基于模糊PID中藥材干燥溫度控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真*

趙昌友(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系，安徽毫州236800)

基于模糊PID中藥材干燥溫度控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真*

趙昌友
(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系，安徽毫州236800)

中藥材的干燥不同于其他物料，溫度的穩(wěn)定控制是保證藥材的性味與有效成分的關(guān)鍵因素;此處提出的控制系統(tǒng)綜合PID控制與模糊控制的優(yōu)點，提高了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)的平穩(wěn)性;系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，溫度系統(tǒng)抗干擾性和魯棒性強(qiáng)，超調(diào)量小.

模糊PID控制;溫度;仿真;模塊

干燥是中藥材加工與生產(chǎn)中不可缺少的環(huán)節(jié)，中藥的有效成分不少具有熱敏性，過高的的溫度直接影響藥材的外形、色澤、氣味、制品的酶等物性變化.在干燥過程中，時間與溫度是溫度控制中的重要參量，控制恰當(dāng)?shù)牧恐荡笮∨c有效成份損失和劣質(zhì)程度有密切關(guān)聯(lián).因此干燥設(shè)備類型的選擇與控制條件的設(shè)定對中藥生產(chǎn)加工尤其重要.干燥溫度控制系統(tǒng)是一個較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，干燥過程中溫度與設(shè)定值有過分大變動，會造成藥物的有效成分流失，藥性降低.中藥材現(xiàn)代干燥控制技術(shù)正朝著機(jī)械化和自動化方向邁進(jìn).在熱風(fēng)干燥設(shè)備中，引入新的控制技術(shù)，調(diào)節(jié)不同藥材的控制溫度范圍，不僅提升了干燥速度，而且保持傳統(tǒng)干燥中所具有的四氣五味的藥性［1］.

1　PID模糊控制

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)主要由3部分組成:控制器、被控制對象和反饋傳感器通道.PID控制是具有比例、積分和微分控制規(guī)律的控制，是工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的控制系統(tǒng)，能及時反映出偏差信號，快速產(chǎn)生控制作用，且能消除系統(tǒng)誤差，使控制系統(tǒng)的過渡過程平穩(wěn)，減少振蕩與波動，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，從而即時保持其穩(wěn)定性.

控制對象的復(fù)雜化、滯后性、耦合性和非線性增加，促使建立系統(tǒng)的清晰數(shù)學(xué)模型變得更加困難，傳統(tǒng)精確控制實現(xiàn)的可能性減?。?］.模糊控制是集模糊集合理論與模糊邏輯推理與經(jīng)典控制理論相結(jié)合，模擬人的思維方式進(jìn)行智能控制的一種方法.模糊規(guī)則和模糊邏輯推理是主要組成部分，它是進(jìn)行模糊控制的基礎(chǔ).模糊控制是基于模糊邏輯的描述一個過程的控制算法，不需要被控制對象的精確模型，僅依賴于專家和現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗和自覺判斷，更加方便、快捷應(yīng)用.

模糊控制器以誤差e及誤差的變化率ec作為輸入，利用模糊控制規(guī)則對PID參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同的e和ec對參數(shù)的整定，參數(shù)自整定的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示［3］.

圖1　模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

模糊PID控制器被設(shè)定為一個二維輸入三維輸出的系統(tǒng)，輸入中有溫度偏差e，和偏差變化率ec，輸出的為PID的3個調(diào)節(jié)量△Kp，△Ki，△Kd.PID控制器將經(jīng)調(diào)整后的PID參數(shù)對被控制對象實行實時控制，其中有

其中參量Kp0，Ki0，Kd0是根據(jù)ITSE準(zhǔn)則整定PID的初始參數(shù).根據(jù)實踐經(jīng)驗，把溫度偏差的基本論域設(shè)定為［－5，5］，溫差變化率ec基本論域為［－1，1］，△Kp基本論域為［－0.005，0.005］，△Ki基本論域設(shè)定為［－0.005，0.005］，△Kd基本論域設(shè)定為［－0.16，0.16］，e，ec，△Kp，△Ki，△Kd的模糊集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，模糊論域均?。郏?，3］，選擇各變量的隸屬函數(shù)均為三角函數(shù)(圖2)，這樣可提高系統(tǒng)的魯棒性和靈敏度，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

