基于模糊PID的烟叶烤房网络控制系统设计

（开封大学 电子电气工程学院，开封 475004）

0 引言

随着现代烟草烘烤技术的推广以及密集烤房建设的稳步推进，烟叶烘烤正向着工厂化和集约化发展，烤房控制技术也明显提高[1]。但是，存在着以下问题亟待解决：首先，烤房及其设备型号或品牌之间互换性差，适应性差，控制精度低，维护成本高；再者，众多品牌的烤房控制仪之间没有统一明确的通讯协议，无法实现通过集中控制和网络控制，严重减缓了先进、成熟烘烤技术的推广应用，制约了烘烤质量的提高[2]。

本文介绍的烤房群集散控制系统由烤房控制终端、监控中心及通讯通道三部分构成。烤房控制终端是以高性能单片机为核心的烤房温度控制仪，独立完成对烘烤过程的智能化监控，监控中心由一台安装了软件sksyscontrol的计算机构成。

1 烤房温度控制仪设计

1.1 烤房温度控制仪构成

如图1所示，该控制仪以单片机PIC18F46K80-I/PT为核心，干湿球温度传感器检测烤房内的温度，按照设定的温湿度曲线或者系统内部存储的专家曲线来控制风门的开度、风机的起停以及转速等来调节室内的温度和湿度。如果出现传感器故障、干湿球偏温、风机过载、电源缺相、水壶缺水等异常情况，系统可通过语音芯片进行报警。数据存储器采用24C256，用于设定曲线参数和保存运行参数，以MAX485作为通讯接口电路，用于与上位机通讯。另外，从节能方面考虑，各执行电机采用调速电路。

图1 控制仪方框图

1.2 部分硬件电路设计

1.2.1 温度采集电路

温度采集电路选用四个传感器DS18B20，将检测到的烤房上下棚温度传送给单片机, 通过比较实际温度与设定温度，由模糊PID运算得到相应输出量，通过控制循环风机和鼓风机转速，调节风门开度，实现干球温度控制；控制排湿风机补风门的开度来控制湿球温度。

1.2.2 补风门电路

图2 温度采集电路

补风门是控制湿球温度的重要部件，其动作频繁（平均每烤的动作次数约在8000次），使用继电器控制时往往由于继电器的机械寿命（10万次）而影响使用寿命；补风门的电源是直流12V，使用H桥驱动电路，彻底解决了继电器机械寿命不够的问题；同时增加了超瞬变管TVS和电感，避免风门感应雷击而破坏主板，实现对CPU的接口保护。

图3 补风门电路

1.2.3 通讯电路

通讯电路的作用是实现控制仪与监控中心的双向通讯。以MAX485作为通讯接口电路，组成RS-485总线通讯网络，通讯协议服从MODBUS规约。

2 控制算法

为了使烤房内的温、湿度按照烟叶烘烤最佳生化曲线变化，提高控制精度和烟叶烘烤质量，在烟叶三段式烘烤工艺中需要按照烟叶烤制最佳温度控制曲线来控制执行机构[3～6]。然而，烤房系统实际上是一个复杂的控制对象，它与烟叶含水量、烤房材质、风机转速、排湿风门开度等多种因素有关。因此烟叶烘烤温度控制系统的传递函数是多参数、动态的，具有大惯性、纯滞后、多变量等特性，难以得到精确不变的数学模型[7,8]。

模糊控制虽然精度不高，但不需要被控对象精确的数学模型，鲁棒性和适应性较好，所以可以将模糊控制和传统PID控制相结合形成模糊PID控制器。将系统设定温度r(t)和实际温度y(t)之间的误差E和误差变化EC作为输入，利用模糊规则进行推理，查询控制表修正PID参数。即将输入E、EC和输出kp、ki、kd划分为负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，0 (ZE)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)，参考烤烟专家的实际操作经验，建立出合适的模糊控制规则表[9,10]，如表1所示。

按照以上模糊控制表，采用模糊控制技术和升温斜率控制技术，制定了适应多种风机和风门的控制规则。

主程序设计主要包含：系统初始化、中断、键盘、

数据采样、模糊PID参数整定和控制量输出几部分，模糊PID算法流程图如图5所示。

图4 通讯电路

表1 △Kp、△Ki、△Kd模糊控制规则表

图5 模糊PID算法流程图

3 烤房群集散控制方案设计

基于Java语言开发了SKsysControl软件。烟叶烤房集群控制系统网络采用RS485总线，通过MODBUS协议实现通过MODBUS协议实现全部烤房控制仪网络连接通讯，PC端安装SKsysControl软件后就可以完成对烤房群中烤房参数和状态的监控，显示或打印烘烤数据或曲线。同时可以远程查询、修改烤房的各种参数，记录各烤房的运行数据、烘烤过程数据、故障信息数据等，形成数据库以备查询分析，实现烟叶烤房群的分散控制和集中管理。

集散控制系统主页面如图6所示，监控的烤房数量可以设置（最多128座）。每页可以实时显示多座烤房的实测干球温度、湿球温度，设置干球温度、湿球温度和烤房编号等。发生报警及通讯故障时，主控界面以改变颜色或闪烁形式及时提醒。

图6 集散控制系统主页面

双击主页面中任意设备，进入终端设备设置界面，可进行参数设置。

图7 终端设备设置界面

4 结论

图8 样机实物图

该控制仪的实物如图8所示，该控制仪的输出控制接口不但适用于普通密集烤房、移动式空气源热泵烤房和空气源热泵密集烤房，同时循环风机分为单速度、双速度和变频调速的多种控制方式，适应多种循环风机控制。预存有多套烤烟工艺曲线参数，方便用户选择,也可通过人机界面进行参数修改。

在福建省南平市烟草公司辖区烟叶烤房现场安装了30台控制仪，运行试验数据表明其控制技术要求能很好满足烤烟需要。模糊PID算法实现参数的在线整定，提高了烟叶烘烤的控制精度，系统具有很强的鲁棒性和稳定性。集中控制软件SKsysControl，实现了烤房基于RS485总线结构MODBUS协议规约的集中控制，专家能够随时监控、修改烤房的烘烤参数，实现本地区烤房群乃至全国的烤房群专家共享，初步实现了“智慧烤烟”的构想，具有广阔的应用前景。