基于模糊PID在饼干生产线温度控制的研究

2013-06-06乡碧云皮云云

机电工程技术 2013年6期

乡碧云，皮云云

（顺德职业技术学院，广东佛山 528333）

0 引言

饼干生产线各类型中，用电代替柴油是理念上的突破，成功应用电炉可以减少排放废气，节能环保。

饼干生产线烤炉部分属于炉具中的烘烤设备技术领域，是一种新型的、现代工业常见的烧烤炉。其上端开有烧烤口的炉腔，且炉腔两侧的内壁上固定有烧烤热源和支撑该热源的支架。在炉腔的外侧上部固定有金属板，并与炉体构成火锅。该烤炉的火源固定于炉腔内壁的上、下端，可根据用户饼干工艺要求，对各设备组合，均能达到理想效果，适合酥性、韧性、夹层饼、双色饼、苏打饼、薄饼、超薄饼等各种饼干的生产，可充分满足客户的需求。

饼干生产线上由于炉网带在工作当中受热，温度很高，所以输送带与炉网带的过渡处安装了一个铁片，也有利于饼干顺利送到烤炉中。当饼干送入到炉箱中时，炉箱中的发热管就可以直接对饼干进行加热，其温度的高低可以通过传感器反馈信息到控制器，再由控制器做出调整，这样就可以确保饼干的质量。同时可以通过开关控制烟囱闭合的大小，这样就能控制烘烤过程中产生的水份排放。如果炉网带在传输过程中有疏松情况，就通过网带纠编装置进行调整，从而提高生产效率。

从烤炉中出来的饼干再经过出料部份进行冷却，最后包装。在烤炉到出料部份装有一个刮废料装置，此装置不但起到过渡作用，还起到对炉网带上的废料进行清除，以便下面的电机带动毛刷彻底对网带驱动轴的废料清除作用。

1 烤炉温度控制工艺

1.1 烤炉温度控制要求

烤炉在饼干生产线中起到重要作用，饼干的味道除了配方外，还有重要的一点就是烤炉的好坏，烤炉的火候可以让饼干香脆，也可以让饼干柔韧。

（1）烤炉一区的炉火比二区的高，先让饼干一下子受热膨胀起来，这样效果好。

（2）烤炉底火要比面火高，垫饼的铁丝网需要吸热。

（3）炉区温度，面火及底火温度由发热管的密度控制，发热管采用石英管发热。

（4）烤炉发热管密度可以用PWM使固态继电器的通断使部分发热管不工作，从而实现温度降低的效果。

（5）在发热管与不锈钢外壳之间的空间用石棉填充，实现保温作用。

（6）烟囱的张开程度也非常考究，饼干在烘烤的过程中会散发出水分，这些水分需要通过烟囱排出，而烟囱在排水分时也会带走大量的热，所以烟囱的张开程度必须充分考虑水分和热量的散发，才能达到最佳效果。

1.2 烤炉温度控制方案

烤炉中的两个温区，4 个底面温度控制，设置4路热电偶模拟输入对应炉内4个区域，当炉内温度都达到120 ℃时，炉网驱动开始动作，烤炉一区的炉火设置的温度值为300 ℃范围（280 ℃～325 ℃）；二区设置的温度值为210 ℃范围（180 ℃～250 ℃）；当炉内温度达到对应区域上限位时，切断对应炉区的加热管，让炉内温度保持在一定范围内，当低于该范围时，接入对应炉区的加热管继续加热。

2 基于模糊规则的温度控制

按照饼干生产线的温度控制要求，第一温区和第二温区有温差，而且两个温区的温度值允许有一定的浮动范围，系统稳态误差性能要求不严格。这有利于控制算法的优化与简便。

温度控制对象大多具有非线性、时变性、大滞后等特性，采用常规的PID 控制很难做到参数间的优化组合，以至使控制响应不能得到良好的动态效果。而模糊控制通过把专家的经验或手动操作人员长期积累的经验总结成的若干条规则，采用简便、快捷、灵活的手段来完成那些用经典和现代控制理论难以完成的自动化和智能化的目标。

但是模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度，并且对于那些时变的、非线性的复杂系统采用基于模糊规则的自适应PID 控制时，为了获得良好的控制效果，必须要求控制器具有较完善的控制规则，根据实际响应情况，运用模糊推理，自动实现对PID参数的最佳调整。

