基于PLC 的食品烘干箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張可欣，李成軍，陳忠加，袁湘月

（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

溫度作為一個(gè)十分重要的物理量在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生以及食品加工等領(lǐng)域都被密切關(guān)注。對(duì)于食品加工行業(yè)而言，食品含水量過高會(huì)導(dǎo)致其變質(zhì)[1]，因此，對(duì)食品進(jìn)行烘干處理有利于運(yùn)輸、儲(chǔ)存與后續(xù)加工[2]。在干燥過程中，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品含水量的有效降低[3]，對(duì)溫度的控制非常重要[4]。為提升產(chǎn)品質(zhì)量，延長設(shè)備壽命，提高生產(chǎn)效率和降低能耗[5]，采用化石能源燃燒供熱來控制溫度的方式已逐漸被淘汰[6]，取而代之的是由溫度控制器作為核心元件的烘干箱。

譚新圓等[7]為實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能和得到高品質(zhì)糧食的干燥目標(biāo)，利用單片機(jī)判斷烘干機(jī)內(nèi)干燥狀態(tài)，從而有效控制加熱功率。馬林森[8]將單片機(jī)作為糧食烘干機(jī)的溫度控制器，實(shí)現(xiàn)了溫度與濕度的自動(dòng)控制，且大大節(jié)省了人工成本。王佳寶等[9]將可編程邏輯控制器（Programmable logic controller，PLC）應(yīng)用于棉籽烘干機(jī)的溫度控制系統(tǒng)之中，結(jié)果表明：由PLC 所控的制溫度系統(tǒng)能大幅度提升棉花的質(zhì)量。ünlü 等[10]利用PLC 控制南瓜籽烘干機(jī)的風(fēng)速、溫度和濕度，能在提升南瓜籽質(zhì)量的同時(shí)有效縮短干燥時(shí)間。相比于人工經(jīng)驗(yàn)控制或傳統(tǒng)電氣元器件控制，自動(dòng)化控制能夠準(zhǔn)確按照要求高效地完成干燥，進(jìn)而達(dá)到較為理想的干燥效果[11]。

針對(duì)烘干時(shí)溫度控制中存在的大慣性、大滯后、非線性等問題[12]，一些學(xué)者將溫度控制算法（如：傳統(tǒng)比例-積分-微分（Proportion-integral-derivative，PID）控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法等[13]）運(yùn)用于控制中。它們能有效地解決溫度控制過程中所存在的問題，并大大提升溫度控制的精度。

靳淑祎[14]通過多層前饋（Back propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制茶葉烘干機(jī)溫度系統(tǒng)，研究表明：采用此方法對(duì)溫度進(jìn)行控制能減小超調(diào)量，從而實(shí)現(xiàn)恒溫控制。Li 等[15]為提高糧食烘干機(jī)的溫度控制精度，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行控制。Maleki 等[16]采用遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方式對(duì)烘干機(jī)進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到提升產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

除神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法以外，PID 控制算法以及模糊控制算法都被廣泛地運(yùn)用在烘干機(jī)的溫度控制之中。尹協(xié)鎮(zhèn)等[17]在谷物烘干機(jī)溫度控制中采用PID 控制算法對(duì)冷熱風(fēng)進(jìn)風(fēng)比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，使烘干的熱風(fēng)溫度能快速、穩(wěn)定的保持在設(shè)定溫度附近，減少了因熱風(fēng)溫度波動(dòng)大而造成的不必要損失。魏詩琴等[18]將PID 控制算法運(yùn)用于茶葉烘干機(jī)中，結(jié)果表明，相比于人工控制，PID 控制能實(shí)現(xiàn)較高的控制精度，并很好地減小穩(wěn)態(tài)誤差。Dai 等[19]利用改進(jìn)的PID控制算法提高了糧食烘干機(jī)溫度控制系統(tǒng)的抗干擾能力，并增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。陳洪軍等[20]采用模糊控制算法于糧食烘干機(jī)的溫度控制系統(tǒng)中，使得糧食烘干過程中具有良好的魯棒性和控制穩(wěn)定性。許才花等[21]運(yùn)用模糊控制算法對(duì)糧食烘干機(jī)的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，有效地解決了溫度控制過程中存在的非線性、干擾噪聲和大滯后等問題。Chen 等[22]的研究表明：采用模糊控制算法的烘干機(jī)擁有超調(diào)量少，響應(yīng)速度快，魯棒穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

