食品烘干設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘霞

河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院（鄭州 450018）

所謂干燥是指將物料表面或內(nèi)部的水分揮發(fā)掉，確保物料含水量保持在規(guī)定水平。隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)物質(zhì)的需求和質(zhì)量要求也越來越高，特別是食品安全問題[1-3]。為提高食品保質(zhì)期，干燥成為食品加工過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。但是食品干燥工藝耗能巨大，其直接影響企業(yè)的生產(chǎn)成本和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力[4-5]。為降低能耗，可改良食品干燥工藝或提高溫度控制精度。對(duì)于食品烘干設(shè)備來說，其溫度控制系統(tǒng)大多具有時(shí)延性、非線性等特點(diǎn)，僅采用常規(guī)PID控制很難實(shí)現(xiàn)溫度的高精度控制[6-8]。針對(duì)這些問題，眾多研究者將智能算法引入到烘干設(shè)備溫度控制系統(tǒng)，以提高溫度控制的準(zhǔn)確性、快速性和穩(wěn)定性[9-12]。如靳淑祎[13]以自動(dòng)鏈板式茶葉烘干機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略，將粒子群算法引入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并與PID控制相結(jié)合，該溫度控制方法響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，可實(shí)現(xiàn)對(duì)熱風(fēng)溫度的恒溫控制。吳曉強(qiáng)等[14]設(shè)計(jì)一種基于模糊PID的茶葉烘干機(jī)恒溫控制系統(tǒng)，利用變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)熱風(fēng)爐的排煙量，確保熱風(fēng)溫度恒定，進(jìn)而保證茶葉品質(zhì)。張東虞等[15]設(shè)計(jì)一種基于模糊自整定PID控制的綠茶微波烘干溫控裝置，并采用AT89C52作為控制核心，結(jié)合溫度、濕度傳感器實(shí)現(xiàn)綠茶溫度和濕度控制?；诖?，根據(jù)現(xiàn)有研究成果，設(shè)計(jì)一種食品烘干設(shè)備溫度控制方法，整合改進(jìn)粒子群算法和分?jǐn)?shù)階PID控制，通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證所述方法的可行性和有效性。

1 微波烘干裝置簡(jiǎn)介

烘干設(shè)備主要包括上料裝置、傳送裝置、烘干裝置、出料裝置及控制系統(tǒng)。其中，上料裝置由料斗和對(duì)應(yīng)控制電路組成；傳送裝置由步進(jìn)電機(jī)和傳送帶組成；出料裝置主要由分揀裝置和出料漏斗組成。烘干裝置是整個(gè)設(shè)備的核心，主要包括烤箱、微波管、變頻器、溫濕度傳感器及對(duì)應(yīng)控制電路。烘干設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

烘干設(shè)備各部分功能可描述為：1）上料裝置，可實(shí)現(xiàn)待烘干物料的均勻布置，確保物料在傳送帶上厚度均勻、間距合適；2）傳送部分，可實(shí)現(xiàn)物料位置的精準(zhǔn)控制，確保物料處于烤箱有效工作區(qū)域；3）出料裝置，將已經(jīng)烘干處理的物料放置到待包裝工位；4）烘干裝置，整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部件，所涉及烘干設(shè)備包含3個(gè)烤箱，其中烤箱1為恒溫控制箱，在其頂部裝有天窗并配備濕度傳感器，根據(jù)水分檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整烤箱2的加熱功率?？鞠?為溫度自整定控制系統(tǒng)，烤箱3為水分自整定控制系統(tǒng)，各烤箱均配備響應(yīng)的溫度傳感器，利用傳感器反饋的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整各烤箱溫度。