圖2　模糊論域隸屬函數(shù)

1)當(dāng)|e|較大時，Kp設(shè)定也比較大，Kd設(shè)定較小，Ki可設(shè)為0;

2)當(dāng)e*ec＞0，誤差絕對值偏大，此時若|e|比較大，Kp設(shè)定比較大，Ki設(shè)定較小，Kd可設(shè)為中等大;假如|e|比較小，Kp設(shè)定中等大，Ki設(shè)定較大，Kd可設(shè)為較小，這樣提高控制系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)定性;

3)當(dāng)e*ec＜0，誤差絕對值偏小，此時若|e|比較大，Kp設(shè)定中等大，Ki設(shè)定較小，Kd設(shè)為中等大;假如|e |比較小，Kp設(shè)定較小，Ki設(shè)定較大，Kd可設(shè)為較小.

根據(jù)實踐總結(jié)，確定根據(jù)e和ec不同參數(shù)的模糊控制規(guī)則如表1所示.

表1　模糊控制規(guī)則

2　熱風(fēng)干燥設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成設(shè)計

熱風(fēng)干燥控制系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖3示，微處理器采用MC9S08JM60，其內(nèi)核頻率為48 MHz，具有高達(dá)60 kB可編程片內(nèi)FLASH和4 KB的RAM，內(nèi)置USB2.0控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、串行外設(shè)接口SPI、串行通信接口SCI等多種外設(shè)，更加方便對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計［4］.

測溫模塊采用DS18B20溫度傳感器，該元器件支持“一線總線”接口，當(dāng)測量周圍溫度在－55℃～+125℃之間，精準(zhǔn)度可高達(dá)±0.5℃.現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，并且配置的電源電壓范圍較寬，3.0～5.5 V電源都能滿足需求，如果在寄生電源方式下也可由數(shù)據(jù)線進(jìn)行供電.

圖3　控制系統(tǒng)模塊框圖

將JCJ200C1型高濕度傳感器安裝在箱內(nèi)的排氣閥門端口處，當(dāng)箱內(nèi)氣體的濕度接近飽和時，即時反饋此信息給單片機(jī)，做相關(guān)數(shù)據(jù)處理后發(fā)出相應(yīng)的指令，打開排氣閥，同時排氣風(fēng)機(jī)進(jìn)行運轉(zhuǎn)，排出濕度較高的箱內(nèi)空氣;當(dāng)內(nèi)部氣體的濕度降到預(yù)定值以下時，排氣閥關(guān)閉，箱內(nèi)的循環(huán)流動熱空氣繼續(xù)對物料進(jìn)行干燥.

安全報警模塊為機(jī)械設(shè)備的運行提供保護(hù)功能，當(dāng)電網(wǎng)中電壓升高或穩(wěn)壓電路出現(xiàn)問題時，提供保護(hù)功能.過流保護(hù)能防止線路干擾出現(xiàn)不正常電流燒壞電路板或電器設(shè)備中的元件.在過流保護(hù)電路中，用PTC熱敏電阻對電路異常電流與溫度作保護(hù)，當(dāng)通過熱敏電阻中電流小于額定電流時，熱敏電阻處于正常狀態(tài)，不干擾電路工作;當(dāng)電流超過額定電流值較大時，熱敏電阻增加較多，致使電路相當(dāng)于斷開狀態(tài)，從而達(dá)到保護(hù)電路的目的.故障排除后，其阻值又恢復(fù)到先前值，保護(hù)電路正常工作.報警裝置采用無線GPS傳輸方式發(fā)送預(yù)定短信給用戶手機(jī)提示，并可查詢機(jī)械設(shè)備工作狀態(tài)，通過相關(guān)參數(shù)顯示出來.光電耦合電路在電路之間信號傳輸時，前端與輸出端完全隔離，減小了不同電路之間干擾，增加了線路安全性，如圖4所示.系統(tǒng)采用控制閥來控制排氣的動作，通過TLP521減小外界信號干擾［5］.