由此可見，雖然傳統(tǒng)PID 控制算法和模糊控制算法各有一定的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于控制溫度系統(tǒng)的效果而言，兩種控制算法均仍然存在不足。PID 控制算法容易產(chǎn)生超調(diào)和振蕩，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性差[23]。模糊控制雖然可以減少控制系統(tǒng)的振蕩，卻易產(chǎn)生較大的穩(wěn)態(tài)誤差[24]。因此，將傳統(tǒng)PID 控制算法與其他算法結(jié)合是一種必然的趨勢。模糊PID 復(fù)合控制算法與模糊PID 切換控制算法作為PID 控制算法和模糊控制算法的有效結(jié)合，將其運(yùn)用到進(jìn)行溫度控制中，控制效果在一定程度上優(yōu)于PID 控制算法和模糊控制算法，且系統(tǒng)能克服參數(shù)的自整定問題，實(shí)現(xiàn)超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時(shí)間短、穩(wěn)態(tài)誤差小的性能[25-27]。

沈艷河等[28]設(shè)計(jì)的以模糊PID 復(fù)合控制器為核心的食品烘干機(jī)能夠顯著提高熱風(fēng)溫度的控制精度，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力。Jun 等[29]采用模糊PID 復(fù)合控制算法對(duì)木材烘干機(jī)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，能實(shí)現(xiàn)較好的穩(wěn)態(tài)特性。林榮川等[30]將模糊PID 切換算法用于茶烘焙機(jī)的溫度調(diào)節(jié)，使得在小超調(diào)的情況下能得到最短的溫度調(diào)節(jié)時(shí)間。

為比較PID 控制、模糊控制、模糊PID 復(fù)合控制、模糊PID 切換控制4 種控制算法對(duì)提升烘干箱溫度控制精度的影響，使用西門子S7-200 SMART PLC進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并采用昆侖通態(tài)觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。同時(shí)，為達(dá)到提高烘干箱溫度控制精度的目的，本研究在對(duì)傳統(tǒng)PID 控制與模糊控制兩種控制算法進(jìn)行結(jié)合并加以改進(jìn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)形式的模糊PID 控制算法，即模糊PID 復(fù)合控制算法和模糊PID 切換控制算法。為更加直觀清晰地比較上述4 種控制算法對(duì)提升烘干箱溫度控制精度的影響，采用梯形圖語言對(duì)上述4 種控制算法進(jìn)行了表達(dá)及PLC 控制烘干箱的試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 烘干箱硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)烘干箱的設(shè)計(jì)要求，對(duì)其硬件進(jìn)行選型，并按照烘干箱原理（圖1）對(duì)硬件電路進(jìn)行搭建（圖2）。

