基于模糊PID的豆粉噴霧干燥塔監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

侯 強 徐 穎 田思慶

(1.佳木斯大學(xué)機械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2.佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

豆粉具有去除過剩膽固醇、防止血管硬化等作用。在其加工工藝中若噴霧干燥含水量控制精度不高，容易出現(xiàn)掛壁、分層等現(xiàn)象，影響豆粉沖調(diào)品質(zhì)。目前中國很多公司的噴霧干燥控制技術(shù)與設(shè)備相對落后，很少有比較完善的上位機系統(tǒng)對下位機實時控制，且下位機控制器兼容性、抗震動沖擊等性能較差；同時沒有先進的控制算法實施控制，物料干燥品質(zhì)不佳。

在噴霧干燥工藝中，傳統(tǒng)的系統(tǒng)一般采用單回路PID控制。蘇和等[1]利用數(shù)字PID算法對噴霧干燥系統(tǒng)進行控制，但是缺乏對控制對象特性變化的適應(yīng)能力。針對PID算法的控制缺陷，顏文旭等[2]提出了基于模糊邏輯控制的噴霧干燥控制方法，有效地解決了滯后帶來的控制振蕩現(xiàn)象；任小洪等[3]采用西門子PLC中自校正模糊控制模塊建立了一套噴霧干燥塔計算機控制系統(tǒng)。但是噴霧干燥是一個多參數(shù)溫度控制過程，上述模糊控制方法使用簡單的單回路控制，不同回路間的參數(shù)相互獨立，針對干擾和非線性特性無法滿足控制要求。

為確保豆粉噴霧干燥系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠程控制且擁有良好的動靜態(tài)性能，研究擬根據(jù)模糊規(guī)則和串級控制方案對PID參數(shù)進行調(diào)節(jié)，并利用西門子S7-300 PLC對噴霧干燥設(shè)備進行控制，通過上位機對噴霧過程的參數(shù)進行實時監(jiān)測，以期克服傳統(tǒng)單回路模糊PID控制方法的不足。

1 豆粉噴霧干燥塔控制系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 干燥工藝流程

噴霧干燥工藝流程示意圖如圖1所示。噴霧干燥作為豆粉生產(chǎn)工藝重要的一個環(huán)節(jié)，按照工藝流程，該系統(tǒng)由熱風(fēng)區(qū)、干燥區(qū)、料漿供應(yīng)區(qū)、細粉回收區(qū)和二次干燥及冷卻區(qū)等幾個主要部分組成[4]。在豆粉噴霧干燥塔工藝流程中，研磨好的液態(tài)豆粉料漿首先進入料漿暫存罐，在高壓泵的作用下經(jīng)壓力噴槍霧化后噴入干燥塔；新鮮空氣進入空氣過濾器除雜，在進風(fēng)機的作用下通過空氣加熱器進行加熱；加熱后的空氣與同時進入塔內(nèi)的霧化料漿進行充分的熱質(zhì)交換，在短短數(shù)秒內(nèi)干燥成粉末狀態(tài)的顆粒豆粉，干燥后的顆粒落入塔底的錐形部分，在振蕩器的作用下將料漿送入流化床進行二次干燥及冷卻；殘余的粉末隨經(jīng)過熱質(zhì)交換的熱風(fēng)經(jīng)塔內(nèi)上排風(fēng)口通過旋風(fēng)分離器分離，并進入塔內(nèi)進行二次復(fù)聚，熱風(fēng)則在排風(fēng)機的作用下排出[5-7]。

1.調(diào)節(jié)閥 2.溫度傳感器 3.空氣加熱器 4.空氣過濾器 5.進風(fēng)機 6.旋風(fēng)分離器 7.排風(fēng)機 8.流化床 9.壓力噴槍 10.噴霧干燥塔 11.高壓泵 12.熱風(fēng)區(qū) 13.干燥區(qū) 14.料將供應(yīng)區(qū) 15.細粉回收區(qū) 16.二次干燥及冷卻區(qū)

圖1 噴霧干燥工藝流程示意圖

Figure 1 Schematic diagram of spray drying process

1.2 控制系統(tǒng)分析

為使系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)輸入變化，減小超調(diào)量，提高系統(tǒng)的控制精度，設(shè)計了基于模糊PID控制的串級控制系統(tǒng)如圖2所示。塔內(nèi)排風(fēng)溫度為主被控制量，進風(fēng)溫度為副被控制量，主控制器采用模糊PID控制器，副控制器采用PI控制器；通過溫度傳感器不斷檢測進風(fēng)口和排風(fēng)口溫度，檢測值與溫度設(shè)定值比較后將偏差值反饋給主、副控制器，通過調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度，增加或減少蒸汽量以保證出風(fēng)口溫度值[8]。