2.1 温度控制原理系统组成

温度控制的目的就是将器件的工作温度以一定的精度稳定在一个较低的水平上，这样一来就要求根据器件工作时的实际情况（如产热量大小等）采取一定的措施，随时将产生的热量即时散掉，并且要求器件在单位时间里产生的热量等于控制器在单位时间里吸收的热量，若两者达到动态平衡，则可以保持器件工作温度的稳定。

在控制系统中，首先将需要控制的被测参数（如温度）由传感器转换成一定的信号后再与预先设定的值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的控制值，将控制量送给控制系统进行相应的控制，不断循环进行上述调节周期，从而达到自动调节的目的。图1 为温度控制系统的PLC控制原理框图。

图1 温度控制系统的PLC控制原理框图

上述温度控制系统组成中，温度传感变送器获得温度的感应电压，转变成1～5V的标准电压信号，再由A/D 转换器转换成数字信号进入PLC 内部。PLC 将给定的温度与测量温度的相比较，得出偏差量，然后根据模糊控制算法得出控制量。执行器由开关频率较高的固态继电器开关担任，采用PWM输出控制方式，改变固态继电器电子开关的闭合时间，通过控制发热管的发热时间而达到控制温度的目的。

其中，检测炉温的4 路热电偶直接接入扩展热电偶模块（如图2）。

2.2 温度控制决策

2.2.1 烤炉温度控制规律

根据上述饼干线烤炉温度控制要求，对于饼干线炉温加热系统的操作经验对炉温的控制可以描述为：

图2 温度检测模块与控制器的连接

若炉温过低，则加热电压调到最大档；

若炉温偏低，则加热电压调到中档；

若炉温稍低，则加热电压调到小档；

若炉温恰当，则加热电压保持不变；

若炉温稍高，则加热电压调到小档；

若炉温偏高，则加热电压调到最小档；

若炉温过高，且炉温快速上升，则停止加热。

这个决策过程并不是通过精确的定量计算，而是依靠定性或模糊的知识来实现的，因此，采用模仿人工智能化的模糊控制。在系统中引入模糊推理，构成如图3所示模糊模式控制原理图[2]。

图3 饼干生产线烤炉温度模糊模式控制原理图

控制器以误差e 和误差变化ec=de/dt 作为输入，找出温度调节器与e 和ec 之间的模糊关系，使不同时刻的e 和ec 满足对温度自整定的要求；还可利用模糊控制规则在线对温度参数进行修改，使被控对象有良好的动、静态性能。在温度调节控制时，可以采用常规PID。PID 参数的整定必须考虑在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的互联关系。加入模糊推理温度控制器是在PID 算法基础上，通过计算当前系统偏差e和偏差变化△e，建立合适的模糊规则算法，修正输出调节。

2.2.2 模糊推理

首先对输入量进行处理，使其变成模糊控制器要求的输入量，e=r-y 和è=de/dt，其中r 表示参考输入，y表示系统输出，e表示误差，è表示误差导数。

对于实际温度输入，首先需要进行尺度变换，将其变换到要求的论域范围。本系统中，以一区温度要求为例，若实际输入量为x*，其变化范围为[280℃，325℃]，若要求的论域x 为[-6，＋6]，采用线性变换，则，

将经过上述处理的输入量进行尺度变换，使其变换到自己的论域范围，采用均匀量化的离散化论域。构成模糊集合：

若炉温过低，记为NL，量化等级为-6；

若炉温偏低，记为NM，量化等级为-4；

若炉温稍低，记为NS，量化等级为-2；

若炉温恰当，记为ZO，量化等级为0；

若炉温稍高，记为PS，量化等级为2；

若炉温偏高，记为PM，量化等级为4；

若炉温过高，且炉温快速上升，则停止加热，记为PL，量化等级为6。

根据变量的模糊论域要分成若干等级，例如{NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL} ={-6，-4，-2，0，2，4，6}，取模糊PID 控制器的结构为二维模糊控制器，它的输入变量一般取偏差e 和偏差变化△e，输出变量为△kp，△ki，△kd。其中偏差e和偏差变化△e及输出变量为△kp，△ki，△kd 的模糊论域要分成若干等级，通过计算当前系统偏差e 和偏差变化△e，建立合适的模糊规则算法，得到系统输出的修正调节。