圖1 烘干箱原理圖Fig.1 Schematic diagram of drying box

圖2 烘干箱硬件實(shí)物圖Fig.2 Diagram of drying box hardware

烘干箱溫度的采集方式為：溫度傳感器將得到的信號(hào)傳給溫度變送器，使得信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量處理模塊能夠進(jìn)行處理的4~20 mA 的電流信號(hào)。隨后，經(jīng)模擬量處理模塊處理為PLC 可處理的數(shù)字量。在溫度控制中，用觸摸屏對(duì)溫控箱進(jìn)行相應(yīng)的啟動(dòng)和停止。程序啟動(dòng)后，PLC 的輸出端進(jìn)行輸出，電流通過中間繼電器線圈時(shí)，則其常開觸點(diǎn)閉合，進(jìn)而使電流通過交流接觸器線圈。此后，交流接觸器的常開觸點(diǎn)閉合。PLC 根據(jù)溫度信號(hào)利用已經(jīng)編好的程序?qū)囟冗M(jìn)行相應(yīng)的控制，輸出可進(jìn)行脈寬調(diào)制的數(shù)字量信號(hào)驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器的開閉，進(jìn)而控制加熱管加熱。同時(shí)，通過觸摸屏與PLC 之間的通訊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控箱溫度的監(jiān)控以及設(shè)定溫度值的修改。

2 軟件程序與觸摸屏界面設(shè)計(jì)

由于本研究使用西門子S7-200 SMART PLC 對(duì)溫控箱的溫度進(jìn)行控制，所以用STEP7-Micro WIN SMART 的梯形圖進(jìn)行軟件程序的設(shè)計(jì)。其主要流程圖見圖3。

圖3 程序整體流程圖Fig.3 The overall flow chart of the program

2.1 PID 控制算法

PID 控制算法原理見圖4。

圖4 PID 控制算法原理Fig.4 The principle of PID control algorithm

PID 控制算法是將給定值r（t）與輸出值y（t）的偏差e（t）通過比例、積分、微分的線性計(jì)算得到控制器的輸出值u（t），進(jìn)而控制被控對(duì)象。借助STEP7-Micro WIN SMART 的PID 指令進(jìn)行PID 控制算法的軟件設(shè)計(jì)。PID 控制算法主要由3 部分組成：PID 主程序、PID 子程序、中斷程序。在PID 子程序中給PID參數(shù)表進(jìn)行相應(yīng)的賦值并設(shè)置中斷0 相應(yīng)的參數(shù)。在中斷中，調(diào)用PID 指令并進(jìn)行相應(yīng)的輸出。采用試湊法得到比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)分別為3、0.002、23。PID 部分程序如圖5 所示。

圖5 PID 部分程序Fig.5 The part program of PID

2.2 模糊控制算法

對(duì)于模糊控制算法而言，是類似于人腦的模糊性思維而提出的，其原理見圖6。

圖6 模糊控制算法原理Fig.6 The principle of fuzzy control algorithm

選取二維模糊控制器，即通過偏差e（t）及偏差的變化率de（t）/dt，再通過模糊控制得到輸出值u（t）來控制被控對(duì)象。根據(jù)實(shí)際情況，為輸入輸出量選擇的模糊論域與基本論域[a，b]見表1。同時(shí)，選取輸入輸出量的模糊語言集合均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

表1 模糊控制參數(shù)Table 1 Parameters of fuzzy control

由于三角形隸屬度函數(shù)計(jì)算方便簡單，所以模糊化后的偏差E、偏差變化率EC 以及輸出值U 隸屬度函數(shù)均選用此函數(shù)。根據(jù)相應(yīng)的控制規(guī)則，通過MATLAB 模糊控制器，可得到模糊規(guī)則對(duì)應(yīng)的模糊控制輸出值（見表2）。

由于PLC 對(duì)于負(fù)數(shù)的處理較為復(fù)雜且不方便進(jìn)行計(jì)算，因此，將輸出值U 的數(shù)值大小加3 使其取值范圍從原來[-3,3]變?yōu)閇0,6]，并在程序中將表2 的數(shù)據(jù)按照由上到下、由左到右的順序填入相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)域。為準(zhǔn)確尋找模糊化的偏差E 和模糊化的偏差變化率EC 相應(yīng)數(shù)值時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出值U 的大小，采用偏移尋址與間接尋址相結(jié)合的方式進(jìn)行尋址，即表首地址+(VW200+6)×4+(VW300+6)×52。在此尋址表達(dá)式中，VW200 和VW300 分別表示存儲(chǔ)偏差和偏差變化率的模糊語言數(shù)值量的地址。根據(jù)在程序中模糊控制輸出值表的對(duì)應(yīng)關(guān)系和PLC 變量存儲(chǔ)空間大小，通過表首地址+(VW200+6)×4+(VW300+6)×52 可進(jìn)行尋址，通過尋址得到的數(shù)值將存入VD1120 中（圖7）。

