基于模糊PID的麥冬干燥箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

麥冬Ophiopogon japonicas(L.f.)Ker-Gawl.為百合科(LiLiliaceae)植物麥冬的干燥塊根

。麥冬性微寒、味甘、微苦、熱經(jīng)，能養(yǎng)陰生津、潤肺清心，用于治療肺燥干咳、津傷口渴、心煩失眠、腸燥便秘等

，是一種名貴中藥材，深受廣大消費者喜愛。但由于麥冬具有明顯的季節(jié)性和地域性，收獲季節(jié)為春雨季。剛出土的麥冬很難儲存，鮮麥冬的表皮極易破損黏連，腐爛霉變。藥材產(chǎn)地干燥加工是中藥材生產(chǎn)和品質(zhì)形成的重要環(huán)節(jié)

,傳統(tǒng)的自然晾曬方式干燥時間長，容易被蚊蠅污染，易發(fā)生霉變，無法保證產(chǎn)品品質(zhì)，很難適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)發(fā)展的需求。隨著中藥市場的逐步擴(kuò)大，藥材的干燥加工日趨高效，多種干燥設(shè)備應(yīng)用到藥材產(chǎn)地干燥過程中。在麥冬人工干燥過程中，溫度控制是保證麥冬干燥工藝及控制麥冬品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)。

先行者一號作為首款中國移動5G試驗產(chǎn)品，還將點亮更廣泛的5G行業(yè)應(yīng)用場景，如車聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛、工業(yè)制造、遠(yuǎn)程醫(yī)療等，在社會經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)各領(lǐng)域提供超高帶寬、超低時延的智慧連接服務(wù)，滿足海量設(shè)備實時控制需求，助力智慧中國。

紅外干燥是一種簡便經(jīng)濟(jì)、不受天氣影響的干燥方法。林冰等

人采用陰干、恒溫干燥(40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃)和程序變溫干燥[40 ℃(3 h)→50 ℃(2 h)→60 ℃(2 h)→70 ℃(2 h)→80 ℃(2 h)→60 ℃(2 h)→40 ℃(2 h)]3種方式分別對麥冬進(jìn)行干燥處理，結(jié)果表明，利用程序變溫干燥得到的麥冬有效成分最多。

麥冬紅外干燥箱中控制系統(tǒng)采用多段式溫度控制，最常見的溫度控制方法就是常規(guī)PID控制，該方法雖然控制結(jié)構(gòu)簡單、操作方便且便于實現(xiàn)，但紅外干燥箱內(nèi)部溫度分布不均勻，是一個非線性、時變、大滯后與多變量耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，采用參數(shù)固定的常規(guī)PID溫控系統(tǒng)。很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，所以參數(shù)整定比較困難?；蛘呒词拐ǔ鲆唤M相對比較理想的參數(shù)，但當(dāng)控制對象發(fā)生較小改變時，都很難保證其控制的穩(wěn)定性。

模糊控制是目前成熟的智能控制方法，其采用模糊邏輯把人的控制經(jīng)驗歸納為定性描述的一組條件語言，利用模糊集理論，將其定量化，使控制器模仿人的操作策略。模糊控制具有很強(qiáng)的魯棒性和穩(wěn)定性，大量理論研究和實踐證明，模糊控制理論是溫度控制系統(tǒng)中一種常用的方法策略。

1 干燥箱溫度控制系統(tǒng)

1.1 硬件組成

式(1)中，

(

)為PID控制器輸出；

(

)為給定值與被控對象輸出的偏差，作為輸入送往PID控制器；

為控制器的比例系數(shù)；

為控制器的積分時間常數(shù)；

為控制器的微分時間常數(shù)。

1.2 PID控制原理

PID控制系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成，初始時刻系統(tǒng)給定輸入

(

),得到一個系統(tǒng)輸出

(

),然后經(jīng)過反饋后得到偏差

(

),經(jīng)過比例、積分和微分等環(huán)節(jié)的處理，再進(jìn)行線性相加得到控制量，實現(xiàn)對被控對象的控制。其控制規(guī)律為

PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和適用范圍廣等優(yōu)點，已成為目前工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最常見的控制器，常規(guī)PID控制器原理框圖如圖2所示。

