烟草模糊自适应PID加香加料控制系统研究

张倜雄，孙首群，孙福佳

（上海理工大学机械工程学院，上海200093）

0 引 言

在卷烟的生产过程中，烟草的加香加料是非常重要的一个环节，不同的香料能保持卷烟风格和改善吸味品质［1］。烟草投入生产前需在实验室进行配方实验，国内虽然有二十多家烟草技术中心实验室，但配方研发过程中加料加香实验均采用手工方法，对实验人员经验要求高，实验效果受实验人员主观因素影响大，效率较低，精度不能保证。在自动化越来越普及的今天，实验室智能化加香加料设备可以替代人工，实现给烟草自动化加香加料。

对于加香加料而言，精度和效率是需要保证的重要因素，目前，工业流水线上普遍使用传统PID控制方案，但是对于实验室来说频繁更换配方及烟草重量需要对PID重新整定，使用传统PID控制非常麻烦，对于这种复杂控制系统，本文选用模糊自适应PID控制［2，3］，既能保证控制速度又能保证加香加料精度。

1 系统软硬件组成

实验室烟草加香加料控制系统主要由两部分组成，即软件部分和硬件部分。软件使用NI公司产品Labview2012版本软件平台［4］，硬件主要由雷弗公司的TYD-01注射泵、ABB公司IRB-120小型机械手、电子天平组成。控制系统结构框图如图1。

图1 控制系统结构框架图

在labview控制面板输入香料重量Q，labview程序调用模糊自适应PID控制算法得到注射泵流速的值，通过RS-232通讯接口与注射泵通讯调节注射流速，机械手在注射针头放置在电子天平上的料液瓶上方。加液开始，电子天平数据通过RS-485通讯传输给上位机，通过labview程序计算偏差值E和偏差变化率EC作为输入传输给模糊自适应PID控制器，以此类推，直至加液质量达到标准偏差范围。

1.1 硬件部分介绍

（1）机械手的选取。考虑到实验室空间有限，需要选择一款紧凑、敏捷、轻便的六轴机械手，故选用ABB公司的IRB120型机械手，如图2（a），它是迄今为止最小的机械手臂，能实现该系列机器人的所有功能和技术。其最大工作行程为411 mm，底座下方拾取行程为112 mm，满足精确加香加料过程的行程要求。

图2 硬件部分

（2）注射泵的选择。选用雷弗公司生产的TYD-01高精度注射泵（如图2（b）），采用RS-485通讯，支持MODBUS协议，方便快速设置参数，推力最大能达到34 kg，能保证控制加液的实时性和要求的精确度。

（3）电子天平的选取。选用上海卓精BSN-520.3万分之一电子天平，响应时间小于1 s，精确度为1 mg，满足基本响应时间和精确度要求。

1.2 程序设计

控制系统的程序流程图如图3所示，基于Labview软件平台设计，它具有工业控制适用性强，工具包多，函数丰富等特点，非常适合于本程序要求。

图3 模糊自适应PID算法软件流程图

2 模糊自适应PID控制算法的实现

模糊自适应PID控制包括PID控制器和模糊自适应控制器，两者为串联关系，以误差和误差变化率为输入，注射泵的流速值为输出，控制注射泵高效精确加香加料。

2.1 模糊自适应PID的控制流程

为了实现实验室智能精确加香加料，采用模糊自适应PID控制算法，其基本思想是先找到PID比例微分积分三个参数与偏差及偏差变化率之间的关系，然后使用模糊控制器在线修改PID控制器的各参数，从而达到控制输出液量的目的，同时保证加液过程高效稳定性［5］。其原理公式：

式中，Kp、Ki、KD为输出给PID控制器的参数值；Kp0、Ki0、Kd0为给定的初始值，与经典PID的整定参数相似；ΔKp0、ΔKi0、ΔKd0是根据修正规则表，经过模糊推理获取的修正量。

