基于組態(tài)技術(shù)的干燥實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)①

李棚波

摘 ? 要：在化工、農(nóng)產(chǎn)品加工和眾多工業(yè)生產(chǎn)中其關(guān)鍵生產(chǎn)工藝之一是干燥處理，干燥過程對(duì)生產(chǎn)效率和能效有著較大影響，也對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量好壞有影響，關(guān)乎生產(chǎn)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。本文將組態(tài)技術(shù)在干燥實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用為例，詳細(xì)闡述系統(tǒng)構(gòu)成、軟硬件設(shè)計(jì)等內(nèi)容，以期實(shí)現(xiàn)干燥實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化監(jiān)控運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：組態(tài)技術(shù) ?干燥 ?設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S126 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（a）-0087-02

1 ?總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

干燥實(shí)驗(yàn)裝置采用廢氣排放式配置，即空氣由風(fēng)機(jī)送入電加熱器預(yù)熱，然后進(jìn)入干燥室，最后由排氣口排出空氣。由空氣進(jìn)口閥門控制空氣流量，同時(shí)風(fēng)管上配有孔板流量計(jì)、壓力傳感器和空氣進(jìn)口溫度計(jì)，分別用來測(cè)定進(jìn)口空氣的流量、壓強(qiáng)和溫度。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制電加熱器中的電阻絲的通斷來控制其加熱狀態(tài)，確保進(jìn)入干燥室內(nèi)空氣的溫度保持恒定，控制溫度計(jì)、干球溫度計(jì)測(cè)量來控制空氣溫度，濕球溫度由濕球溫度計(jì)測(cè)量。干燥室內(nèi)的物料重量由稱重傳感器輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其干燥時(shí)間和干燥失去水分重量過程可從干燥特性曲線上顯示。其控制流程圖為1所示。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件主要包括計(jì)算機(jī)、輸入輸出通道、外部設(shè)備和檢測(cè)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)四大部分。其中實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以PC機(jī)為核心，通過PCI接口對(duì)被控對(duì)象的被控參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)及處理，并將系統(tǒng)控制命令下達(dá)至執(zhí)行單元完成對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，也可對(duì)系統(tǒng)各參數(shù)實(shí)現(xiàn)存檔和歷史曲線顯示及報(bào)表打印功能。輸入輸出通道即為PCI接口，其中A/D接口為過程輸入通道，是將被控對(duì)象的模擬參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼;I/O接口為過程輸出通道，是將系統(tǒng)輸出的各類控制命令或參數(shù)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為對(duì)被控對(duì)象的控制信號(hào)。檢測(cè)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)即為A/D接口和I/O接口所對(duì)應(yīng)各類系統(tǒng)參數(shù)采集電氣元件以及系統(tǒng)控制執(zhí)行設(shè)備，例如：熱電偶可采集溫度信號(hào)，壓力傳感器可采集壓力信號(hào)，加熱棒能根據(jù)系統(tǒng)要求加熱空氣等等。外部設(shè)備即為PC機(jī)配套設(shè)備，多為打印機(jī)、鍵盤等。

3 ?控制算法

因大慣性、純滯后等是溫度控制缺點(diǎn)，為此本系統(tǒng)采用PID控制和模糊控制相結(jié)合控制算法。即是根據(jù)參考溫度值和采樣得到的實(shí)時(shí)溫度值，計(jì)算判斷偏差│e│值大小，當(dāng)偏差│e│值較大時(shí)，溫度控制采用Fuzzy控制，當(dāng)偏差│e│值較小時(shí)，溫度控制采用PID控制，兩者控制轉(zhuǎn)換均有組態(tài)軟件內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)，這樣的控制算法既能減小溫度偏差，又能確保溫度控制平穩(wěn)性，實(shí)現(xiàn)溫度控制自動(dòng)化。

3.1 Fuzzy控制器設(shè)計(jì)

Fuzzy控制器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其中：k1為偏差e的量化因子，k2為偏差變化率e的量化因子，k3為控制量u的比例因子。首先確定各輸入、輸出量的變化范圍及其對(duì)應(yīng)語言變量的論域元素和量化因子k1、k2、k3?；菊撚蚴怯蓪?shí)際生產(chǎn)工藝要求決定的，要根據(jù)實(shí)際情況而定，在本設(shè)計(jì)中只大略定出。

3.2 PID控制器的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用了增量式PID控制算法，其離散形式為：

式中：KI、KD分別為積分、微分系數(shù)，且

其中：T為采樣周期;u（k）、e（k）分別為第k次采樣時(shí)刻的控制信號(hào)和偏差信號(hào);

e（k-1）為第（k-1）時(shí)刻的偏差信號(hào)。

根據(jù)實(shí)際測(cè)量，被控對(duì)象近似為帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。其傳遞函數(shù)為

式中：系統(tǒng)的滯后時(shí)間u約為20s，時(shí)間常數(shù)TP約為50s，選擇K為1.5。再根據(jù)階躍響應(yīng)曲線整定參數(shù)法求得：

總之，采用Fuzzy-PID控制算法具有以下優(yōu)點(diǎn)：大大減小了超調(diào)量，可以很容易使系統(tǒng)穩(wěn)定;消除了積分飽和現(xiàn)象;調(diào)節(jié)快，適應(yīng)能力強(qiáng);參數(shù)整定容易等。

4 ?結(jié)語

在深入分析干燥系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的硬件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用軟件之后，完成了基于組態(tài)控制的干燥實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對(duì)各個(gè)硬件部分都進(jìn)行了認(rèn)真的選型、設(shè)計(jì)，并且完成了基于MCGS的干燥速率測(cè)定系統(tǒng)的開發(fā)。該裝置包含的被控對(duì)象涉及面廣，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富。它所包含的流量、溫度、壓力等熱工參數(shù)都是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常見的對(duì)象。應(yīng)用軟件方面，MCGS充分體現(xiàn)了其操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)、高性能、高可靠性等突出特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張少杰.基于模糊PID的電熱爐溫度智能控制系統(tǒng)[J]. 科技與創(chuàng)新， 2018，109（13）：102-103.

[2] 王廣勇，王海港.溫控箱的模糊控制算法在溫度繼電器檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].價(jià)值工程，2010（31）：146.