基于模糊PID的麦冬干燥箱温度控制系统设计

2022-08-15刘桂杉1明1

农机使用与维修 2022年8期

0 引言

麦冬Ophiopogon japonicas(L.f.)Ker-Gawl.为百合科(LiLiliaceae)植物麦冬的干燥块根

。麦冬性微寒、味甘、微苦、热经，能养阴生津、润肺清心，用于治疗肺燥干咳、津伤口渴、心烦失眠、肠燥便秘等

，是一种名贵中药材，深受广大消费者喜爱。但由于麦冬具有明显的季节性和地域性，收获季节为春雨季。刚出土的麦冬很难储存，鲜麦冬的表皮极易破损黏连，腐烂霉变。药材产地干燥加工是中药材生产和品质形成的重要环节

,传统的自然晾晒方式干燥时间长，容易被蚊蝇污染，易发生霉变，无法保证产品品质，很难适应现代化生产发展的需求。随着中药市场的逐步扩大，药材的干燥加工日趋高效，多种干燥设备应用到药材产地干燥过程中。在麦冬人工干燥过程中，温度控制是保证麦冬干燥工艺及控制麦冬品质的关键指标。

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红外干燥是一种简便经济、不受天气影响的干燥方法。林冰等

人采用阴干、恒温干燥(40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃)和程序变温干燥[40 ℃(3 h)→50 ℃(2 h)→60 ℃(2 h)→70 ℃(2 h)→80 ℃(2 h)→60 ℃(2 h)→40 ℃(2 h)]3种方式分别对麦冬进行干燥处理，结果表明，利用程序变温干燥得到的麦冬有效成分最多。

麦冬红外干燥箱中控制系统采用多段式温度控制，最常见的温度控制方法就是常规PID控制，该方法虽然控制结构简单、操作方便且便于实现，但红外干燥箱内部温度分布不均匀，是一个非线性、时变、大滞后与多变量耦合的复杂系统，采用参数固定的常规PID温控系统。很难建立精确的数学模型，所以参数整定比较困难。或者即使整定出一组相对比较理想的参数，但当控制对象发生较小改变时，都很难保证其控制的稳定性。

模糊控制是目前成熟的智能控制方法，其采用模糊逻辑把人的控制经验归纳为定性描述的一组条件语言，利用模糊集理论，将其定量化，使控制器模仿人的操作策略。模糊控制具有很强的鲁棒性和稳定性，大量理论研究和实践证明，模糊控制理论是温度控制系统中一种常用的方法策略。

1 干燥箱温度控制系统

1.1 硬件组成

式(1)中，

(

)为PID控制器输出；

(

)为给定值与被控对象输出的偏差，作为输入送往PID控制器；

为控制器的比例系数；

为控制器的积分时间常数；

为控制器的微分时间常数。

1.2 PID控制原理

PID控制系统由PID控制器和被控对象组成，初始时刻系统给定输入

(

),得到一个系统输出

(

),然后经过反馈后得到偏差

(

),经过比例、积分和微分等环节的处理，再进行线性相加得到控制量，实现对被控对象的控制。其控制规律为

PID控制器具有结构简单、可靠性高和适用范围广等优点，已成为目前工业控制系统中应用最常见的控制器，常规PID控制器原理框图如图2所示。

(1)

本文中设计的模糊PID控制系统硬件部分主要由工业计算机、功率调整器及干燥箱等组合而成，其硬件组成框图如图1所示。

在PID控制系统中，主要从响应速度、稳定性、超调量及稳态误差几方面来评价系统控制性能的优劣，在PID控制器中各校正环节的作用如下。

比例环节：成比例地反应控制系统的偏差信号

(

),偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。比例越大系统反应越快。

积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度(即误差减少)。积分作用的强弱取决于积分时间常数

越小，积分作用越强，反之则越弱。但积分时间太小容易引起系统振荡。

微分环节：反应偏差信号的变化趋势(即变化速率)，能在偏差信号变得太大之前，引入有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分时间越大，作用越强(即产生一定的抑制作用)。

对于现代工业控制系统中，要求具有更快速、更精确、更稳定的控制过程，常规的PID表现出一定的局限性，主要体现在：

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1)需要已知系统精确的数学模型，即被控对象是固定的，不变化的。常规PID控制系统没有自适应能力，在面对时变、不确定的系统时难以达到理想的控制效果；

2)PID控制器整定好的控制参数只适用于非线性对象的某一阶段，对其他阶段的控制对象难以取得理想效果。

为方便软件使用，提供了功能块与结构体，在使用温度控制库的过程中，至少存在一个实体，至少创建一个FB_TempController功能块和一个ST_ControlParameter结构体，并定义功能块相关外部链接，FB_TempController功能块如图5所示。

1.3 模糊PID控制器设计

模糊PID控制的本质是在常规PID的基础上，利用模糊逻辑并根据一定的模糊规则对PID的参数进行实时优化，以克服传统PID控制器无法实时调整PID参数的不足，模糊PID控制器如图3所示。

严跃进认为，严格来说，房产税按套内面积征收引发民怨较小。从更长远的观点看，未来要建设开放式街区小区环境，公共通道部分该如何征税，会否增加公摊面积，如何缓解社会矛盾，都值得深思。

交叉切割后的试验区用胶粘带粘过后，对漆膜脱落面积进行计算，计算出的数值作为评定结果的参考数据。试验结果的分级标准见表1。[1]

在现代工业控制系统中，由于系统模型参数变化或者是模型结构的变化，造成名目繁多的不确定性，使得PID控制器原整定参数无法保证系统继续良好地运行，这就要求PID控制器随着系统模型的变化具有在线修正参数的功能。