圖7 輸出量尋址程序Fig.7 Output addressing program

表2 模糊控制輸出值Table 2 Output values of fuzzy control

2.3 模糊PID 復(fù)合控制算法

對(duì)于模糊PID 復(fù)合控制算法而言，由其原理可知，其模糊控制器是將輸出的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)的變化量給PID 控制器進(jìn)行處理，進(jìn)而達(dá)到模糊PID 復(fù)合控制。其原理如圖8 所示。

圖8 模糊PID 復(fù)合控制原理圖Fig.8 Principle diagram of fuzzy PID compound control

同模糊控制設(shè)計(jì)步驟相同，首先需要對(duì)偏差e（t）、偏差變化率de（t）/dt 以及3 個(gè)輸出的基本論域[a，b]和模糊論域進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定（表3）。同樣選取模糊語言集合{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}以及采用三角形隸屬度函數(shù)，根據(jù)相應(yīng)的控制規(guī)則，通過MATLAB模糊控制器，可得到其對(duì)應(yīng)的模糊控制輸出值，表4所示為比例系數(shù)的輸出值。

表3 模糊PID 復(fù)合控制參數(shù)Table 3 Parameters of fuzzy PID compound control

表4 模糊PID 復(fù)合控制KP 輸出值Table 4 The KP output values of fuzzy PID compound control

由于PLC 對(duì)于負(fù)數(shù)的處理較為復(fù)雜且不方便進(jìn)行計(jì)算，因此，將比例系數(shù)、積分系數(shù)與微分系數(shù)的數(shù)值加6 使得取值范圍變?yōu)閇0,11]，并在程序中將表中數(shù)據(jù)按照由上到下、由左到右的順序填入相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)域。為準(zhǔn)確尋找模糊化的偏差E 和模糊化的偏差變化率EC 相應(yīng)數(shù)值所對(duì)應(yīng)的3 個(gè)系數(shù)的大小，采用偏移尋址與間接尋址相結(jié)合的方式進(jìn)行，即表首地址+(VW200+6)×4+(VW300+6)×52。將通過尋址得到比例系數(shù)、積分系數(shù)與微分系數(shù)的數(shù)值分別存入VD1120、VD1226、VD1320 中。圖9 為△KP尋址程序。

圖9 △KP 尋址程序Fig.9 △KP addressing program

2.4 模糊PID 切換控制算法

模糊PID 切換控制算法的軟件設(shè)計(jì)只需通過閾值條件在兩種算法中切換，其余模糊控制算法以及PID 控制算法的軟件程序與上文相同。原理圖如圖10 所示。

圖10 模糊PID 切換控制原理圖Fig.10 Principle diagram of fuzzy PID switching control

根據(jù)下式和試驗(yàn)調(diào)試結(jié)果，設(shè)定閾值為0.14 ℃，當(dāng)偏差的絕對(duì)值小于0.14 ℃時(shí)，執(zhí)行PID 控制；當(dāng)偏差的絕對(duì)值大于0.14 ℃時(shí)，執(zhí)行模糊控制。模糊PID切換控制程序如圖11 所示。

圖11 模糊PID 切換控制程序Fig.11 The program of fuzzy PID switching control

式中：e 表示偏差，℃；a 表示偏差基本論域下限值，℃；b 表示偏差基本論域上限值，℃。

2.5 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

根據(jù)溫控箱溫度控制的需要，制作的觸摸屏界面主要包括：首頁、主菜單、功能界面、用戶管理界面、報(bào)警信息界面、溫度記錄曲線（見圖12）。

圖12 觸摸屏界面Fig.12 Interface of touch screen

3 結(jié)果與分析

烘干箱溫度控制系統(tǒng)的試驗(yàn)，不但能體現(xiàn)其工程價(jià)值，還能對(duì)烘干箱進(jìn)行溫度調(diào)控的實(shí)際操作，進(jìn)一步驗(yàn)證該程序的正確性。本研究選取調(diào)整時(shí)間、超調(diào)量與穩(wěn)態(tài)誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.1 PID 控制算法分析

