梁海燾, 張春雨, 曹向虎, 璐 露
(安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,安徽 鳳陽(yáng) 233100)
茶經(jīng)過6000多年的發(fā)展,已經(jīng)成為世界上最具影響力的飲料之一[1]。茶葉加工中的殺青工藝是決定成茶品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵,其中殺青溫度是影響殺青效果的最重要工藝參數(shù)[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,自動(dòng)化的茶葉殺青機(jī)被大量應(yīng)用到殺青加工中,因此,對(duì)于提升茶葉殺青機(jī)溫度控制性能的研究具有極其重要的意義。目前,國(guó)內(nèi)眾多高校和科研院所已經(jīng)提出了一系列智能控制算法[3-4],智能算法的應(yīng)用使得茶葉殺青機(jī)溫度控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力和控制準(zhǔn)確性不斷增強(qiáng)。PID控制是當(dāng)前使用最普遍的控制方法之一,但其缺點(diǎn)也較多,如控制精度低,控制的魯棒性較差,難以滿足茶葉殺青溫度的控制要求。在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上,科研人員又將模糊PID控制應(yīng)用到茶葉殺青加工中,模糊PID控制主要依靠模糊規(guī)則中的知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù),改善了常規(guī)PID的控制效果,但由于其知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)都比較簡(jiǎn)單,造成了殺青溫度控制的主觀性較大,殺青葉的品質(zhì)難以標(biāo)準(zhǔn)化[5-6]。為此,本文采用了一種SOA-PID控制策略,將SOA算法與PID控制進(jìn)行有效結(jié)合應(yīng)用到茶葉殺青機(jī)溫度控制系統(tǒng)中。為了研究SOA-PID控制下的控制系統(tǒng)溫度控制性能,利用MATLAB對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能仿真分析,分析結(jié)果顯示該控制系統(tǒng)的快速性,準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性顯著提高。
目前,國(guó)內(nèi)茶葉加工行業(yè)主要使用的機(jī)械化殺青設(shè)備包括鍋式炒青機(jī)、滾筒式殺青機(jī)及微波殺青機(jī)等[7],其中滾筒式茶葉殺青機(jī)使用最為廣泛。因此,本文選擇滾筒式茶葉殺青機(jī)溫度控制系統(tǒng)為研究對(duì)象。滾筒式茶葉殺青機(jī)的加熱方式為電加熱,其溫度控制系統(tǒng)的硬件主要由PLC核心控制器,控制系統(tǒng)上位機(jī),殺青滾筒,溫度檢測(cè)裝置和加熱裝置等部分組成,如圖1所示。
圖1 茶葉殺青機(jī)溫度控制系統(tǒng)硬件組成
滾筒式茶葉殺青機(jī)啟動(dòng)后,殺青滾筒先做勻速轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)加熱裝置開始對(duì)滾筒進(jìn)行加熱。當(dāng)溫度檢測(cè)裝置檢測(cè)到滾筒內(nèi)的溫度達(dá)到系統(tǒng)上位機(jī)的預(yù)設(shè)溫度時(shí),提示投入攤青后的茶鮮葉,鮮葉隨之在滾筒內(nèi)翻滾、拋揚(yáng)和前進(jìn)。當(dāng)溫度檢測(cè)裝置檢測(cè)到筒內(nèi)的溫度誤差信號(hào)時(shí),PLC核心控制器立刻依據(jù)其內(nèi)置的控制算法對(duì)溫度誤差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理,并輸出調(diào)節(jié)信號(hào)到加熱裝置,加熱裝置隨即對(duì)滾筒進(jìn)行加熱操作或停止加熱,使得系統(tǒng)偏差逐漸趨近于零,從而保持滾筒內(nèi)的溫度相對(duì)恒定。在滾筒壁和滾筒內(nèi)熱空氣的相互作用下,茶鮮葉內(nèi)各種細(xì)胞的水分迅速汽化,葉質(zhì)迅速萎軟,殺青過程中茶鮮葉中的各種酶活性也均被破壞,當(dāng)殺青時(shí)間達(dá)到控制系統(tǒng)上位機(jī)的預(yù)設(shè)時(shí)間后,殺青葉就從出料口排出,完成了整個(gè)殺青溫度的控制過程。
PID控制原理簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性好,調(diào)整方便,控制效果較好,是最典型的工業(yè)過程控制方法之一[8]。PID控制系統(tǒng)包括控制器和被控對(duì)象兩部分,其中控制器又包括偏差的比例Kp,偏差對(duì)時(shí)間的積分Ki和偏差對(duì)時(shí)間的微分Kd三個(gè)環(huán)節(jié),其控制原理如圖2所示。
圖2 常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理圖
PID控制器是一種線性控制器,其控制偏差e(t)可由式(1)得到:
e(t)=rin(t)-yout(t)
(1)
式中,rin(t)為輸入值,yout(t)為輸出值。
PID控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如式(2)所示:
(2)
式中,Kp為比例系數(shù),Ti為積分時(shí)間常數(shù),Td為微分時(shí)間常數(shù),s是拉式變換的參數(shù)。
然而,茶葉殺青機(jī)溫度控制系統(tǒng)的恒溫控制具有滯后性、非線性、時(shí)變性等特征,所以常規(guī)PID控制無(wú)法保證其溫度控制的精確性和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性,難以達(dá)到預(yù)期的工藝要求和殺青效果。
SOA(人群搜索算法)以傳統(tǒng)的直接搜索算法為基礎(chǔ),直接模擬人的智能搜索行為。SOA算法把全部搜索者當(dāng)作一個(gè)種群,搜索者的位置坐標(biāo)就用來表示候選解,通過模擬人類搜索目標(biāo)時(shí)采取的經(jīng)驗(yàn)方向及模糊理論等,實(shí)現(xiàn)對(duì)問題的最優(yōu)求解[9-10]。
SOA算法在搜索最優(yōu)解的過程中,把適應(yīng)度值作為之后種群搜索位置跟新的依據(jù),并用適應(yīng)度值來判斷解的優(yōu)劣,保證了初始解不斷向最優(yōu)解搜索進(jìn)化。考慮到控制系統(tǒng)的多樣性,SOA算法的初始值應(yīng)當(dāng)在允許的范圍內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生,如PID控制器,其控制參數(shù)組成的種群P就可以用一個(gè)3×S矩陣來表示:
(3)
為了獲得良好的過渡過程動(dòng)態(tài)特性,采用誤差絕對(duì)值對(duì)時(shí)間的積分性能指標(biāo)作為參數(shù)選擇的最小目標(biāo)函數(shù)。為了防止能量過大并避免超調(diào),除了采用懲罰控制,還要在目標(biāo)函數(shù)中加入了控制輸入的平方項(xiàng),目標(biāo)函數(shù)即為:
ω2u2(t)+ω3|e(t)|)dt
(4)
式(4)中,ω1,ω2,ω3為權(quán)值,ω3?ω1,且ω1=0.999,ω2=0.001,ω3=100。
SOA算法采用高斯函數(shù)來表示搜索步長(zhǎng)的模糊變化量,通過不確定推理就可得到搜索步長(zhǎng),搜索步長(zhǎng)為:
(5)
式(5)中,αij為j維搜索空間的搜索步長(zhǎng),δij為高斯隸屬函數(shù),uij為隸屬度。
通過模擬人的利己行為,利他行為等行為,并進(jìn)行分析建模,就可得到最優(yōu)解的搜索方向,搜索方向如為:
(6)
式(6)中,sign()為符號(hào)函數(shù),φ1和φ2為[0,1]內(nèi)的常數(shù),ω為慣性權(quán)值。
在確定搜索步長(zhǎng)和搜索方向后,種群中的個(gè)體就可進(jìn)行位置更新,并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)所求問題解的優(yōu)化。
依據(jù)本文2.2節(jié)所述的SOA算法原理,設(shè)計(jì)了包含SOA-PID控制(SOA算法優(yōu)化的PID控制)的茶葉殺青機(jī)溫度控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 茶葉殺青機(jī)SOA-PID溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖4 SOA優(yōu)化PID控制參數(shù)流程圖
對(duì)于茶葉殺青機(jī)溫度控制系統(tǒng)中SOA-PID控制器的控制參數(shù)具體優(yōu)化過程如下:
(1)SOA算法初始化產(chǎn)生PID控制器的3個(gè)控制參數(shù)搜索者種群,并對(duì)種群中的搜索者初始位置依次賦值;
(2)通過目標(biāo)函數(shù),得到改組搜索者的適應(yīng)度值,并進(jìn)行搜索者種群間學(xué)習(xí);
(3)確定每個(gè)搜索者的搜索方向和搜索步長(zhǎng);
(4)更新每個(gè)搜索者的位置;
(5)當(dāng)達(dá)到最大迭代次數(shù)或滿足最小誤差標(biāo)準(zhǔn)時(shí),輸出優(yōu)化參數(shù),否則返回第(2)步;
(6)將SOA算法輸出的最優(yōu)參數(shù)輸入PID控制器,實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制。
SOA優(yōu)化PID控制參數(shù)的流程圖如圖4所示。
圖5 SOA優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)曲線
圖6 SOA優(yōu)化PID控制參數(shù)的變化曲線
根據(jù)茶葉的殺青工藝和滾筒式茶葉殺青機(jī)控制系統(tǒng)上位機(jī)的工藝參數(shù)輸出數(shù)據(jù),在保證殺青時(shí)間等工藝參數(shù)理想的條件下,使得滾筒內(nèi)的溫度始終維持在130℃-180℃范圍之間,為了便于研究我們?nèi)?50℃為最佳殺青溫度。
根據(jù)“科恩-庫(kù)恩”公式抽象出茶葉殺青溫度的廣義數(shù)學(xué)模型[11]:
(7)
為了驗(yàn)證SOA-PID控制下殺青溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)越性,利用MATLAB對(duì)常規(guī)PID控制和SOA-PID控制系統(tǒng)分別繪制階躍響應(yīng)輸出曲線,進(jìn)行仿真對(duì)比。對(duì)常規(guī)PID控制系統(tǒng)的仿真,為了盡可能的提高控制性能,采用“試湊法”得到整定的PID控制參數(shù),具體參數(shù)值如表1所示。
表1 “試湊法”得到的常規(guī)PID控制參數(shù)
對(duì)SOA-PID控制系統(tǒng)的仿真,通過SOA算法得到整定的PID控制參數(shù)。設(shè)種群規(guī)模為50,粒子個(gè)數(shù)為3,最大迭代次數(shù)為100,PID控制的參數(shù)搜索范圍為[0,50],先通過MATLAB M文件運(yùn)算,得到了SOA算法優(yōu)化的適應(yīng)度函數(shù)曲線和SOA優(yōu)化PID控制參數(shù)的變化曲線,如圖6、圖7所示。
從圖中可以得到,SOA優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)的最優(yōu)值為3.7995×104,SOA優(yōu)化PID控制參數(shù)的結(jié)果,如表2所示。
表2 SOA優(yōu)化PID控制參數(shù)
綜合茶葉殺青機(jī)溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及表1、2的PID控制參數(shù),在MATLAB SIMULINK模塊下建立常規(guī)PID控制系統(tǒng)和SOA-PID控制系統(tǒng)的仿真模型,如圖7所示。
為了驗(yàn)證系統(tǒng)的抗干擾能力,在系統(tǒng)運(yùn)行至300s時(shí)施加一個(gè)干擾信號(hào)。
圖7 SIMULINK搭建的溫度控制系統(tǒng)仿真模型
圖8 常規(guī)PID和SOA-PID控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線
對(duì)系統(tǒng)分別采用常規(guī)PID控制和SOA-PID控制時(shí),其單位階躍響應(yīng)曲線如圖8所示。
對(duì)比常規(guī)PID控制和SOA-PID控制的仿真曲線,可以看出:
(1) 常規(guī)PID控制下,系統(tǒng)的超調(diào)量σp1≈6%,調(diào)節(jié)時(shí)間ts1≈200s,穩(wěn)態(tài)誤差ess1=0;SOA-PID控制下,系統(tǒng)的超調(diào)量σp2≈1.3%,調(diào)節(jié)時(shí)間ts2≈150s,穩(wěn)態(tài)誤差ess2=0。
(2)常規(guī)PID控制的響應(yīng)曲線在沒有達(dá)到穩(wěn)態(tài)前出現(xiàn)了明顯的振蕩現(xiàn)象,SOA-PID控制的響應(yīng)曲線較平穩(wěn),幾乎未發(fā)生振蕩。
(3)SOA-PID控制的響應(yīng)曲線在遇到干擾時(shí)重新回到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間明顯低于常規(guī)PID控制。
因此,茶葉殺青機(jī)溫度控制系統(tǒng)采用SOA-PID控制比常規(guī)PID控制的控制性能明顯提高,系統(tǒng)超調(diào)較小,穩(wěn)定速度快,抗干擾能力強(qiáng),具有更好的動(dòng)態(tài)性能。
本文針對(duì)常規(guī)PID控制的缺陷和不足,對(duì)SOA-PID控制在滾筒式茶葉殺青機(jī)溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明SOA-PID控制能使茶葉的殺青加工在核心工藝參數(shù),即溫度控制方面取得明顯的改善,得到的具體結(jié)論如下:
(1)SOA-PID控制在茶葉殺青機(jī)溫度控制中,調(diào)節(jié)時(shí)間短,超調(diào)量小,穩(wěn)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性均較為優(yōu)秀,通過SOA算法可以實(shí)現(xiàn)茶葉殺青機(jī)智能控制系統(tǒng)中較為優(yōu)秀的溫度控制策略。
(2)SOA-PID控制下的茶葉殺青機(jī)溫度控制系統(tǒng)控制性能優(yōu)秀,可以極大地提高和保證茶葉的加工質(zhì)量,滿足殺青工藝對(duì)溫度的控制要求,保證茶葉的殺青效果。
(3)SOA-PID控制下的茶葉殺青機(jī)溫度控制系統(tǒng)以常規(guī)PID控制為基礎(chǔ),可以很好地滿足滾筒式茶葉殺青機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制要求,具備了應(yīng)用到實(shí)際殺青加工中的條件,該研究也為茶葉殺青機(jī)在智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方面提供了一定的理論依據(jù)。
佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2021年1期