基于模糊PID的煙葉烤房網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計

（開封大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，開封 475004）

0 引言

隨著現(xiàn)代煙草烘烤技術(shù)的推廣以及密集烤房建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，煙葉烘烤正向著工廠化和集約化發(fā)展，烤房控制技術(shù)也明顯提高[1]。但是，存在著以下問題亟待解決：首先，烤房及其設(shè)備型號或品牌之間互換性差，適應(yīng)性差，控制精度低，維護(hù)成本高；再者，眾多品牌的烤房控制儀之間沒有統(tǒng)一明確的通訊協(xié)議，無法實現(xiàn)通過集中控制和網(wǎng)絡(luò)控制，嚴(yán)重減緩了先進(jìn)、成熟烘烤技術(shù)的推廣應(yīng)用，制約了烘烤質(zhì)量的提高[2]。

本文介紹的烤房群集散控制系統(tǒng)由烤房控制終端、監(jiān)控中心及通訊通道三部分構(gòu)成。烤房控制終端是以高性能單片機為核心的烤房溫度控制儀，獨立完成對烘烤過程的智能化監(jiān)控，監(jiān)控中心由一臺安裝了軟件sksyscontrol的計算機構(gòu)成。

1 烤房溫度控制儀設(shè)計

1.1 烤房溫度控制儀構(gòu)成

如圖1所示，該控制儀以單片機PIC18F46K80-I/PT為核心，干濕球溫度傳感器檢測烤房內(nèi)的溫度，按照設(shè)定的溫濕度曲線或者系統(tǒng)內(nèi)部存儲的專家曲線來控制風(fēng)門的開度、風(fēng)機的起停以及轉(zhuǎn)速等來調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度和濕度。如果出現(xiàn)傳感器故障、干濕球偏溫、風(fēng)機過載、電源缺相、水壺缺水等異常情況，系統(tǒng)可通過語音芯片進(jìn)行報警。數(shù)據(jù)存儲器采用24C256，用于設(shè)定曲線參數(shù)和保存運行參數(shù)，以MAX485作為通訊接口電路，用于與上位機通訊。另外，從節(jié)能方面考慮，各執(zhí)行電機采用調(diào)速電路。

圖1 控制儀方框圖

1.2 部分硬件電路設(shè)計

1.2.1 溫度采集電路

溫度采集電路選用四個傳感器DS18B20，將檢測到的烤房上下棚溫度傳送給單片機, 通過比較實際溫度與設(shè)定溫度，由模糊PID運算得到相應(yīng)輸出量，通過控制循環(huán)風(fēng)機和鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)風(fēng)門開度，實現(xiàn)干球溫度控制；控制排濕風(fēng)機補風(fēng)門的開度來控制濕球溫度。

1.2.2 補風(fēng)門電路

圖2 溫度采集電路

補風(fēng)門是控制濕球溫度的重要部件，其動作頻繁（平均每烤的動作次數(shù)約在8000次），使用繼電器控制時往往由于繼電器的機械壽命（10萬次）而影響使用壽命；補風(fēng)門的電源是直流12V，使用H橋驅(qū)動電路，徹底解決了繼電器機械壽命不夠的問題；同時增加了超瞬變管TVS和電感，避免風(fēng)門感應(yīng)雷擊而破壞主板，實現(xiàn)對CPU的接口保護(hù)。

圖3 補風(fēng)門電路

1.2.3 通訊電路

通訊電路的作用是實現(xiàn)控制儀與監(jiān)控中心的雙向通訊。以MAX485作為通訊接口電路，組成RS-485總線通訊網(wǎng)絡(luò)，通訊協(xié)議服從MODBUS規(guī)約。

2 控制算法

為了使烤房內(nèi)的溫、濕度按照煙葉烘烤最佳生化曲線變化，提高控制精度和煙葉烘烤質(zhì)量，在煙葉三段式烘烤工藝中需要按照煙葉烤制最佳溫度控制曲線來控制執(zhí)行機構(gòu)[3～6]。然而，烤房系統(tǒng)實際上是一個復(fù)雜的控制對象，它與煙葉含水量、烤房材質(zhì)、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、排濕風(fēng)門開度等多種因素有關(guān)。因此煙葉烘烤溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是多參數(shù)、動態(tài)的，具有大慣性、純滯后、多變量等特性，難以得到精確不變的數(shù)學(xué)模型[7,8]。