2.2控制系統(tǒng)流程

溫度控制系統(tǒng)采用回路控制串級系統(tǒng)，能夠達(dá)到較好調(diào)控效果.烘箱內(nèi)采集溫度量，轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)收集整合處理由硬件進(jìn)行控制，當(dāng)溫度傳感器檢測到的實際溫度低于原先設(shè)定的值時，單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)指令，通過增大閥門開量增大熱風(fēng)流量來提高箱內(nèi)的溫度，以達(dá)設(shè)定值;如果溫度超過原設(shè)定值時，則相應(yīng)調(diào)小進(jìn)入箱內(nèi)的熱空氣流量，達(dá)到降低溫度目的;如果溫度過分高，降低不明顯，則系統(tǒng)采取緊急措施停止供熱，由繼電器斷電，以保障材料的性能和設(shè)備的安全.

電路應(yīng)用串級控制系統(tǒng)達(dá)到對溫度和濕度的控制與調(diào)節(jié).串級控制系統(tǒng)采用雙回路調(diào)節(jié)方式，使定值控制更加穩(wěn)定，即時減小系統(tǒng)的動態(tài)偏差，趨向于先前設(shè)置的穩(wěn)定值.主調(diào)節(jié)器與副調(diào)節(jié)器互相作用，協(xié)同工作，保障控制系統(tǒng)穩(wěn)量的恒定性，串級控制系統(tǒng)實質(zhì)上為定值控制系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖5所示［6］.

圖4　光耦隔離電路

圖5　串級控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)程序要對溫度和濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，做出判別后執(zhí)行設(shè)定好的執(zhí)行方案，保障整個干燥過程按照預(yù)定流程走，直至達(dá)到理想的效果，主流程圖如圖6所示.

圖6　主流程圖

子程序流程包括當(dāng)機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障，加熱系統(tǒng)持續(xù)工作時，烘箱內(nèi)溫度會超過設(shè)定值，報警系統(tǒng)會自動報警并相應(yīng)發(fā)出故障信息，通過預(yù)警機(jī)制及時通知相關(guān)人員進(jìn)行人為操作調(diào)節(jié)，直到恢復(fù)正常的工作狀態(tài).

3　模糊推理系統(tǒng)的設(shè)計

模糊控制系統(tǒng)和經(jīng)典控制系統(tǒng)、PID控制系統(tǒng)間主要是控制器不同，其他相似，MATLAB中設(shè)有專門模糊邏輯工具箱.模糊推理系統(tǒng)編輯器是與系統(tǒng)的框架、結(jié)構(gòu)等大局總體設(shè)計相關(guān)的編輯器，可以增減系統(tǒng)輸入、輸出變量的個數(shù)，并且可對范圍進(jìn)行設(shè)置，調(diào)整模糊系統(tǒng)的維數(shù).參量選擇中有兩個推理系統(tǒng)，Mamdani Sugeno，在MATLAB的命令窗口輸入fuzzy，按enter后，屏幕會出現(xiàn)“FISEditor”模糊推理系統(tǒng)編輯器界面.設(shè)置推理類型，編輯FIS的維數(shù)，編輯輸入、輸出量的名稱，選擇推理類型中模糊邏輯的具體算法，如圖7所示.

FIS編輯界面上有雙輸入和一個輸出，選定變量對其取值范圍和顯示范圍進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)實踐經(jīng)驗，把溫度偏差的基本論域設(shè)定為［－5，5］，溫差變化率ec基本論域為［－1，1］.