以烤箱溫度控制為研究對(duì)象，以STM32單片機(jī)為控制核心，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整和控制。另外，系統(tǒng)配有AM23系統(tǒng)，采用AT89C52單片機(jī)為核心控制元件，完成系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整和控制；采用AM2301溫濕度傳感器、DHT11濕敏傳感器完成溫度、濕度等數(shù)據(jù)采集；可通過步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度；利用變頻器控制微波管加熱頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)烘干溫度調(diào)節(jié)。人機(jī)界面主要用于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、設(shè)備運(yùn)行情況顯示。上位機(jī)可用于集成其他系統(tǒng)或便于擴(kuò)展。控制系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖1 烘干設(shè)備結(jié)構(gòu)

圖2 控制系統(tǒng)組成框圖

2 溫度控制器設(shè)計(jì)

2.1 分?jǐn)?shù)階PID控制器

烘干設(shè)備溫度控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，采用常規(guī)PID控制很難取得理想控制效果。與整數(shù)階PID控制相比，分?jǐn)?shù)階PID控制可在一定程度上提高實(shí)際控制效果，主要原因在于，分?jǐn)?shù)階PID控制的參數(shù)為5個(gè)，增加控制靈活度。

整數(shù)階PID控制的傳遞函數(shù)可表示為

式中：U(s)為系統(tǒng)輸出量；E(s)為系統(tǒng)輸入量；Kp、Ki和Kd分別為比例、積分和微分系數(shù)。如果將式中的微分項(xiàng)和積分項(xiàng)的階次用分?jǐn)?shù)表示，那么分?jǐn)?shù)階PID控制的傳遞函數(shù)可表示為

式中：如果λ=u=1，那么Gf(s)就等同于式（1），說明整數(shù)階PID控制是分?jǐn)?shù)階PID控制的一種特殊形式。另外，分?jǐn)?shù)階PID控制的時(shí)域方程可描述為

式中：D-λ為微分器分?jǐn)?shù)階微分算子；D-u為積分器分?jǐn)?shù)階微分算子。

從式（2）和（3）可以看出，與整數(shù)階PID控制相比，分?jǐn)?shù)階PID控制需要整定的參數(shù)總共有5個(gè)，多了2個(gè)自由度。分?jǐn)?shù)階PID控制具有更高靈活性，控制效果比較理想。

2.2 基于粒子群算法的參數(shù)整定

分?jǐn)?shù)階PID控制器含有5個(gè)參數(shù)，由于烘干設(shè)備溫度控制系統(tǒng)具有滯后性和非線性，雖然其控制靈活度比較高，但是需要實(shí)時(shí)調(diào)整才能獲得比較理想的控制效果。選用粒子群算法實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化，其原理可以描述為：粒子群優(yōu)化算法模擬鳥群覓食過程中遷徙和群集現(xiàn)象搜索最優(yōu)解，每次迭代過程中，算法會(huì)跟蹤局部及全局最優(yōu)解不斷更新粒子的位置和速度，具體算法如式（4）和（5）所示。

式中：ω為慣性權(quán)值系數(shù)；c1和c2均為學(xué)習(xí)因子，常數(shù)且大于零；r1和r2均為隨機(jī)數(shù)，取值范圍介于0和1之間；為粒子飛行速度；為粒子位置為局部最優(yōu)解；為全局最優(yōu)解。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，粒子群算法比較容易陷入局部最優(yōu)，導(dǎo)致算法提前收斂，影響算法執(zhí)行效率。為解決此問題，對(duì)粒子群算法進(jìn)行改進(jìn)。

1) 慣性權(quán)重

慣性權(quán)重系數(shù)ω是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)，合理地確定其數(shù)值能夠平衡算法的局部尋優(yōu)能力和全局尋優(yōu)能力?？傮w來說，ω?cái)?shù)值增大會(huì)提高系統(tǒng)的全局尋優(yōu)能力，ω值減小會(huì)提高系統(tǒng)的局部尋優(yōu)能力。所以，在迭代初期，可選用較大數(shù)值的ω；在迭代后期，可以選用較小數(shù)值的ω。

相應(yīng)地，學(xué)習(xí)因子可表示為

式中：ωmax為慣性權(quán)重系數(shù)最大值；ωmin為慣性權(quán)重系數(shù)最小值；t為迭代次數(shù)當(dāng)前值；tmax為迭代次數(shù)最大值。綜合考慮，ωmax可設(shè)定為0.9，ωmin可設(shè)定為0.4。

