基于智能軌跡導(dǎo)引的果蔬膨化溫度控制

黃琦蘭，魏王悅

天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院（天津 300387）

隨著果蔬加工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，果蔬膨化產(chǎn)品因富含營養(yǎng)和口感酥脆受到青睞。果蔬膨化設(shè)備通常將預(yù)切片處理的原料經(jīng)過高溫和高壓處理，從而得到疏松的膨化產(chǎn)品[1]。果蔬膨化過程的溫度對產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響，溫度過低，會導(dǎo)致無法達(dá)到膨化食品的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)；溫度過高，會破壞營養(yǎng)成分[2]。因此，果蔬膨化加工對溫度指標(biāo)的控制品質(zhì)有較高要求。

果蔬膨化設(shè)備加熱倉溫度常使用的PID調(diào)節(jié)雖方法簡單、易于實現(xiàn)，但在大滯后和多干擾的環(huán)境中難以取得良好的控制效果，常伴隨有超調(diào)產(chǎn)生和穩(wěn)定性差等難題[3]。很多學(xué)者在果蔬膨化溫度控制精度優(yōu)化方面開展了研究，如：陳嬋娟等[4]設(shè)計積分分離單神經(jīng)元PID控制器并對果蔬膨化溫度系統(tǒng)進(jìn)行仿真，使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間縮短，取得良好的控制效果；郝敏[5]采用單神經(jīng)元法使系統(tǒng)波動減少，提高控制精度。然而上述方法會使控制參數(shù)變多，導(dǎo)致整定工作復(fù)雜化。

智能軌跡導(dǎo)引控制（ITGC）[6]是通過規(guī)劃引導(dǎo)曲線，將被控對象平穩(wěn)引導(dǎo)至目標(biāo)值處的控制方法。該算法既整合了傳統(tǒng)PID控制“基于偏差來消除偏差”的思想，又借鑒自抗擾控制中“為系統(tǒng)規(guī)劃合適的過度過程引導(dǎo)被控變量”[7]。

為提升果蔬膨化溫度控制系統(tǒng)品質(zhì)、促進(jìn)果蔬加工業(yè)技術(shù)升級，提出基于智能軌跡導(dǎo)引的果蔬膨化溫度控制方法，在分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后，使用step7軟件開發(fā)智能軌跡導(dǎo)引算法程序塊，建立仿真模型測試程序塊邏輯性和控制效果，完成仿真結(jié)果的分析。

1 果蔬膨化溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于智能軌跡導(dǎo)引的果蔬膨化溫度控制系統(tǒng)以S7-1200PLC為控制核心，通過控制器模擬量輸入模塊采集溫度傳感器傳來的加熱倉實時溫度，經(jīng)PLC中ITGC程序塊運算處理，計算控制輸出信號，通過模擬量輸出模塊作用到觸發(fā)器，進(jìn)而調(diào)節(jié)可控硅電壓實現(xiàn)果蔬物料的加熱處理。整個系統(tǒng)為溫度閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 果蔬膨化溫度控制系統(tǒng)框圖

2 ITGC控制器設(shè)計

2.1 ITGC算法

在PID控制中，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定值與實際測量值有很大的差異時，很可能造成輸出紊亂的后果。智能軌跡導(dǎo)引控制是使系統(tǒng)的給定值循序漸進(jìn)式地改變，從而讓系統(tǒng)輸出平穩(wěn)趨近被控對象的參考值，可減少系統(tǒng)超調(diào)量，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[8]。ITGC結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 ITGC結(jié)構(gòu)圖

控制器從前導(dǎo)系統(tǒng)中提取每個采樣時刻的位置設(shè)定值Pk和速度設(shè)定值Vk，從被控對象中獲取反饋的位置量Pn和速度量Vn，然后分別計算位置量和速度量偏差，得到控制輸出增量表達(dá)式：

由速度的定義得：

采樣時間ts=1時有：

式中：Ap為位置權(quán)重系數(shù)，Av為速度權(quán)重系數(shù)?？刂戚敵鰹椋?/p>

通過式（2）（5）計算偏差ek和控制輸出un。整個過程將控制方式從“目標(biāo)控制”轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑^程控制”[9]，以極小的偏差引領(lǐng)控制輸出，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行?？刂破骷尤雽Ρ豢亓克俣刃畔⒌奶幚?，從而把握被控對象速度變化，有效規(guī)避傳統(tǒng)PID偏差取法簡單[10]造成的不足。

