煙草模糊自適應PID加香加料控制系統研究

張倜雄，孫首群，孫福佳

（上海理工大學機械工程學院，上海200093）

0 引 言

在卷煙的生產過程中，煙草的加香加料是非常重要的一個環節，不同的香料能保持卷煙風格和改善吸味品質［1］。煙草投入生產前需在實驗室進行配方實驗，國內雖然有二十多家煙草技術中心實驗室，但配方研發過程中加料加香實驗均采用手工方法，對實驗人員經驗要求高，實驗效果受實驗人員主觀因素影響大，效率較低，精度不能保證。在自動化越來越普及的今天，實驗室智能化加香加料設備可以替代人工，實現給煙草自動化加香加料。

對于加香加料而言，精度和效率是需要保證的重要因素，目前，工業流水線上普遍使用傳統PID控制方案，但是對于實驗室來說頻繁更換配方及煙草重量需要對PID重新整定，使用傳統PID控制非常麻煩，對于這種復雜控制系統，本文選用模糊自適應PID控制［2，3］，既能保證控制速度又能保證加香加料精度。

1 系統軟硬件組成

實驗室煙草加香加料控制系統主要由兩部分組成，即軟件部分和硬件部分。軟件使用NI公司產品Labview2012版本軟件平臺［4］，硬件主要由雷弗公司的TYD-01注射泵、ABB公司IRB-120小型機械手、電子天平組成?？刂葡到y結構框圖如圖1。

圖1 控制系統結構框架圖

在labview控制面板輸入香料重量Q，labview程序調用模糊自適應PID控制算法得到注射泵流速的值，通過RS-232通訊接口與注射泵通訊調節注射流速，機械手在注射針頭放置在電子天平上的料液瓶上方。加液開始，電子天平數據通過RS-485通訊傳輸給上位機，通過labview程序計算偏差值E和偏差變化率EC作為輸入傳輸給模糊自適應PID控制器，以此類推，直至加液質量達到標準偏差范圍。

1.1 硬件部分介紹

（1）機械手的選取。考慮到實驗室空間有限，需要選擇一款緊湊、敏捷、輕便的六軸機械手，故選用ABB公司的IRB120型機械手，如圖2（a），它是迄今為止最小的機械手臂，能實現該系列機器人的所有功能和技術。其最大工作行程為411 mm，底座下方拾取行程為112 mm，滿足精確加香加料過程的行程要求。

圖2 硬件部分

（2）注射泵的選擇。選用雷弗公司生產的TYD-01高精度注射泵（如圖2（b）），采用RS-485通訊，支持MODBUS協議，方便快速設置參數，推力最大能達到34 kg，能保證控制加液的實時性和要求的精確度。

（3）電子天平的選取。選用上海卓精BSN-520.3萬分之一電子天平，響應時間小于1 s，精確度為1 mg，滿足基本響應時間和精確度要求。

1.2 程序設計

控制系統的程序流程圖如圖3所示，基于Labview軟件平臺設計，它具有工業控制適用性強，工具包多，函數豐富等特點，非常適合于本程序要求。

圖3 模糊自適應PID算法軟件流程圖

2 模糊自適應PID控制算法的實現

模糊自適應PID控制包括PID控制器和模糊自適應控制器，兩者為串聯關系，以誤差和誤差變化率為輸入，注射泵的流速值為輸出，控制注射泵高效精確加香加料。

2.1 模糊自適應PID的控制流程

為了實現實驗室智能精確加香加料，采用模糊自適應PID控制算法，其基本思想是先找到PID比例微分積分三個參數與偏差及偏差變化率之間的關系，然后使用模糊控制器在線修改PID控制器的各參數，從而達到控制輸出液量的目的，同時保證加液過程高效穩定性［5］。其原理公式：

式中，Kp、Ki、KD為輸出給PID控制器的參數值；Kp0、Ki0、Kd0為給定的初始值，與經典PID的整定參數相似；ΔKp0、ΔKi0、ΔKd0是根據修正規則表，經過模糊推理獲取的修正量。

