(zhì)量，飼料加工試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，飼料的淀粉糊化度和耐久性均得到了提高，進(jìn)而能夠提高飼料加工的品質(zhì)。

4 結(jié)論

將模糊免疫PID控制技術(shù)應(yīng)用于顆粒飼料的加工試驗(yàn)機(jī)的調(diào)質(zhì)溫度控制中，能夠有效地提高顆粒飼料的性能，保證顆粒飼料加工質(zhì)量的提升，從而能夠提高顆粒飼料加工試驗(yàn)機(jī)的加工自動(dòng)化程度，對(duì)顆粒飼料加工的性能參數(shù)進(jìn)行精度地控制。仿真結(jié)果表明該控制技術(shù)具有較好的控制穩(wěn)定性，能夠提高顆粒飼料加工試驗(yàn)機(jī)的工作效率，提高顆粒飼料的加工質(zhì)量。