(1)

本文中設(shè)計的模糊PID控制系統(tǒng)硬件部分主要由工業(yè)計算機(jī)、功率調(diào)整器及干燥箱等組合而成，其硬件組成框圖如圖1所示。

在PID控制系統(tǒng)中，主要從響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、超調(diào)量及穩(wěn)態(tài)誤差幾方面來評價系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣，在PID控制器中各校正環(huán)節(jié)的作用如下。

比例環(huán)節(jié)：成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號

(

),偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。比例越大系統(tǒng)反應(yīng)越快。

積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度(即誤差減少)。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)

,

越小，積分作用越強(qiáng)，反之則越弱。但積分時間太小容易引起系統(tǒng)振蕩。

微分環(huán)節(jié)：反應(yīng)偏差信號的變化趨勢(即變化速率)，能在偏差信號變得太大之前，引入有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。微分時間越大，作用越強(qiáng)(即產(chǎn)生一定的抑制作用)。

對于現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，要求具有更快速、更精確、更穩(wěn)定的控制過程，常規(guī)的PID表現(xiàn)出一定的局限性，主要體現(xiàn)在：

鼓勵學(xué)生積極將實訓(xùn)課題與院系的創(chuàng)新科研相結(jié)合，利用現(xiàn)有條件在完成實訓(xùn)作業(yè)的同時參加各項物聯(lián)網(wǎng)工程的相關(guān)專業(yè)比賽，如各級機(jī)器人大賽，藍(lán)橋杯、ACM等程序設(shè)計比賽。培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、動手實踐能力與團(tuán)隊協(xié)作能力。

1)需要已知系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，即被控對象是固定的，不變化的。常規(guī)PID控制系統(tǒng)沒有自適應(yīng)能力，在面對時變、不確定的系統(tǒng)時難以達(dá)到理想的控制效果；

2)PID控制器整定好的控制參數(shù)只適用于非線性對象的某一階段，對其他階段的控制對象難以取得理想效果。

為方便軟件使用，提供了功能塊與結(jié)構(gòu)體，在使用溫度控制庫的過程中，至少存在一個實體，至少創(chuàng)建一個FB_TempController功能塊和一個ST_ControlParameter結(jié)構(gòu)體，并定義功能塊相關(guān)外部鏈接，F(xiàn)B_TempController功能塊如圖5所示。

1.3 模糊PID控制器設(shè)計

模糊PID控制的本質(zhì)是在常規(guī)PID的基礎(chǔ)上，利用模糊邏輯并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對PID的參數(shù)進(jìn)行實時優(yōu)化，以克服傳統(tǒng)PID控制器無法實時調(diào)整PID參數(shù)的不足，模糊PID控制器如圖3所示。

嚴(yán)躍進(jìn)認(rèn)為，嚴(yán)格來說，房產(chǎn)稅按套內(nèi)面積征收引發(fā)民怨較小。從更長遠(yuǎn)的觀點看，未來要建設(shè)開放式街區(qū)小區(qū)環(huán)境，公共通道部分該如何征稅，會否增加公攤面積，如何緩解社會矛盾，都值得深思。

交叉切割后的試驗區(qū)用膠粘帶粘過后，對漆膜脫落面積進(jìn)行計算，計算出的數(shù)值作為評定結(jié)果的參考數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果的分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。[1]

在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)模型參數(shù)變化或者是模型結(jié)構(gòu)的變化，造成名目繁多的不確定性，使得PID控制器原整定參數(shù)無法保證系統(tǒng)繼續(xù)良好地運行，這就要求PID控制器隨著系統(tǒng)模型的變化具有在線修正參數(shù)的功能。

老板娘一邊說，一邊朝門外瞅，見沒有人經(jīng)過，她才放低聲音神神秘秘地說：“聽說那天載去的一車人，有的人穿著制服，有的穿的便衣，他們每個人身上都帶著家伙，聽說有的手里拿著警棍。有的人腰上還別著槍哩。 很多人見勢不對，就趕緊走了，只有周二這個人一根筋，他一個人還在那兒理直氣壯地較著勁，結(jié)果派出所的人就把他抓起來了。”