2 豆粉噴霧干燥塔控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

由于豆粉噴霧干燥工藝較為復(fù)雜、參數(shù)較多，計算機控制系統(tǒng)采取集散式控制方式，利用PLC作為控制中心，采用工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DO網(wǎng)絡(luò)進行通信，實現(xiàn)豆粉干燥生產(chǎn)的分散控制和集中化管理。豆粉噴霧干燥塔控制系統(tǒng)硬件設(shè)備分為3層，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。第一層為現(xiàn)場執(zhí)行層，主要包括溫度、壓力傳感器及電機、閥門執(zhí)行器等現(xiàn)場I/O設(shè)備，用來完成各工藝流程區(qū)的檢測和控制任務(wù)；第二層為西門子S7-300系列PLC構(gòu)建的控制層，該層可按照設(shè)計好的控制策略對豆粉噴霧干燥各生產(chǎn)過程進行實時控制；第三層為遠程監(jiān)控與管理層，利用工業(yè)控制計算機構(gòu)建工程師站和操作員站，遠程用戶可實時監(jiān)測整個工藝流程參數(shù)和各硬件設(shè)備的工作狀態(tài)，確保豆粉噴霧干燥工藝平穩(wěn)有序進行[9-10]。

圖2 串級模糊PID控制原理圖

根據(jù)豆粉噴霧干燥工藝特點及其控制要求，選用西門子S7-300系列可編程控制器CPU 315-2 PN/DP、PS 307電源模塊、以太網(wǎng)CP 343-1IT通信模塊以及I/O模塊等構(gòu)成沉余式下位機控制站。在I/O模塊中，選用型號為SM331的模擬量輸入模塊，擁有8×14 bits的AI點數(shù)，用來接收豆粉噴霧干燥系統(tǒng)的溫度、壓力和頻率等現(xiàn)場模擬輸入信號值，然后將其轉(zhuǎn)換成為CPU處理的數(shù)字信號；選用型號為SM322的模擬量輸出模塊，擁有8×14 bits 的AO點數(shù)，將控制器數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為呈比例的電壓和電流值，用來控制系統(tǒng)變頻器、電動調(diào)節(jié)閥、電機等執(zhí)行機構(gòu)；選用型號為SM321的數(shù)字量輸入模塊，DI點數(shù)為32，用來接收從選擇開關(guān)、閥門開關(guān)和啟動開關(guān)等傳輸?shù)臄?shù)字量輸入信號；選用型號為SM322的數(shù)字量輸出模塊，DI點數(shù)為32，用來控制系統(tǒng)行程開關(guān)、接觸器和電磁閥等數(shù)字量輸出設(shè)備[11-12]。

圖3 噴霧干燥塔控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

PLC選用PROFIBUS-DO總線與現(xiàn)場設(shè)備進行通信，各控制子站通過工業(yè)以太網(wǎng)與中央控制室的上位機完成數(shù)據(jù)通信工作。

3 基于模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真

3.1 模糊PID控制器設(shè)計

串級控制系統(tǒng)中，主控制器采用的是模糊PID控制器。模糊PID控制器采用二維輸入和三維輸出，控制器的輸入為豆粉噴霧干燥塔出口溫度給定值與實際測量值的誤差e及其變化率ec，輸出為PID 3個參數(shù)KP、Ki、Kd。其模糊子集定義為[NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB]，分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。根據(jù)專家[13]經(jīng)驗，該控制系統(tǒng)誤差e的論域取值為[-0.52，0.52]，誤差變化率ec的論域取值為[-0.45，0.45]，KP的論域取值為[-0.6，0.6]，Ki的論域取值為[-0.3，0.3]，Kd的論域取值為[-3,3]。

根據(jù)相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)專家學(xué)者[14-15]的研究分析，對KP、Ki、Kd3個參數(shù)建立模糊控制規(guī)則，模糊PID控制器輸入輸出隸屬函數(shù)均選取三角形函數(shù)，模糊推理方法選擇Mamdana min-max法，模糊判決選擇重心法，則KP、Ki、Kd在論域上的輸出曲面如圖4～6所示。

3.2 控制系統(tǒng)Matlab仿真

綜合考慮豆粉噴霧干燥塔工藝要求以及非線性、大滯后的系統(tǒng)屬性，可以將豆粉噴霧干燥塔看作是一階大滯后控制系統(tǒng)[16]，其傳遞函數(shù)G(s)的表達式為：

(1)