其具体过程如图4。

图4 模糊自适应PID控制图

首先设定流量值，通过反馈得到实际值与预定值的偏差E和偏差变化率EC作为模糊PID自适应控制器的输入，经过处理后输出调节后的加液速度控制加液。

2.2 模糊自适应控制器设计

（1）定义输入输出变量及论域的确定

此系统通过上位机给出流速值控制PID控制器各参数，将实际值与预期值的偏差以及偏差变化率，传输给模糊PID自适应控制器，所以选用两输入三输出的模糊控制器，输入为偏差E和偏差变化率EC，输出为PID控制器各参数增量。E的论域为［0，5］，EC的论域为［-3，3］，输出KP、KI、KD的论域分别为［0，1］，［0，0.1］和［0，1］。

（2）确认隶属函数及模糊化处理

将输入输出语言值分为7个等级，分别赋值为｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。隶属度函数均选用三角函数。

（3）模糊控制规则的建立

a.当|e|的值较大时，取较大的KP和较小的KD，且使KI为0，以使系统响应加快同时避免过大的超调量；

b.当|e|中等时，取较小的KP、KI和适当的KD，保证系统响应稳定同时避免在平衡点附近出现震荡；

c.当|e|较小时，取较大的KP、KI和适当的KD，避免在平衡点附近出现震荡。

根据实际操作经验和总结工程技术人员专业知识列出模糊规则表［6］如下：

表1 K P的模糊规则表

表2 K I的模糊规则表

表3 K D的模糊规则表

根据表1～3可以看出共有7×7=49条模糊规则：

IF e=NB AND ec=NB，THEN KP=PB，Ki=NB，Kd=PS；

IF e=NB AND ec=NM，THEN KP=PB，Ki=NB，Kd=PS；

……

IF e=PB AND ec=PB，THEN KP=ZE，Ki=ZE，Kd=PB；

将以上模糊规则输入至labview中的模糊控件，当输入量模糊化以后根据规则输出控制量的模糊化语言，并使用重心法进行解模糊即可得到精确的控制量。

2.3 PID控制器的选择

工程应用上，PID控制器是使用最为广泛的控制算法，具有控制效果好、鲁棒性好、技术成熟等优点。PID控制分为位置型PID控制和增量型PID控制。相对而言，位置型PID控制算法每个时刻的输出都与过去所有数据有关系，每次累加运算量大，而增量型PID控制算法不需要累加，控制增量只与最近的三次采样有关（如表达式所示），经过简单地处理就可以得到较好的控制效果，故本模糊PID控制器选用增量型PID算法。其数学表达式为：

3 Matlab仿真

建立模糊控制器模型，设置隶属函数，导入模糊规则及解模糊方法后作为模糊控制器保存调用，对比传统PID控制器和模糊PID自适应控制器的仿真效果［7］，其系统传递函数为：

如图5所示，建立Simulink系统仿真框图，仿真结果如图6。

图5 模糊PID控制仿真框图

图6 Simulink仿真结果

4 结 论

本文将模糊PID自适应控制器应用于实验室烟草智能加香加料设备中，从仿真实验可以证明本控制策略有较好的动静态性能，实验证明模糊PID自适应控制相对传统PID控制加液时间减少了30%，提高精度50%，并具有良好的鲁棒性。

［1］钟庆辉.浅谈卷烟加香加料技术的应用［J］.烟草科技，1996，（4）：30-31.

［2］张邦成，李 淼.基于模糊PID算法的轨道车辆LED照明控制系统设计［J］.控制工程，2014，21（6）：882-885.

［3］冯纯伯.复杂系统的控制问题——试谈控制科学的发展［J］.控制理论与应用，2004，21（6）：855-857.

［4］陈爱武，刘志壮.基于Lab VIEW的微流量控制系统的研究［J］.控制工程，2014，21（2）：168-171.

［5］曹 琦，何善均.烟草制丝加料加香过程的无辨识自适应控制方案［J］.烟草科技，2012，（4）：16-19.

［6］乔元勋，曹衍龙.豆浆液浓度控制系统中模糊自适PID控制器的设计与仿真［J］.组合机床与自动化加工技术，2008，（11）：56-59.

［7］肖艳军，孙英培.粉煤灰恒压输送PID控制系统研究［J］.系统仿真学报，2015，27（1）：171-178.