基于模糊PID在餅干生產線溫度控制的研究

鄉碧云，皮云云

（順德職業技術學院，廣東佛山 528333）

0 引言

餅干生產線各類型中，用電代替柴油是理念上的突破，成功應用電爐可以減少排放廢氣，節能環保。

餅干生產線烤爐部分屬于爐具中的烘烤設備技術領域，是一種新型的、現代工業常見的燒烤爐。其上端開有燒烤口的爐腔，且爐腔兩側的內壁上固定有燒烤熱源和支撐該熱源的支架。在爐腔的外側上部固定有金屬板，并與爐體構成火鍋。該烤爐的火源固定于爐腔內壁的上、下端，可根據用戶餅干工藝要求，對各設備組合，均能達到理想效果，適合酥性、韌性、夾層餅、雙色餅、蘇打餅、薄餅、超薄餅等各種餅干的生產，可充分滿足客戶的需求。

餅干生產線上由于爐網帶在工作當中受熱，溫度很高，所以輸送帶與爐網帶的過渡處安裝了一個鐵片，也有利于餅干順利送到烤爐中。當餅干送入到爐箱中時，爐箱中的發熱管就可以直接對餅干進行加熱，其溫度的高低可以通過傳感器反饋信息到控制器，再由控制器做出調整，這樣就可以確保餅干的質量。同時可以通過開關控制煙囪閉合的大小，這樣就能控制烘烤過程中產生的水份排放。如果爐網帶在傳輸過程中有疏松情況，就通過網帶糾編裝置進行調整，從而提高生產效率。

從烤爐中出來的餅干再經過出料部份進行冷卻，最后包裝。在烤爐到出料部份裝有一個刮廢料裝置，此裝置不但起到過渡作用，還起到對爐網帶上的廢料進行清除，以便下面的電機帶動毛刷徹底對網帶驅動軸的廢料清除作用。

1 烤爐溫度控制工藝

1.1 烤爐溫度控制要求

烤爐在餅干生產線中起到重要作用，餅干的味道除了配方外，還有重要的一點就是烤爐的好壞，烤爐的火候可以讓餅干香脆，也可以讓餅干柔韌。

（1）烤爐一區的爐火比二區的高，先讓餅干一下子受熱膨脹起來，這樣效果好。

（2）烤爐底火要比面火高，墊餅的鐵絲網需要吸熱。

（3）爐區溫度，面火及底火溫度由發熱管的密度控制，發熱管采用石英管發熱。

（4）烤爐發熱管密度可以用PWM使固態繼電器的通斷使部分發熱管不工作，從而實現溫度降低的效果。

（5）在發熱管與不銹鋼外殼之間的空間用石棉填充，實現保溫作用。

（6）煙囪的張開程度也非常考究，餅干在烘烤的過程中會散發出水分，這些水分需要通過煙囪排出，而煙囪在排水分時也會帶走大量的熱，所以煙囪的張開程度必須充分考慮水分和熱量的散發，才能達到最佳效果。

1.2 烤爐溫度控制方案

烤爐中的兩個溫區，4 個底面溫度控制，設置4路熱電偶模擬輸入對應爐內4個區域，當爐內溫度都達到120 ℃時，爐網驅動開始動作，烤爐一區的爐火設置的溫度值為300 ℃范圍（280 ℃～325 ℃）；二區設置的溫度值為210 ℃范圍（180 ℃～250 ℃）；當爐內溫度達到對應區域上限位時，切斷對應爐區的加熱管，讓爐內溫度保持在一定范圍內，當低于該范圍時，接入對應爐區的加熱管繼續加熱。