式中：

圖4 KP的輸出曲面

圖5 Ki的輸出曲面

圖6 Kd的輸出曲面

G(s)——傳遞函數(shù)；

K——放大系數(shù)；

T——時間常數(shù)，s；

τ——延遲時間，s。

取K=8.35,T=265,τ=75,在simulink仿真環(huán)境下對系統(tǒng)傳遞函數(shù)進行仿真分析，采用Z-N整定法，整定出副回路PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為KP1=2.16，Ki1=1.23；采用模糊算法整定主回路PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)分別為KP2=3.12，Ki2=0.45，Kd2=0.32。將主副回路的調(diào)節(jié)器參數(shù)添加到simulink仿真模型中，得到常規(guī)PID控制、模糊PID控制在目標溫度為82 ℃時降溫和升溫控制曲線分別如圖7、8所示[17-18]。

由于豆粉噴霧干燥的擾動主要來自于進風(fēng)口熱空氣量供給的擾動，為了驗證控制系統(tǒng)的抗干擾能力，在仿真模型中500 s時加入一個幅值為0.5，干擾時間為10 s的干擾方波[19]，由圖9可知，模糊PID控制策略優(yōu)于常規(guī)PID控制。

4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)對豆粉噴霧干燥塔整個生產(chǎn)線的實時監(jiān)控，設(shè)計了基于組態(tài)王軟件的監(jiān)控系統(tǒng)[20]，系統(tǒng)在線監(jiān)控界面如圖10所示。當現(xiàn)場設(shè)備正常運轉(zhuǎn)時，主界面中的模擬設(shè)備會呈現(xiàn)出相應(yīng)的模擬動畫效果。操作者通過點擊各相應(yīng)設(shè)備則可以切換到各設(shè)備工藝的子界面組態(tài)，能快速掌握并遠程操控各工藝生產(chǎn)狀態(tài)，實現(xiàn)對系統(tǒng)集中控制和分散管理。

圖7 目標溫度為82 ℃的降溫仿真控制曲線

Figure 7 Simulation control curve of temperature reduction with target temperature of 82 ℃

在豆粉噴霧干燥塔控制系統(tǒng)實際運行調(diào)試過程中，為了能根據(jù)工藝要求隨時更改參數(shù)和手動、自動控制方式等[21]，設(shè)計了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面，工作人員可以通過在上位機中建立的參數(shù)設(shè)置畫面對下位機實施控制，參數(shù)設(shè)置畫面如圖11所示。

圖8 目標溫度為82 ℃的升溫仿真控制曲線

圖9 加入方波干擾后的控制效果曲線圖

圖10 系統(tǒng)在線監(jiān)控畫面

為了實現(xiàn)對各生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)的分析，該系統(tǒng)將PLC采集到的各設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)以圖表的形式顯示在同一張圖表中，使操作人員能夠直觀地了解各控制區(qū)實時的工作狀態(tài)趨勢，操作人員可以通過參數(shù)的調(diào)整，使各設(shè)備處于最佳的工作狀態(tài)[22]。生產(chǎn)歷史趨勢曲線界面如圖12所示。

為了統(tǒng)計在豆粉噴霧干燥生產(chǎn)工藝中各個設(shè)備的溫度、壓力和液位等生產(chǎn)參數(shù)，設(shè)計了生產(chǎn)報表系統(tǒng)組態(tài)界面，如圖13所示。管理員用戶能夠根據(jù)生產(chǎn)需求定義變量，以及相應(yīng)的參數(shù)。來訪者可以通過組態(tài)界面中的生產(chǎn)報表直觀了解生產(chǎn)的運行情況[23]。

圖11 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

圖12 生產(chǎn)歷史趨勢曲線界面

圖13 生產(chǎn)報表查詢界面

5 結(jié)論

針對豆粉噴霧干燥塔系統(tǒng)具有非線性、大滯后等特點，設(shè)計了基于模糊PID算法的串級控制方案，經(jīng)過系統(tǒng)仿真，與單回路模糊控制方案比較，具有主副回路間參數(shù)相互協(xié)調(diào)、響應(yīng)速度快、控制精度高和抗干擾強等優(yōu)點。雖然串級模糊PID控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能較好，但量化因子以及修正系數(shù)的計算通常是結(jié)合專家和工作人員的工作經(jīng)驗來進行的，具有一定的主觀性，下一步的研究可以利用遺傳算法優(yōu)化模糊控制器量化因子和修正系數(shù)，使得控制器能實時跟蹤系統(tǒng)的變化，以保證系統(tǒng)具有較高的自適應(yīng)性和魯棒性。