老板娘一边说，一边朝门外瞅，见没有人经过，她才放低声音神神秘秘地说：“听说那天载去的一车人，有的人穿着制服，有的穿的便衣，他们每个人身上都带着家伙，听说有的手里拿着警棍。有的人腰上还别着枪哩。很多人见势不对，就赶紧走了，只有周二这个人一根筋，他一个人还在那儿理直气壮地较着劲，结果派出所的人就把他抓起来了。”

系统中的温度传感器会实时采集干燥箱内的温度，控制系统经过计算得到当前值与设定值的偏差

及与上次偏差的变化

两个值，通过模糊理论建立比例因子

、积分因子

、微分因子

与系统偏差

与偏差变化率

之间的关系

′

(

′

+△

(2)

′

(

′

+△

(3)

′

(

′

+△

(4)

其实现的具体过程是：当系统出现偏差时，将偏差与偏差变化率转化为模糊变量，通过建立的模糊规则选择合适的输出，经解模糊后，送往PID控制器，此时PID控制器的三个参数得到修正，系统对修正后的比例、积分、微分进行控制，直到无偏差。

1.4 参数自整定

自整定算法是基于传统的曲线切线法。该方法最初由Ziegler和Nichols创立。其假设被测对象是一个具有延时特性的线性P-TI回路，最大变化率由阶跃响应实验值确定。

2 控制系统实现

这种情况下，西王方面紧急行动，首先是用摒弃前嫌请来了落跑外援劳森，然后用“小詹姆斯”桑普森临时替换莫泰；针对本土球员战斗力不强的弱点，吴庆龙请来了自己的老搭档、辽宁老乡接君……

江苏镇江是中原逃难官员、百姓的聚散之地，那里迁入了不少从中原南下的士庶，今日犹有案可稽。如高桂为丹徒人，曾任高邮知州，祖籍为开封，建炎南渡时，他随逃难人群渡江，寓居京口(镇江)；丹阳(今镇江)先世居河南洛阳，尹焞随宋室南渡，徙居浙江绍兴，是为尹氏南迁始祖。传四世至尹国宁，由浙东再迁镇江府丹阳黄连庄，是为丹阳尹氏始祖。”

在工程应用中，用PLC或工控机组成硬件部分，通过构造具有自整定功能的模糊PID控制器，通过一按键或者简单参数设置，就可由控制器自身来完成参数的整定，不需要人工干预。运用自整定的方法与人工整定相比，无论在时间节省方面还是控制精度上都得以大幅提高，增进了经济效益。

模糊控制包括模糊化、确定模糊规则、解模糊等组成部分，如图4所示。

本文介绍Beckhoff公司针对PC开发的软件开发平台TwinCAT3,内部集成温度控制器包含自整定算法功能块(FB_selftuner)、控制算法功能块(FB_ControlAlgorithm)、设定值发生器功能块(FB_SetpointConditioner)、控制值发生器功能块(FB_ControlValueConditioner)、报警功能块(FB_Alarming)，用户不需要专门的编程工具就能实现温度模糊控制单元编程、知识库建立等。

值得注意的是，卖房求生的*ST大唐同时还在卖股权。11月27日，*ST大唐披露称，公司正在筹划将所持成都线缆46.478%的股权转让给烽火通信，此次交易如果能够年内完成，将进一步减轻*ST大唐的暂停上市压力。

2.1 软件功能块

然而，在红外干燥箱的被控对象具有大惯性、大时滞、时变等特点的非线性系统。因此，需要引进更加智能和先进的控制来弥补常规PID的缺陷，提高控制系统的性能。

从FB_TempController功能块可以看出，该功能块支持1路输入、2路输出(1路模拟量、1路PWM输出)的模糊运算，参数设置主要由sControlParameter数据引脚完成。在程序中采用ST文本编程调用FB_TempController功能块如图6所示。

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由fbTempController.fYAnalog获得的经运算后的输出控制量，经EL4024模拟量输出模块输出，作为功率调整期的输入信号，实现对温度的加热。

2.2 控制器参数结构体

控制器参数结构体(ST_ControllerParameter)中设置加热模式、升温速率、最高温度等相关参数。

2.3 升温方式

本系统中，根据麦冬干燥过程的工艺参数需求，在不同阶段选择不同的升温速率进行加热，系统设置了8段式加温，即先加热到一个温度并保温一段时间，然后再加热到第二个温度。或者无需保温，直接加热到第二个温度，如此往下设置参数。其运行界面及参数设置界面分别如图7、图8所示。

此功能可通过将ST_ControllerParameter结构体中的bEnableSoftStart置为true实现，恒温时间通过tStartUp进行设置。如需控制温度上升速度，可将bEnableRamping与bStartUpRamping也置为true,并通过fWStartUpVeloPos、fWStartUpVeloNeg、fWVeloPos、fWVeloNeg设置斜率。需要注意的是，无论上升还是下降，斜率的参数都为正数。

2.4 输出模式

温度控制功能块提供两种形式的输出，模拟量和PWM输出。在本文中，选择模拟量输出，对EL4024输出模块，其接受的控制值范围为0～32 767。

2.5 PID参数整定

在第一次调试使用时，由于PID控制器参数为空，此时需将PID控制器模式切换为eCTRL_MODE_Tune，等待约20 s,在此期间需维持传感器温度波动不超过±1 ℃，然后程序将以fYTuneHeating值进行加热，直到达到设定温度的80%后加热停止。程序根据温升曲线自动计算出PID控制器的参数。为了保证参数计算的准确性，必须保证升温在40 ℃以上。