基于PLC的食品熱烘干機溫度模糊PID控制

沈艷河，王繼先

1. 黃河水利職業(yè)技術學院（開封 475004）；2. 河南化工技師學院（開封 475004）

熱風烘干機是將具有一定溫度和濕度的熱空氣通入待干燥的食品，通過熱封加熱使得食品內部的水分去除，該款設備在食品水分風干中被大量使用[1-2]。隨著計算機技術和電子技術的快速發(fā)展，食品加工企業(yè)對于熱風烘干機的自動化程度要求越來越高，各大院校以及科研機構正在研究與熱風烘干機相配套的自動控制系統(tǒng)，將先進的電子技術、計算機技術以及智能控制技術應用于熱風烘干機的設計、分析和控制等過程中，可以大大提高食品風干的自動化水平[3-4]?？删幊炭刂萍夹g（PLC）因其穩(wěn)定性高、可編程性強、擴展能力強等特點，在工業(yè)自動化控制領域中被廣泛應用[5-6]。為了提高熱風烘干機穩(wěn)定性，降低控制系統(tǒng)硬件成本，縮短控制系統(tǒng)開發(fā)周期，設計了一款基于PLC的熱風烘干機控制系統(tǒng)。

熱風烘干機中熱風溫度和濕度是熱風烘干機中非常重要的兩個參數(shù)，直接影響風干食品的品質，因此為了保證食品品質需要將熱風中的溫度和濕度控制在一個合理的范圍之中。為了精確控制熱風機的溫度和濕度，目前采用PID控制器進行控制，PID控制雖然結構簡單，但由于參數(shù)固定不變，使得控制超調量大，調節(jié)能力弱，且較為依賴被控對象的數(shù)學模型。而熱風烘干機系統(tǒng)通常是一個非線性、時變性、大滯后的復雜系統(tǒng)，建立精確的數(shù)學模型較為困難，傳統(tǒng)PID控制方法控制效果并不理想。

為了解決上述問題，通常需要采用智能控制算法與PID算法相結合的形式，模糊控制方法簡化了系統(tǒng)設計的復雜性，特別適用于非線性、時變、滯后、模型不完全系統(tǒng)的控制[7]。模糊控制是一種非線性控制器，具有較佳的魯棒性適應性及較佳的容錯性[8]?；诖?，試驗設計了一種基于PLC的食品烘干機溫度模糊PID控制方法，利用模糊控制實現(xiàn)PID參數(shù)的在線自我調整，從而提高控制器的魯棒性。

1 熱風烘干機結構及工作原理

1.1 熱風烘干機結構

食品熱風烘干機主要由熱風爐、傳送裝置、提升裝置以及烘干主機等構成。熱風爐主要由送風機、點火點火變壓器、輔助點火電磁閥和主電磁閥等組成。烘干機在啟動時，首先啟動送風機將主干道中的燃氣進行吹掃，放置在點火初期發(fā)生爆炸，然后輔助點火電磁閥工作，可燃氣體通過管道被傳送到點火變壓器位置，由點火變壓器實現(xiàn)可燃氣體點火，點火成功后打開主電磁閥開始大火燃燒，輔助點火電磁閥關閉，

引風機將熱風吹入烘干倉中，而熱風溫度由燃料步進電機的開度進行控制。傳送機構主要由提升機、上絞龍機以及下絞龍機等組成。絞龍機均由電機進行拖動。食品熱烘干機結構如圖1所示[9]。

圖1 食品烘干機結構

1.2 工藝流程

食品熱風烘干機采用熱風溫度通常為70～80 ℃進行谷物烘干，其主要過程為：食品經(jīng)過送料斗進入到提升機中，并通過濕度檢測傳感器檢測水分是否達標。如果食品水分超標則經(jīng)過上絞龍、下料室、干燥倉進行烘干處理，再經(jīng)排料輪和上絞龍返回提升機。經(jīng)過烘干后的食品再由傳感器檢測是否達到要求，如果達到要求則經(jīng)排料管輸出，并進行包裝處理；如果不達標則需要進一次進行循環(huán)烘干。烘干流程如圖2所示。