系統(tǒng)中的溫度傳感器會實時采集干燥箱內(nèi)的溫度，控制系統(tǒng)經(jīng)過計算得到當(dāng)前值與設(shè)定值的偏差

及與上次偏差的變化

兩個值，通過模糊理論建立比例因子

、積分因子

、微分因子

與系統(tǒng)偏差

與偏差變化率

之間的關(guān)系

=

′

+

(

,

)=

′

+△

(2)

=

′

+

(

,

)=

′

+△

(3)

=

′

+

(

,

)=

′

+△

(4)

其實現(xiàn)的具體過程是：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時，將偏差與偏差變化率轉(zhuǎn)化為模糊變量，通過建立的模糊規(guī)則選擇合適的輸出，經(jīng)解模糊后，送往PID控制器，此時PID控制器的三個參數(shù)得到修正，系統(tǒng)對修正后的比例、積分、微分進(jìn)行控制，直到無偏差。

1.4 參數(shù)自整定

自整定算法是基于傳統(tǒng)的曲線切線法。該方法最初由Ziegler和Nichols創(chuàng)立。其假設(shè)被測對象是一個具有延時特性的線性P-TI回路，最大變化率由階躍響應(yīng)實驗值確定。

2 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

這種情況下，西王方面緊急行動，首先是用摒棄前嫌請來了落跑外援勞森，然后用“小詹姆斯”桑普森臨時替換莫泰；針對本土球員戰(zhàn)斗力不強(qiáng)的弱點，吳慶龍請來了自己的老搭檔、遼寧老鄉(xiāng)接君……

江蘇鎮(zhèn)江是中原逃難官員、百姓的聚散之地，那里遷入了不少從中原南下的士庶，今日猶有案可稽。如高桂為丹徒人，曾任高郵知州，祖籍為開封，建炎南渡時，他隨逃難人群渡江，寓居京口(鎮(zhèn)江)；丹陽(今鎮(zhèn)江)先世居河南洛陽，尹焞隨宋室南渡，徙居浙江紹興，是為尹氏南遷始祖。傳四世至尹國寧，由浙東再遷鎮(zhèn)江府丹陽黃連莊，是為丹陽尹氏始祖?！?/p>

在工程應(yīng)用中，用PLC或工控機(jī)組成硬件部分，通過構(gòu)造具有自整定功能的模糊PID控制器，通過一按鍵或者簡單參數(shù)設(shè)置，就可由控制器自身來完成參數(shù)的整定，不需要人工干預(yù)。運用自整定的方法與人工整定相比，無論在時間節(jié)省方面還是控制精度上都得以大幅提高，增進(jìn)了經(jīng)濟(jì)效益。

模糊控制包括模糊化、確定模糊規(guī)則、解模糊等組成部分，如圖4所示。

本文介紹Beckhoff公司針對PC開發(fā)的軟件開發(fā)平臺TwinCAT3,內(nèi)部集成溫度控制器包含自整定算法功能塊(FB_selftuner)、控制算法功能塊(FB_ControlAlgorithm)、設(shè)定值發(fā)生器功能塊(FB_SetpointConditioner)、控制值發(fā)生器功能塊(FB_ControlValueConditioner)、報警功能塊(FB_Alarming)，用戶不需要專門的編程工具就能實現(xiàn)溫度模糊控制單元編程、知識庫建立等。

值得注意的是，賣房求生的*ST大唐同時還在賣股權(quán)。11月27日，*ST大唐披露稱，公司正在籌劃將所持成都線纜46.478%的股權(quán)轉(zhuǎn)讓給烽火通信，此次交易如果能夠年內(nèi)完成，將進(jìn)一步減輕*ST大唐的暫停上市壓力。

2.1 軟件功能塊

然而，在紅外干燥箱的被控對象具有大慣性、大時滯、時變等特點的非線性系統(tǒng)。因此，需要引進(jìn)更加智能和先進(jìn)的控制來彌補(bǔ)常規(guī)PID的缺陷，提高控制系統(tǒng)的性能。

