基于模糊PID在餅干生產(chǎn)線溫度控制的研究

鄉(xiāng)碧云，皮云云

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山 528333）

0 引言

餅干生產(chǎn)線各類型中，用電代替柴油是理念上的突破，成功應(yīng)用電爐可以減少排放廢氣，節(jié)能環(huán)保。

餅干生產(chǎn)線烤爐部分屬于爐具中的烘烤設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，是一種新型的、現(xiàn)代工業(yè)常見的燒烤爐。其上端開有燒烤口的爐腔，且爐腔兩側(cè)的內(nèi)壁上固定有燒烤熱源和支撐該熱源的支架。在爐腔的外側(cè)上部固定有金屬板，并與爐體構(gòu)成火鍋。該烤爐的火源固定于爐腔內(nèi)壁的上、下端，可根據(jù)用戶餅干工藝要求，對各設(shè)備組合，均能達(dá)到理想效果，適合酥性、韌性、夾層餅、雙色餅、蘇打餅、薄餅、超薄餅等各種餅干的生產(chǎn)，可充分滿足客戶的需求。

餅干生產(chǎn)線上由于爐網(wǎng)帶在工作當(dāng)中受熱，溫度很高，所以輸送帶與爐網(wǎng)帶的過渡處安裝了一個鐵片，也有利于餅干順利送到烤爐中。當(dāng)餅干送入到爐箱中時，爐箱中的發(fā)熱管就可以直接對餅干進(jìn)行加熱，其溫度的高低可以通過傳感器反饋信息到控制器，再由控制器做出調(diào)整，這樣就可以確保餅干的質(zhì)量。同時可以通過開關(guān)控制煙囪閉合的大小，這樣就能控制烘烤過程中產(chǎn)生的水份排放。如果爐網(wǎng)帶在傳輸過程中有疏松情況，就通過網(wǎng)帶糾編裝置進(jìn)行調(diào)整，從而提高生產(chǎn)效率。

從烤爐中出來的餅干再經(jīng)過出料部份進(jìn)行冷卻，最后包裝。在烤爐到出料部份裝有一個刮廢料裝置，此裝置不但起到過渡作用，還起到對爐網(wǎng)帶上的廢料進(jìn)行清除，以便下面的電機(jī)帶動毛刷徹底對網(wǎng)帶驅(qū)動軸的廢料清除作用。

1 烤爐溫度控制工藝

1.1 烤爐溫度控制要求

烤爐在餅干生產(chǎn)線中起到重要作用，餅干的味道除了配方外，還有重要的一點就是烤爐的好壞，烤爐的火候可以讓餅干香脆，也可以讓餅干柔韌。

（1）烤爐一區(qū)的爐火比二區(qū)的高，先讓餅干一下子受熱膨脹起來，這樣效果好。

（2）烤爐底火要比面火高，墊餅的鐵絲網(wǎng)需要吸熱。

（3）爐區(qū)溫度，面火及底火溫度由發(fā)熱管的密度控制，發(fā)熱管采用石英管發(fā)熱。

（4）烤爐發(fā)熱管密度可以用PWM使固態(tài)繼電器的通斷使部分發(fā)熱管不工作，從而實現(xiàn)溫度降低的效果。

（5）在發(fā)熱管與不銹鋼外殼之間的空間用石棉填充，實現(xiàn)保溫作用。

（6）煙囪的張開程度也非常考究，餅干在烘烤的過程中會散發(fā)出水分，這些水分需要通過煙囪排出，而煙囪在排水分時也會帶走大量的熱，所以煙囪的張開程度必須充分考慮水分和熱量的散發(fā)，才能達(dá)到最佳效果。

1.2 烤爐溫度控制方案

烤爐中的兩個溫區(qū)，4 個底面溫度控制，設(shè)置4路熱電偶模擬輸入對應(yīng)爐內(nèi)4個區(qū)域，當(dāng)爐內(nèi)溫度都達(dá)到120 ℃時，爐網(wǎng)驅(qū)動開始動作，烤爐一區(qū)的爐火設(shè)置的溫度值為300 ℃范圍（280 ℃～325 ℃）；二區(qū)設(shè)置的溫度值為210 ℃范圍（180 ℃～250 ℃）；當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到對應(yīng)區(qū)域上限位時，切斷對應(yīng)爐區(qū)的加熱管，讓爐內(nèi)溫度保持在一定范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)陀谠摲秶鷷r，接入對應(yīng)爐區(qū)的加熱管繼續(xù)加熱。

2 基于模糊規(guī)則的溫度控制

按照餅干生產(chǎn)線的溫度控制要求，第一溫區(qū)和第二溫區(qū)有溫差，而且兩個溫區(qū)的溫度值允許有一定的浮動范圍，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差性能要求不嚴(yán)格。這有利于控制算法的優(yōu)化與簡便。