其具體過程如圖4。

圖4 模糊自適應PID控制圖

首先設定流量值，通過反饋得到實際值與預定值的偏差E和偏差變化率EC作為模糊PID自適應控制器的輸入，經過處理后輸出調節后的加液速度控制加液。

2.2 模糊自適應控制器設計

（1）定義輸入輸出變量及論域的確定

此系統通過上位機給出流速值控制PID控制器各參數，將實際值與預期值的偏差以及偏差變化率，傳輸給模糊PID自適應控制器，所以選用兩輸入三輸出的模糊控制器，輸入為偏差E和偏差變化率EC，輸出為PID控制器各參數增量。E的論域為［0，5］，EC的論域為［-3，3］，輸出KP、KI、KD的論域分別為［0，1］，［0，0.1］和［0，1］。

（2）確認隸屬函數及模糊化處理

將輸入輸出語言值分為7個等級，分別賦值為｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。隸屬度函數均選用三角函數。

（3）模糊控制規則的建立

a.當|e|的值較大時，取較大的KP和較小的KD，且使KI為0，以使系統響應加快同時避免過大的超調量；

b.當|e|中等時，取較小的KP、KI和適當的KD，保證系統響應穩定同時避免在平衡點附近出現震蕩；

c.當|e|較小時，取較大的KP、KI和適當的KD，避免在平衡點附近出現震蕩。

根據實際操作經驗和總結工程技術人員專業知識列出模糊規則表［6］如下：

表1 K P的模糊規則表

表2 K I的模糊規則表

表3 K D的模糊規則表

根據表1～3可以看出共有7×7=49條模糊規則：

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；

將以上模糊規則輸入至labview中的模糊控件，當輸入量模糊化以后根據規則輸出控制量的模糊化語言，并使用重心法進行解模糊即可得到精確的控制量。

2.3 PID控制器的選擇

工程應用上，PID控制器是使用最為廣泛的控制算法，具有控制效果好、魯棒性好、技術成熟等優點。PID控制分為位置型PID控制和增量型PID控制。相對而言，位置型PID控制算法每個時刻的輸出都與過去所有數據有關系，每次累加運算量大，而增量型PID控制算法不需要累加，控制增量只與最近的三次采樣有關（如表達式所示），經過簡單地處理就可以得到較好的控制效果，故本模糊PID控制器選用增量型PID算法。其數學表達式為：

3 Matlab仿真

建立模糊控制器模型，設置隸屬函數，導入模糊規則及解模糊方法后作為模糊控制器保存調用，對比傳統PID控制器和模糊PID自適應控制器的仿真效果［7］，其系統傳遞函數為：

如圖5所示，建立Simulink系統仿真框圖，仿真結果如圖6。

圖5 模糊PID控制仿真框圖

圖6 Simulink仿真結果

4 結 論

本文將模糊PID自適應控制器應用于實驗室煙草智能加香加料設備中，從仿真實驗可以證明本控制策略有較好的動靜態性能，實驗證明模糊PID自適應控制相對傳統PID控制加液時間減少了30%，提高精度50%，并具有良好的魯棒性。

［1］鐘慶輝.淺談卷煙加香加料技術的應用［J］.煙草科技，1996，（4）：30-31.

［2］張邦成，李 淼.基于模糊PID算法的軌道車輛LED照明控制系統設計［J］.控制工程，2014，21（6）：882-885.

［3］馮純伯.復雜系統的控制問題——試談控制科學的發展［J］.控制理論與應用，2004，21（6）：855-857.

［4］陳愛武，劉志壯.基于Lab VIEW的微流量控制系統的研究［J］.控制工程，2014，21（2）：168-171.

［5］曹 琦，何善均.煙草制絲加料加香過程的無辨識自適應控制方案［J］.煙草科技，2012，（4）：16-19.

［6］喬元勛，曹衍龍.豆漿液濃度控制系統中模糊自適PID控制器的設計與仿真［J］.組合機床與自動化加工技術，2008，（11）：56-59.

［7］肖艷軍，孫英培.粉煤灰恒壓輸送PID控制系統研究［J］.系統仿真學報，2015，27（1）：171-178.