在Rule編輯器中設(shè)定規(guī)則，如果測量溫度與設(shè)定值正好，則氣流量不增加;如果溫度偏低，則增加氣流量;如果測量溫度偏高，則減小氣流量;如果溫度正好，而氣流量大，則減小閥門開度，如果溫度正好，而氣流量小，則增大閥門開度，增加氣流量.根據(jù)這幾條操作規(guī)律，在編輯器中把模糊規(guī)則加入其中，如圖8所示［7］.

圖7　雙輸入－單輸出模糊推理編輯器

圖8　模糊規(guī)則編輯器界面

利用輸出量曲面觀測窗口，看曲面是否光滑，有利于對模糊控器進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，研究每一個輸入量對輸出的影響，確定合適的取值范圍和邏輯算法.

4　建立仿真模型

打開MATLAB 7.0軟件，單擊工具欄中的Simulink圖標(biāo)按鈕，運行后出現(xiàn)Simulink Library Browser窗口，從左側(cè)子目錄“Fuzzy Logic Toolbox”中把模糊邏輯控制器“Fuzzy Logic Controller”拖放到仿真模型窗口，把設(shè)計的FIS結(jié)構(gòu)性文件嵌入到模糊控制器中，從Sinks模塊庫找示波器，在數(shù)學(xué)運算(Math operation)查獲微分、積分、函數(shù)傳遞模塊，從其模塊庫中找到相應(yīng)的模塊拖到仿真窗口中，建立仿真模型(圖9)，溫度控制系統(tǒng)的模型傳遞函數(shù)為.設(shè)定控制溫度為50℃，對不同的中藥材要設(shè)定不同合適值，仿真時間定為3 000 s，仿真得到如圖10所示階躍響應(yīng)，從結(jié)果上可得，模糊PID控制能夠有效抑制超調(diào)，調(diào)節(jié)所需的時間更短，具有更好的抗干擾能力，溫度控制更穩(wěn)定，適應(yīng)的范圍更廣.

圖9　 PID控制系統(tǒng)仿真模型

圖10　模糊PID控制響應(yīng)曲線

［1］詹攀，謝守勇，陳罛.基于模糊PID的煙葉烤房溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.西南師范大學(xué)學(xué)報，2014，39(2):99-104

［2］岳文杰，謝守勇，陳罛，等.基于模糊PID的溫室溫度控制器設(shè)計與仿真［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2014(4):194-197

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［4］盧永青.基于模糊自適應(yīng)PID控制的汽油發(fā)電機(jī)逆變電源設(shè)計［J］.重慶工商大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014，31(7):50－52

［5］雷勇.溫室溫度系統(tǒng)的自適應(yīng)模糊PID控制［J］.控制工程，2014，21(50):23-27

［6］石辛民.模糊控制及其MATLAB仿真［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010

［7］王正林.MATLAB/Simulink與過程控制系統(tǒng)仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012

［8］候明波，黃偉志，郝巖.模糊PID控制器在中藥提取溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.河南工程學(xué)院學(xué)報，2012，24(4):63-67

Design and Simulation of Fuzzy PID in Chinese medicinalmaterials drying Temperature Controller

ZHAO Chang-you
(Bo Zhou Vocation And Technical College Anhui236800

Chinese medicinal materials drying is different from other material traditional drying method.Stability control of temperature is the key factor to ensure themedicine taste and effective component.Temperature control system comprehensive advantages of PID control and fuzzy control.To improve the control system stability and smooth adjustment.Simulation results show that the fuzzy PID control system has strong anti interference capacity，good robust stability and small overshoot.

fuzzy PID;temperature control;simulation;modular

TP273

A

1672－058X(2015)09－0081－06

10.16055/j.issn.1672－058X.2015.0009.020

2015－03－15;

2015－04－28.

安徽省自然科學(xué)基金項目(KJ2014A170).

趙昌友(1975-)，男，安徽廬江人，講師，碩士，從事控制系統(tǒng)設(shè)計研究.