2.2 程序設(shè)計

控制系統(tǒng)使用的西門子S7-1200PLC運算能力強(qiáng)，支持模塊化編程[11]。使用step7軟件設(shè)計ITGC控制器程序塊。PLC總體程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 ITGC程序結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 基本模塊

OB100用于初始化溫度設(shè)定值、ITGC算法各權(quán)重系數(shù)、控制輸出最大值和最小值等。主程序OB1采集溫度信息并保存在存儲區(qū)DB30，PLC進(jìn)入中斷后，ITGC控制器根據(jù)溫度數(shù)據(jù)規(guī)劃前導(dǎo)曲線和計算控制輸出，控制輸出存儲于全局區(qū)，中斷結(jié)束后由OB1將輸出值送至觸發(fā)器，實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。全局存儲區(qū)定義變量如圖4所示。

圖4 全局存儲區(qū)參數(shù)配置

FC4為開關(guān)控制塊，以便在開始時刻膨化設(shè)備溫度值與設(shè)定值相差很大時快速加熱；偏差值到達(dá)ITGC調(diào)節(jié)范圍內(nèi)時，F(xiàn)B1將溫度設(shè)定作用在前導(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)生階躍響應(yīng)，輸出前導(dǎo)曲線；FB2提取前導(dǎo)曲線溫度信息和存儲區(qū)實時溫度，經(jīng)過算法運算得到控制輸出值；FC3對輸出值做限速限幅處理，以保護(hù)加熱裝置。最終輸出值寫入存儲區(qū)并由OB1傳遞至觸發(fā)器。FB1和FB2參數(shù)配置如圖5和圖6所示。

圖5 FB1塊參數(shù)配置

圖6 FB2塊參數(shù)配置

2.2.2 算法塊封裝

在果蔬膨化系統(tǒng)中，有加熱倉與真空膨化罐加熱器等需要溫度控制的場合，將各功能塊封裝于一個程序塊內(nèi)，能方便程序塊的多次調(diào)用。封裝后的FB3程序塊如圖7所示。

圖7 封裝后的ITGC程序塊

3 仿真分析

為驗證智能軌跡導(dǎo)引程序塊在果蔬膨化溫控系統(tǒng)中的有效性，結(jié)合果蔬膨化溫度變化特點，在matlab軟件中建立一階慣性加純滯后模型，分別對PID控制和智能軌跡導(dǎo)引程序塊進(jìn)行測試。采樣周期1 s，溫度設(shè)定40 ℃，時間常數(shù)50，位置系數(shù)1.4，速度系數(shù)9.6，階躍級數(shù)15，得到的PID控制和智能軌跡導(dǎo)引控制響應(yīng)曲線如圖8和圖9所示。

比較圖8和圖9可知，PID控制由于偏差取法簡單而出現(xiàn)嚴(yán)重超調(diào)，超調(diào)量約20%，且調(diào)節(jié)時間長。在200 s時施加干擾，PID控制出現(xiàn)明顯的波動。ITGC整個調(diào)節(jié)過程沒有出現(xiàn)超調(diào)，在50 s時智能軌跡導(dǎo)引控制介入調(diào)節(jié)過程，生成前導(dǎo)曲線，將被控量平穩(wěn)快速地引導(dǎo)至設(shè)定溫度值，整個過程調(diào)節(jié)時間比PID快40 s。150 s處加入擾動后，所產(chǎn)生的波動較小，表現(xiàn)出優(yōu)良的魯棒性和快速性。因此，ITGC算法能顯著提高果蔬膨化溫度控制品質(zhì)，有助于提升果蔬膨化產(chǎn)品質(zhì)量。

圖8 PID控制曲線

圖9 智能軌跡導(dǎo)引控制曲線

4 結(jié)語

為改善果蔬膨化溫度控制品質(zhì)，結(jié)合果蔬膨化溫度變化特點，提出基于智能軌跡導(dǎo)引的溫度控制系統(tǒng)，并使用step7開發(fā)ITGC算法程序塊，實現(xiàn)通過規(guī)劃過渡過程將溫度精準(zhǔn)調(diào)節(jié)至設(shè)定值的控制效果，程序可移植性強(qiáng)，方便算法在果蔬膨化溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。搭建仿真模型分別測試PID和ITGC算法控制性能。測試結(jié)果表明，與PID控制相比，智能軌跡導(dǎo)引控制調(diào)節(jié)時間短，無超調(diào)產(chǎn)生，抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，是提升果蔬膨化加工過程溫度控制質(zhì)量的有效方案。