溫度控制對象大多具有非線性、時變性、大滯后等特性，采用常規(guī)的PID 控制很難做到參數(shù)間的優(yōu)化組合，以至使控制響應(yīng)不能得到良好的動態(tài)效果。而模糊控制通過把專家的經(jīng)驗或手動操作人員長期積累的經(jīng)驗總結(jié)成的若干條規(guī)則，采用簡便、快捷、靈活的手段來完成那些用經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論難以完成的自動化和智能化的目標(biāo)。

但是模糊控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差，難以達(dá)到較高的控制精度，并且對于那些時變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)采用基于模糊規(guī)則的自適應(yīng)PID 控制時，為了獲得良好的控制效果，必須要求控制器具有較完善的控制規(guī)則，根據(jù)實際響應(yīng)情況，運用模糊推理，自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整。

2.1 溫度控制原理系統(tǒng)組成

溫度控制的目的就是將器件的工作溫度以一定的精度穩(wěn)定在一個較低的水平上，這樣一來就要求根據(jù)器件工作時的實際情況（如產(chǎn)熱量大小等）采取一定的措施，隨時將產(chǎn)生的熱量即時散掉，并且要求器件在單位時間里產(chǎn)生的熱量等于控制器在單位時間里吸收的熱量，若兩者達(dá)到動態(tài)平衡，則可以保持器件工作溫度的穩(wěn)定。

在控制系統(tǒng)中，首先將需要控制的被測參數(shù)（如溫度）由傳感器轉(zhuǎn)換成一定的信號后再與預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，把比較得到的差值信號經(jīng)過一定規(guī)律的計算后得到相應(yīng)的控制值，將控制量送給控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制，不斷循環(huán)進(jìn)行上述調(diào)節(jié)周期，從而達(dá)到自動調(diào)節(jié)的目的。圖1 為溫度控制系統(tǒng)的PLC控制原理框圖。

圖1 溫度控制系統(tǒng)的PLC控制原理框圖

上述溫度控制系統(tǒng)組成中，溫度傳感變送器獲得溫度的感應(yīng)電壓，轉(zhuǎn)變成1～5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，再由A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進(jìn)入PLC 內(nèi)部。PLC 將給定的溫度與測量溫度的相比較，得出偏差量，然后根據(jù)模糊控制算法得出控制量。執(zhí)行器由開關(guān)頻率較高的固態(tài)繼電器開關(guān)擔(dān)任，采用PWM輸出控制方式，改變固態(tài)繼電器電子開關(guān)的閉合時間，通過控制發(fā)熱管的發(fā)熱時間而達(dá)到控制溫度的目的。

其中，檢測爐溫的4 路熱電偶直接接入擴(kuò)展熱電偶模塊（如圖2）。

2.2 溫度控制決策

2.2.1 烤爐溫度控制規(guī)律

根據(jù)上述餅干線烤爐溫度控制要求，對于餅干線爐溫加熱系統(tǒng)的操作經(jīng)驗對爐溫的控制可以描述為：

圖2 溫度檢測模塊與控制器的連接

若爐溫過低，則加熱電壓調(diào)到最大檔；

若爐溫偏低，則加熱電壓調(diào)到中檔；

若爐溫稍低，則加熱電壓調(diào)到小檔；

若爐溫恰當(dāng)，則加熱電壓保持不變；

若爐溫稍高，則加熱電壓調(diào)到小檔；

若爐溫偏高，則加熱電壓調(diào)到最小檔；

若爐溫過高，且爐溫快速上升，則停止加熱。

這個決策過程并不是通過精確的定量計算，而是依靠定性或模糊的知識來實現(xiàn)的，因此，采用模仿人工智能化的模糊控制。在系統(tǒng)中引入模糊推理，構(gòu)成如圖3所示模糊模式控制原理圖[2]。

圖3 餅干生產(chǎn)線烤爐溫度模糊模式控制原理圖

控制器以誤差e 和誤差變化ec=de/dt 作為輸入，找出溫度調(diào)節(jié)器與e 和ec 之間的模糊關(guān)系，使不同時刻的e 和ec 滿足對溫度自整定的要求；還可利用模糊控制規(guī)則在線對溫度參數(shù)進(jìn)行修改，使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。在溫度調(diào)節(jié)控制時，可以采用常規(guī)PID。PID 參數(shù)的整定必須考慮在不同時刻三個參數(shù)的作用以及相互之間的互聯(lián)關(guān)系。加入模糊推理溫度控制器是在PID 算法基礎(chǔ)上，通過計算當(dāng)前系統(tǒng)偏差e和偏差變化△e，建立合適的模糊規(guī)則算法，修正輸出調(diào)節(jié)。