從FB_TempController功能塊可以看出，該功能塊支持1路輸入、2路輸出(1路模擬量、1路PWM輸出)的模糊運算，參數(shù)設(shè)置主要由sControlParameter數(shù)據(jù)引腳完成。在程序中采用ST文本編程調(diào)用FB_TempController功能塊如圖6所示。

營地處于郊外，環(huán)境非常好，令人驚喜的是，還經(jīng)常會有蜘蛛、兔子和狐貍來拜訪我們。入營當(dāng)晚，我們就認(rèn)識了許多外國朋友，有西班牙的，也有波蘭的，還有德國、法國、意大利、俄羅斯的……因為我們是為數(shù)不多的中國人，他們對我們都很好奇，圍著我們談?wù)摿嗽S多話題。與他們交往的過程中，我們不光提升了自己的英語能力，也了解了不少各國人文風(fēng)情，更收獲了一份友誼。這就是我游學(xué)最重要的目的：在這里，我有了很多和外國人交流的機(jī)會，也讓自己的英語得到了很好的鍛煉。

由fbTempController.fYAnalog獲得的經(jīng)運算后的輸出控制量，經(jīng)EL4024模擬量輸出模塊輸出，作為功率調(diào)整期的輸入信號，實現(xiàn)對溫度的加熱。

2.2 控制器參數(shù)結(jié)構(gòu)體

控制器參數(shù)結(jié)構(gòu)體(ST_ControllerParameter)中設(shè)置加熱模式、升溫速率、最高溫度等相關(guān)參數(shù)。

2.3 升溫方式

本系統(tǒng)中，根據(jù)麥冬干燥過程的工藝參數(shù)需求，在不同階段選擇不同的升溫速率進(jìn)行加熱，系統(tǒng)設(shè)置了8段式加溫，即先加熱到一個溫度并保溫一段時間，然后再加熱到第二個溫度?；蛘邿o需保溫，直接加熱到第二個溫度，如此往下設(shè)置參數(shù)。其運行界面及參數(shù)設(shè)置界面分別如圖7、圖8所示。

此功能可通過將ST_ControllerParameter結(jié)構(gòu)體中的bEnableSoftStart置為true實現(xiàn)，恒溫時間通過tStartUp進(jìn)行設(shè)置。如需控制溫度上升速度，可將bEnableRamping與bStartUpRamping也置為true,并通過fWStartUpVeloPos、fWStartUpVeloNeg、fWVeloPos、fWVeloNeg設(shè)置斜率。需要注意的是，無論上升還是下降，斜率的參數(shù)都為正數(shù)。

2.4 輸出模式

溫度控制功能塊提供兩種形式的輸出，模擬量和PWM輸出。在本文中，選擇模擬量輸出，對EL4024輸出模塊，其接受的控制值范圍為0～32 767。

2.5 PID參數(shù)整定

在第一次調(diào)試使用時，由于PID控制器參數(shù)為空，此時需將PID控制器模式切換為eCTRL_MODE_Tune，等待約20 s,在此期間需維持傳感器溫度波動不超過±1 ℃，然后程序?qū)⒁詅YTuneHeating值進(jìn)行加熱，直到達(dá)到設(shè)定溫度的80%后加熱停止。程序根據(jù)溫升曲線自動計算出PID控制器的參數(shù)。為了保證參數(shù)計算的準(zhǔn)確性，必須保證升溫在40 ℃以上。

3 試驗與結(jié)果分析

加熱箱上電后，設(shè)置升溫速率參數(shù)(本文以12 ℃·min

)加熱，啟動運行程序，模糊PID控制升溫曲線如圖9所示。

由圖9可以看到，模糊PID控制調(diào)節(jié)擾動小，穩(wěn)定性高。還可以根據(jù)麥冬烘干工藝要求，設(shè)置不同的升溫速率，如圖10為8段不同升溫速率下的升溫曲線圖。

4 結(jié)論

通過對加熱箱模糊PID控制器的設(shè)計，保證了加熱箱在正常工況條件下和不同加熱模型的情況下，通過自整定參數(shù)，都能穩(wěn)定的使加熱箱內(nèi)的溫度保持在一定偏差范圍內(nèi)，實現(xiàn)麥冬干燥過程中不同升溫速率的要求。

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