2 基于模糊規則的溫度控制

按照餅干生產線的溫度控制要求，第一溫區和第二溫區有溫差，而且兩個溫區的溫度值允許有一定的浮動范圍，系統穩態誤差性能要求不嚴格。這有利于控制算法的優化與簡便。

溫度控制對象大多具有非線性、時變性、大滯后等特性，采用常規的PID 控制很難做到參數間的優化組合，以至使控制響應不能得到良好的動態效果。而模糊控制通過把專家的經驗或手動操作人員長期積累的經驗總結成的若干條規則，采用簡便、快捷、靈活的手段來完成那些用經典和現代控制理論難以完成的自動化和智能化的目標。

但是模糊控制器本身消除系統穩態誤差的性能比較差，難以達到較高的控制精度，并且對于那些時變的、非線性的復雜系統采用基于模糊規則的自適應PID 控制時，為了獲得良好的控制效果，必須要求控制器具有較完善的控制規則，根據實際響應情況，運用模糊推理，自動實現對PID參數的最佳調整。

2.1 溫度控制原理系統組成

溫度控制的目的就是將器件的工作溫度以一定的精度穩定在一個較低的水平上，這樣一來就要求根據器件工作時的實際情況（如產熱量大小等）采取一定的措施，隨時將產生的熱量即時散掉，并且要求器件在單位時間里產生的熱量等于控制器在單位時間里吸收的熱量，若兩者達到動態平衡，則可以保持器件工作溫度的穩定。

在控制系統中，首先將需要控制的被測參數（如溫度）由傳感器轉換成一定的信號后再與預先設定的值進行比較，把比較得到的差值信號經過一定規律的計算后得到相應的控制值，將控制量送給控制系統進行相應的控制，不斷循環進行上述調節周期，從而達到自動調節的目的。圖1 為溫度控制系統的PLC控制原理框圖。

圖1 溫度控制系統的PLC控制原理框圖

上述溫度控制系統組成中，溫度傳感變送器獲得溫度的感應電壓，轉變成1～5V的標準電壓信號，再由A/D 轉換器轉換成數字信號進入PLC 內部。PLC 將給定的溫度與測量溫度的相比較，得出偏差量，然后根據模糊控制算法得出控制量。執行器由開關頻率較高的固態繼電器開關擔任，采用PWM輸出控制方式，改變固態繼電器電子開關的閉合時間，通過控制發熱管的發熱時間而達到控制溫度的目的。

其中，檢測爐溫的4 路熱電偶直接接入擴展熱電偶模塊（如圖2）。

2.2 溫度控制決策

2.2.1 烤爐溫度控制規律

根據上述餅干線烤爐溫度控制要求，對于餅干線爐溫加熱系統的操作經驗對爐溫的控制可以描述為：

圖2 溫度檢測模塊與控制器的連接

若爐溫過低，則加熱電壓調到最大檔；

若爐溫偏低，則加熱電壓調到中檔；

若爐溫稍低，則加熱電壓調到小檔；

若爐溫恰當，則加熱電壓保持不變；

若爐溫稍高，則加熱電壓調到小檔；

若爐溫偏高，則加熱電壓調到最小檔；

若爐溫過高，且爐溫快速上升，則停止加熱。

這個決策過程并不是通過精確的定量計算，而是依靠定性或模糊的知識來實現的，因此，采用模仿人工智能化的模糊控制。在系統中引入模糊推理，構成如圖3所示模糊模式控制原理圖[2]。

圖3 餅干生產線烤爐溫度模糊模式控制原理圖

控制器以誤差e 和誤差變化ec=de/dt 作為輸入，找出溫度調節器與e 和ec 之間的模糊關系，使不同時刻的e 和ec 滿足對溫度自整定的要求；還可利用模糊控制規則在線對溫度參數進行修改，使被控對象有良好的動、靜態性能。在溫度調節控制時，可以采用常規PID。PID 參數的整定必須考慮在不同時刻三個參數的作用以及相互之間的互聯關系。加入模糊推理溫度控制器是在PID 算法基礎上，通過計算當前系統偏差e和偏差變化△e，建立合適的模糊規則算法，修正輸出調節。