從式（6）可以看出，隨著迭代次數(shù)增加，ω?cái)?shù)值動(dòng)態(tài)變化，迭代初期ω?cái)?shù)值較?。浑S著迭代次數(shù)增加，ω?cái)?shù)值逐漸變大；達(dá)到某個(gè)迭代次數(shù)后，ω?cái)?shù)值就會(huì)減小。在算法前期階段，可在粒子本身附近進(jìn)行局部尋優(yōu)，緊接著可進(jìn)行全局尋優(yōu)，以及局部精準(zhǔn)尋優(yōu)。

2) 極值擾動(dòng)算子

粒子群算法的速度更新存在缺陷，有可能導(dǎo)致算法陷入局部最優(yōu)，此時(shí)往往無法準(zhǔn)確獲取全局最優(yōu)解。為解決此問題，考慮擴(kuò)大粒子搜索范圍，具體表達(dá)式為

式中：i表示一個(gè)隨機(jī)數(shù)，取值介于0和1之間；Pibest為局部尋優(yōu)極值點(diǎn)；Gibest為全局尋優(yōu)極值點(diǎn)。

基于改進(jìn)粒子群算法的PID參數(shù)整定原理如圖3所示。

圖3 改進(jìn)粒子群PID控制原理圖

3 仿真與試驗(yàn)

3.1 仿真

為驗(yàn)證所述基于改進(jìn)粒子群的PID控制算法的可行性和有效性，對(duì)食品烘干設(shè)備溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。作為對(duì)比，在單位階躍響應(yīng)下，引入傳統(tǒng)PID控制仿真。仿真結(jié)果如圖4所示，基于改進(jìn)粒子群的PID算法的超調(diào)量明顯小于傳統(tǒng)PID控制，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間出現(xiàn)一定程度縮減，基本上可以實(shí)現(xiàn)高精度自適應(yīng)溫度控制。

圖4 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證溫度控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾性能，設(shè)定目標(biāo)溫度100 ℃，在400 s時(shí)突然施加一個(gè)外部干擾使溫度突變到110 ℃。抗干擾仿真結(jié)果如圖5所示，基于改進(jìn)粒子群優(yōu)化的PID控制能夠較快穩(wěn)定至目標(biāo)溫度，而且超調(diào)量小，即系統(tǒng)具有一定抗干擾性能，魯棒性強(qiáng)。

圖5 抗干擾仿真結(jié)果

3.2 試驗(yàn)分析

將所設(shè)計(jì)的改進(jìn)粒子群PID控制方法應(yīng)用于食品烘干設(shè)備溫度控制系統(tǒng)中，設(shè)定烘干目標(biāo)溫度90 ℃，每隔2 min采集1次烤箱烘干溫度。同樣，傳統(tǒng)PID控制作為對(duì)比，分別采集不同時(shí)刻烘干溫度并記錄。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，如果采用傳統(tǒng)PID控制，實(shí)際烘干溫度的最大誤差約6 ℃；而采用改進(jìn)粒子群PID控制方法時(shí)，實(shí)際烘干溫度的最大偏差只有1 ℃。數(shù)據(jù)對(duì)比表明，改進(jìn)粒子群PID控制精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制，可以滿足相關(guān)行業(yè)控制要求。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

為提高食品烘干設(shè)備溫度控制精度，設(shè)計(jì)一種基于改進(jìn)粒子群算法的溫度控制系統(tǒng)，利用粒子群算法實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)階PID控制5個(gè)參數(shù)的在線調(diào)整。通過動(dòng)態(tài)選取慣性權(quán)重系數(shù)和引入極值擾動(dòng)算子實(shí)現(xiàn)粒子群算法的優(yōu)化和改進(jìn)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，所述控制方法具有控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可滿足相關(guān)行業(yè)控制要求。