使溫烘干溫度從30 ℃升溫至72 ℃，在觸摸屏上觀察溫度變化曲線，PID 控制算法得到的溫度變化曲線如圖13 所示。通過試驗(yàn)曲線可以看出，其超調(diào)量為3.3%，調(diào)節(jié)時(shí)間為480 s，穩(wěn)態(tài)誤差為-0.9~0.6 ℃。

圖13 PID 控制曲線Fig.13 Curve of PID control

3.2 模糊控制算法分析

使烘干箱溫度從30 ℃升溫至72 ℃，在觸摸屏上觀察溫度變化曲線。模糊控制算法得到的溫度變化曲線見圖14。通過試驗(yàn)曲線可以看出，其穩(wěn)態(tài)誤差為-1.46~-0.9 ℃，調(diào)整時(shí)間為329 s，無超調(diào)量。

圖14 模糊控制曲線Fig.14 Curve of fuzzy control

3.3 模糊PID 復(fù)合控制算法分析

使烘干箱溫度從30 ℃升溫至72 ℃，在觸摸屏上觀察溫度變化曲線。模糊PID 復(fù)合控制算法得到的溫度變化曲線如圖15 所示。通過試驗(yàn)曲線可以看出，其超調(diào)整時(shí)間為314 s，穩(wěn)態(tài)誤差±0.4 ℃，無超調(diào)量。

圖15 模糊PID 復(fù)合控制曲線Fig.15 Curve of fuzzy PID compound control

3.4 模糊PID 切換控制算法分析

使烘干箱溫度從30 ℃升溫至72 ℃，在觸摸屏上觀察溫度變化曲線。模糊PID 切換控制算法得到的溫度變化曲線如圖16 所示。通過試驗(yàn)曲線可以看出，其調(diào)整時(shí)間為320 s，穩(wěn)態(tài)誤差±0.5 ℃，無超調(diào)量。

圖16 模糊PID 切換控制曲線Fig.16 Curve of fuzzy PID switching control

4 結(jié)論

為更加清晰地對(duì)比控制算法對(duì)溫度控制系統(tǒng)控制精度的影響，將4 條曲線呈現(xiàn)于圖17 中。

圖17 烘干箱控制算法Fig.17 Control algorithms of drying box

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知：調(diào)節(jié)烘干箱溫度使溫度達(dá)到設(shè)定值允許的穩(wěn)態(tài)誤差范圍內(nèi)所需時(shí)間長短為：PID 控制＞模糊控制＞模糊PID 切換控制＞模糊PID 復(fù)合控制；除PID 控制有超調(diào)量外，其余算法均無超調(diào)量；穩(wěn)態(tài)誤差大小依次為：模糊控制＞PID 控制＞模糊PID 切換控制＞模糊PID 復(fù)合控制。當(dāng)溫度由30 ℃上升至設(shè)定溫度72 ℃時(shí)，與模糊PID 切換控制算法相比，模糊PID 復(fù)合控制算法調(diào)節(jié)時(shí)間縮短6 s，穩(wěn)態(tài)誤差減小0.1 ℃。因此，兩種結(jié)構(gòu)形式的模糊PID 控制算法即模糊PID 復(fù)合控制和模糊PID 切換控制在動(dòng)態(tài)以及穩(wěn)態(tài)特性上均優(yōu)于傳統(tǒng)的PID 控制和模糊控制。其中，模糊PID 復(fù)合控制算法在控制效果上均優(yōu)于其他控制算法。