2.2.2 模糊推理

首先對輸入量進行處理，使其變成模糊控制器要求的輸入量，e=r-y 和è=de/dt，其中r 表示參考輸入，y表示系統輸出，e表示誤差，è表示誤差導數。

對于實際溫度輸入，首先需要進行尺度變換，將其變換到要求的論域范圍。本系統中，以一區溫度要求為例，若實際輸入量為x*，其變化范圍為[280℃，325℃]，若要求的論域x 為[-6，＋6]，采用線性變換，則，

將經過上述處理的輸入量進行尺度變換，使其變換到自己的論域范圍，采用均勻量化的離散化論域。構成模糊集合：

若爐溫過低，記為NL，量化等級為-6；

若爐溫偏低，記為NM，量化等級為-4；

若爐溫稍低，記為NS，量化等級為-2；

若爐溫恰當，記為ZO，量化等級為0；

若爐溫稍高，記為PS，量化等級為2；

若爐溫偏高，記為PM，量化等級為4；

若爐溫過高，且爐溫快速上升，則停止加熱，記為PL，量化等級為6。

根據變量的模糊論域要分成若干等級，例如{NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL} ={-6，-4，-2，0，2，4，6}，取模糊PID 控制器的結構為二維模糊控制器，它的輸入變量一般取偏差e 和偏差變化△e，輸出變量為△kp，△ki，△kd。其中偏差e和偏差變化△e及輸出變量為△kp，△ki，△kd 的模糊論域要分成若干等級，通過計算當前系統偏差e 和偏差變化△e，建立合適的模糊規則算法，得到系統輸出的修正調節。

圖4 參數自調節模糊PID控制系統Simulink仿真模型（一區溫度）

2.2.3 確定量化因子

（1）根據被控量偏差的實際論域及允許誤差限可設定偏差的量化因子。若給定設定值為305，溫度誤差帶范圍為±25℃，可取偏差實際論域為[1，-1]，偏差量化因子：

（2）偏差變化率的實際變化范圍難以確定，可根據系統響應速度要求，初選偏差變化率的基本論域為[1，-1]，從而得出偏差變化的量化因子：

3 模糊-PID 控制器設計及MATLAB 仿真[1]結果

3.1 模糊-PID控制器設計[2-3]

餅干烤爐的溫度是一個比較復雜的被控對象，它具有非線性、時變性等特征。簡單地用一個純滯后一階慣性環節來描述：

式（5）中：K=1；τ=1，T=1

以二區溫度控制為對象，構建參數自調節模糊PID控制系統Simulink仿真模型如圖4所示。

其中，模糊控制子系統Simulink 模型為圖5，PID控制子系統Simulink模型為圖6。

圖5 模糊控制子系統Simulink模型

系統中，各參數整定為：PID 參數kp=8，ki=0.5，kd=0.5；

模糊控制參數ke=0.1，kec=0.05，ku=0.05。

3.2 系統MATLAB 仿真結果

按照生產工藝要求，設定系統給定值為300℃，由仿真結果圖7 而知，系統沒有出現超調，比較快速且相當穩定地進入控制范圍，穩態誤差相當小。

圖6 PID控制子系統Simulink模型

圖7 一區溫度仿真圖線

同理類推二區的溫度控制模式。

4 結論

推廣模糊PID 在餅干生產線溫度控制的研究結果，避開了對爐子溫度建立精確數學模型的要求，把對餅干線爐溫加熱系統的操作經驗鋪列成模糊規則，有效地解決了用穩定溫度加熱餅干成型的難題，應用效果得到用戶很高的好評。

［1］謝仕宏.MATLAB（R2008）控制系統動態仿真實例教程［M］.北京：化工工業出版社，2009.

［2］熊均泉.基于MATLAB 的退火爐溫度模糊PID 控制的仿真研究［J］.中國儀器儀表，2005（5）：80-82.

［3］吳興純，趙金燕，楊秀蓮，等.智能PID 算法在爐溫度控制系統中的運用［J］.機電工程，2011（8）：948-950.