圖2 烘干流程

2 PLC控制系統(tǒng)硬件設計

選擇松下AFPX-C60R系列PLC，該款PLC總共有32個輸入、30個輸出。絕緣方式為光電耦合絕緣，額定輸入電壓為24 V DC，允許使用的電壓范圍為21.6～26.4 V DC，繼電器響應時間在0.6 ms以下?？墒褂肬SB電纜與計算機進行直接連接，不需要USB?RS232C適配器/電纜，同時還裝載了以往的編程口RS232C。利用主機上的標準編程口（RS232C），可以與顯示面板或計算機通信。另外，還備有具備RS232C、RS485及Ethernet端口的通信插卡選件。在FP-X上安裝RS232C 2通道型通信插卡后，可以連接2臺RS232C設備。另外還配備了1 ：N通信（最多99臺）、PC（PLC）之間鏈接（最多16臺）等豐富的通信功能。其中AFPX-C60R外部接線如圖3所示。

圖3 PLC外部接線圖

經(jīng)過對烘干機工藝以及工作流程進行分析，并統(tǒng)計烘干機中的輸入和輸出點，該系統(tǒng)有輸入、輸出點各14個，模擬量輸入為3個點。熱風烘干機輸入、輸出點數(shù)以及模擬量輸入如表1所示。

3 模糊PID控制

3.1 傳統(tǒng)PID控制

傳統(tǒng)PID控制因其結構簡單、易實現(xiàn)、穩(wěn)定性高，在工業(yè)控制領域中得到了廣泛應用。PID中比例-積分-微分三個參數(shù)固定不變，從而導致該算法具有一定的局限性。PID控制器結構如圖4所示。

通過人機觸摸屏先設定熱風溫度目標值r(t)，通過熱風溫度傳感器采集到熱風實際溫度y(t)，則二者差值e(t)為：

傳統(tǒng)PID模型可表示為：

式中：kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。

PID控制算法中通常需要將式（2）進行離散，PID離散數(shù)學模型為[7-9]：

表1 PLC輸入輸出

圖4 傳統(tǒng)PID控制器結構

3.2 模糊PID控制

傳統(tǒng)PID控制由于參數(shù)固定不變，而熱烘干機是一個非線性、時變性、大時滯性的復雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID控制器不具有根據(jù)系統(tǒng)變化而自適應調整參數(shù)的能力，傳統(tǒng)PID控制方法同時也表現(xiàn)出了一定的局限性。模糊控制算法能夠根據(jù)現(xiàn)場工程人員具體經(jīng)驗制定出一定的規(guī)則，通過該規(guī)則對PID參數(shù)進行調整。為了提高熱風機溫度控制精度，提出了一種基于模糊PID的控制方法。

模糊PID控制器中比例-積分-微分參數(shù)調整方式為：

式中：Kp、Ki、Kd分別為傳統(tǒng)PID控制器的初始化參數(shù)。ΔKp、ΔKi、ΔKd為由模糊控制理論調整后的PID參數(shù)的調整量。

由熱烘干機溫度偏差e(k)和偏差變化率ec，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，通過模糊規(guī)則表格便可查到傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)的調整量，模糊PID控制器結構如圖5所示。

圖5 模糊PID控制器

e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊集合論域為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。其模糊集合為{PM，NM，NS，ZO，PS，PB，PM}。

4 仿真分析

為了驗證模糊PID控制器對于食品熱烘干機溫度控制效果，采用計算機仿真軟件對傳統(tǒng)PID控制器和模糊PID控制器分別進行了溫度控制曲線仿真，通過對比二者的控制效果，以說明模糊PID控制器的優(yōu)勢。仿真曲線如圖6所示。

圖6 仿真曲線

由圖6（a）可知，傳統(tǒng)PID控制方法對于熱風機溫度控制系統(tǒng)調整力能力較強，在760 s后階躍響應函數(shù)超調量小于2%。但傳統(tǒng)PID控制超調量較大，系統(tǒng)超調量約為20%。而圖6（b）中的模糊PID控制中系統(tǒng)在300 s后便趨于穩(wěn)定，其超調量約為0.5%，超調量也僅有5%左右。通過對比二者控制下效果可以看出，模糊PID控制器在超調量、收斂速度方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器，模糊PID控制器能夠顯著提高熱烘干機溫度控制精度，對于提升食品質量具有重要意義。

5 結語

為了提高食品熱風烘干機溫度控制精度、提升烘干食品品質，設計了一款基于PLC的食品烘干機控制系統(tǒng)。詳細介紹了以松下PLC AFPX-C60R CPU為核心的控制系統(tǒng)硬件結構，為了克服傳統(tǒng)PID控制方法自適應能力差、超調量大等缺陷，將模糊控制理論引入到了PID控制器中，形成了一種智能模糊PID溫度控制方法。仿真結果表明，模糊PID控制器能夠顯著提高熱風溫度控制精度，具有較強的自適應能力，對于提升食品熱烘干機溫度具有重要作用。