模糊控制雖然精度不高，但不需要被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，魯棒性和適應(yīng)性較好，所以可以將模糊控制和傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合形成模糊PID控制器。將系統(tǒng)設(shè)定溫度r(t)和實際溫度y(t)之間的誤差E和誤差變化EC作為輸入，利用模糊規(guī)則進(jìn)行推理，查詢控制表修正PID參數(shù)。即將輸入E、EC和輸出kp、ki、kd劃分為負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，0 (ZE)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)，參考烤煙專家的實際操作經(jīng)驗，建立出合適的模糊控制規(guī)則表[9,10]，如表1所示。

按照以上模糊控制表，采用模糊控制技術(shù)和升溫斜率控制技術(shù)，制定了適應(yīng)多種風(fēng)機和風(fēng)門的控制規(guī)則。

主程序設(shè)計主要包含：系統(tǒng)初始化、中斷、鍵盤、

數(shù)據(jù)采樣、模糊PID參數(shù)整定和控制量輸出幾部分，模糊PID算法流程圖如圖5所示。

圖4 通訊電路

表1 △Kp、△Ki、△Kd模糊控制規(guī)則表

圖5 模糊PID算法流程圖

3 烤房群集散控制方案設(shè)計

基于Java語言開發(fā)了SKsysControl軟件。煙葉烤房集群控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用RS485總線，通過MODBUS協(xié)議實現(xiàn)通過MODBUS協(xié)議實現(xiàn)全部烤房控制儀網(wǎng)絡(luò)連接通訊，PC端安裝SKsysControl軟件后就可以完成對烤房群中烤房參數(shù)和狀態(tài)的監(jiān)控，顯示或打印烘烤數(shù)據(jù)或曲線。同時可以遠(yuǎn)程查詢、修改烤房的各種參數(shù)，記錄各烤房的運行數(shù)據(jù)、烘烤過程數(shù)據(jù)、故障信息數(shù)據(jù)等，形成數(shù)據(jù)庫以備查詢分析，實現(xiàn)煙葉烤房群的分散控制和集中管理。

集散控制系統(tǒng)主頁面如圖6所示，監(jiān)控的烤房數(shù)量可以設(shè)置（最多128座）。每頁可以實時顯示多座烤房的實測干球溫度、濕球溫度，設(shè)置干球溫度、濕球溫度和烤房編號等。發(fā)生報警及通訊故障時，主控界面以改變顏色或閃爍形式及時提醒。

圖6 集散控制系統(tǒng)主頁面

雙擊主頁面中任意設(shè)備，進(jìn)入終端設(shè)備設(shè)置界面，可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

圖7 終端設(shè)備設(shè)置界面

4 結(jié)論

圖8 樣機實物圖

該控制儀的實物如圖8所示，該控制儀的輸出控制接口不但適用于普通密集烤房、移動式空氣源熱泵烤房和空氣源熱泵密集烤房，同時循環(huán)風(fēng)機分為單速度、雙速度和變頻調(diào)速的多種控制方式，適應(yīng)多種循環(huán)風(fēng)機控制。預(yù)存有多套烤煙工藝曲線參數(shù)，方便用戶選擇,也可通過人機界面進(jìn)行參數(shù)修改。

在福建省南平市煙草公司轄區(qū)煙葉烤房現(xiàn)場安裝了30臺控制儀，運行試驗數(shù)據(jù)表明其控制技術(shù)要求能很好滿足烤煙需要。模糊PID算法實現(xiàn)參數(shù)的在線整定，提高了煙葉烘烤的控制精度，系統(tǒng)具有很強的魯棒性和穩(wěn)定性。集中控制軟件SKsysControl，實現(xiàn)了烤房基于RS485總線結(jié)構(gòu)MODBUS協(xié)議規(guī)約的集中控制，專家能夠隨時監(jiān)控、修改烤房的烘烤參數(shù)，實現(xiàn)本地區(qū)烤房群乃至全國的烤房群專家共享，初步實現(xiàn)了“智慧烤煙”的構(gòu)想，具有廣闊的應(yīng)用前景。