2.2.2 模糊推理

首先對輸入量進(jìn)行處理，使其變成模糊控制器要求的輸入量，e=r-y 和è=de/dt，其中r 表示參考輸入，y表示系統(tǒng)輸出，e表示誤差，è表示誤差導(dǎo)數(shù)。

對于實際溫度輸入，首先需要進(jìn)行尺度變換，將其變換到要求的論域范圍。本系統(tǒng)中，以一區(qū)溫度要求為例，若實際輸入量為x*，其變化范圍為[280℃，325℃]，若要求的論域x 為[-6，＋6]，采用線性變換，則，

將經(jīng)過上述處理的輸入量進(jìn)行尺度變換，使其變換到自己的論域范圍，采用均勻量化的離散化論域。構(gòu)成模糊集合：

若爐溫過低，記為NL，量化等級為-6；

若爐溫偏低，記為NM，量化等級為-4；

若爐溫稍低，記為NS，量化等級為-2；

若爐溫恰當(dāng)，記為ZO，量化等級為0；

若爐溫稍高，記為PS，量化等級為2；

若爐溫偏高，記為PM，量化等級為4；

若爐溫過高，且爐溫快速上升，則停止加熱，記為PL，量化等級為6。

根據(jù)變量的模糊論域要分成若干等級，例如{NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL} ={-6，-4，-2，0，2，4，6}，取模糊PID 控制器的結(jié)構(gòu)為二維模糊控制器，它的輸入變量一般取偏差e 和偏差變化△e，輸出變量為△kp，△ki，△kd。其中偏差e和偏差變化△e及輸出變量為△kp，△ki，△kd 的模糊論域要分成若干等級，通過計算當(dāng)前系統(tǒng)偏差e 和偏差變化△e，建立合適的模糊規(guī)則算法，得到系統(tǒng)輸出的修正調(diào)節(jié)。

圖4 參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊PID控制系統(tǒng)Simulink仿真模型（一區(qū)溫度）

2.2.3 確定量化因子

（1）根據(jù)被控量偏差的實際論域及允許誤差限可設(shè)定偏差的量化因子。若給定設(shè)定值為305，溫度誤差帶范圍為±25℃，可取偏差實際論域為[1，-1]，偏差量化因子：

（2）偏差變化率的實際變化范圍難以確定，可根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)速度要求，初選偏差變化率的基本論域為[1，-1]，從而得出偏差變化的量化因子：

3 模糊-PID 控制器設(shè)計及MATLAB 仿真[1]結(jié)果

3.1 模糊-PID控制器設(shè)計[2-3]

餅干烤爐的溫度是一個比較復(fù)雜的被控對象，它具有非線性、時變性等特征。簡單地用一個純滯后一階慣性環(huán)節(jié)來描述：

式（5）中：K=1；τ=1，T=1

以二區(qū)溫度控制為對象，構(gòu)建參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊PID控制系統(tǒng)Simulink仿真模型如圖4所示。

其中，模糊控制子系統(tǒng)Simulink 模型為圖5，PID控制子系統(tǒng)Simulink模型為圖6。

圖5 模糊控制子系統(tǒng)Simulink模型

系統(tǒng)中，各參數(shù)整定為：PID 參數(shù)kp=8，ki=0.5，kd=0.5；

模糊控制參數(shù)ke=0.1，kec=0.05，ku=0.05。

3.2 系統(tǒng)MATLAB 仿真結(jié)果

按照生產(chǎn)工藝要求，設(shè)定系統(tǒng)給定值為300℃，由仿真結(jié)果圖7 而知，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)超調(diào)，比較快速且相當(dāng)穩(wěn)定地進(jìn)入控制范圍，穩(wěn)態(tài)誤差相當(dāng)小。

圖6 PID控制子系統(tǒng)Simulink模型

圖7 一區(qū)溫度仿真圖線

同理類推二區(qū)的溫度控制模式。

4 結(jié)論

推廣模糊PID 在餅干生產(chǎn)線溫度控制的研究結(jié)果，避開了對爐子溫度建立精確數(shù)學(xué)模型的要求，把對餅干線爐溫加熱系統(tǒng)的操作經(jīng)驗鋪列成模糊規(guī)則，有效地解決了用穩(wěn)定溫度加熱餅干成型的難題，應(yīng)用效果得到用戶很高的好評。

［1］謝仕宏.MATLAB（R2008）控制系統(tǒng)動態(tài)仿真實例教程［M］.北京：化工工業(yè)出版社，2009.

［2］熊均泉.基于MATLAB 的退火爐溫度模糊PID 控制的仿真研究［J］.中國儀器儀表，2005（5）：80-82.

［3］吳興純，趙金燕，楊秀蓮，等.智能PID 算法在爐溫度控制系統(tǒng)中的運用［J］.機(jī)電工程，2011（8）：948-950.