甘蔗種苗溫水脫毒池的系統設備及控制

陳 平，秦會敏，葉權圣，秦健南*，黃 爽

(1廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業研究所) 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點實驗室，廣東廣州510316；2廣東省綠色制糖工程技術研究中心，廣東廣州510316)

0 引言

甘蔗是我國主要的糖料作物，已經成為地區經濟發展的重要支柱和農民增收的主要經濟來源。但是，近年來，由于甘蔗病蟲害普遍發生，尤其傳種甘蔗病害(宿根矮化病RSD、花葉病Mosaic等)危害更嚴重，致使甘蔗種質退化、宿根年限短、產量下降快，已成為制約蔗糖產業持續穩定發展和蔗糖優勢產業發揮的重大問題。為解決甘蔗脫毒問題，研究開發甘蔗種苗溫水脫毒池的系統設備及控制的關鍵技術，保證脫毒池溫度控制在50℃±0.2℃，水溫過高、處理時間過長易使種芽燙傷喪失發芽力，水溫過低、處理時間過短起不到脫毒效果，同時保持脫毒池水體循環[1]。本研究通過對甘蔗種苗溫水脫毒池系統設備的結構設計，建立了增量式PID控制算法模型，通過Matlab仿真及對S7-200 CPU的自整定，實現了甘蔗種苗脫毒池的溫度控制。

1 脫毒池的結構

甘蔗種苗溫水脫毒池由溫度檢測裝置(熱電阻)、液位檢測裝置(液位計)、冷熱水混合箱、循環水泵組成，結構圖如圖1所示。安裝4支熱電阻在脫毒池的4個角，以保證水溫控制的均勻性；冷熱水混合箱保證脫毒池的水溫相對穩定，防止高溫熱水燙傷蔗苗；采用循環水泵對水池溫水進行循環處理；留有溢流孔保證水的循環使用。

圖1 脫毒池結構圖

2 脫毒池控制系統組成

本系統使用S7-200 PLC作為核心現場控制器。擴展模塊EM231和EM232用于實現模擬量的輸入和輸出。閥門的開閥采用 PWM 控制方式。溫度控制增量式PID算法的實現。

2.1 控制器

本系統中選用西門子CPU224作為PLC的主機模塊，西門子CPU224集成了14點輸入和10個點的輸出，共有24點數字量I/O，最大擴展至168點數字量I/O或者摸擬量I/O。同時具有32位浮點運算功能和內置集成的PID調節運算指令，比較適用于溫度控制系統。可在PLC的內部完成溫度的調節以及所有的控制邏輯的計算。

2.2 控制模塊

由于西門子PLC控制器CPU224不能直接接收和輸出模擬量信號，所以選取2塊熱電阻輸入模塊EM231和1塊模擬量輸入輸出模塊EM235。EM231帶有4路模擬量輸入，集成有16位AD轉換器，分辨率達0.1℃，能自動進行線性化處理，當用作熱電偶測量時具有冷端補償功能，不再需要外部變送器，能一個模塊就完成數據采集及數據處理功能。系統溫度信號的采集選用 A級熱電阻 pt100，精度為±(0.15+0.002|t|)℃，但價格較貴，PLC的控制指令經數字I/O輸出控制熱水閥或冷水閥的開啟和關閉。

2.3 閥門控制

本系統中采用的閥門電動定位器不能無級調節，只能控制開或關，所以在系統調度前將閥門的滿度限位調節至全開的 30%左右。這樣做既降低硬件成本也保證了因開閥過大，熱水量過大使溫度超調超差而影響控制精度。閥門的開閥采用 PWM方式，每30 s為1周期，每周期打開1次，每次打開的時間由PID控制器計算所得。如圖2所示。

圖2 溫度控制增量式PID算法的實現

3 溫度控制增量式PID算法的實現

3.1 系統模型的建立

3.1.1 系統啟動過程

設備通電啟動后直接進入自動控制，CPU根據水池液位、池水溫度及給定溫度值同時注入冷水和熱水，當液位到達設定值時，進入恒溫狀態后，吊入種苗，此時系統進入精確控溫狀態，此過程只是加入少量熱水調節溫度即可，否則超調。因而主要考慮這個階段的控制參數。此時，溫控系統采用一階延遲控制系統模型，模型中K、T、τ參數的使用以下公式來確定[2]。

其中：K為過車工過程增益系數，T為過程時間常數，單位為s，τ為過程時間常數，單位為s，

式中：y(0)：階躍擾動給定前的溫度值；y(∞)：階躍擾動給定后系統穩定狀態的溫度值；Δu：給定的輸出量；t(0.28)：溫度由 y(0)升至 y(0)+0.28×Δy所需的時間值；t(0.632)：溫度由 y(0)升至y(0)+0.632×Δy所需的時間值。

3.1.2 系統輸入輸出數據測定

水溫恒定后在階躍擾動給定Δt=5 s(脈沖寬度為5 s)的開閥時間的作用下，每隔10 s記錄水溫的變化情況，如表 1所示。由表 1中數據得知：Δy=y(∞)-y(0)=51.9-49=2.9，Δu=5(本系統對應開閥脈沖高電平時間)；靜態放大系數 K＝Δy/Δu＝2.9/5＝0.58。

Matlab是一個用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法等。根據表 1中的溫度隨時間變化的數據在Matlab中進行仿真得K、T、τ的值，通過顯示函數顯示在仿真圖表上，運行結果如圖3所示，根據圖3可知，K=0.58，T=44.3，τ=16.8。

表1 水溫變化情況表

圖3 Matlab仿真曲線

根據ZRT原理整定出控制系統的數據模型為：

在此可根據 a的值來選擇控制規律，當 a=0.2時應選用比例或比例積分控制規律；當 0.2＜a＜1時，應選用比例-積分-微分控制規律；當a＞1時應采用串級控制或前饋控制。而該系統的 a屬于第 2種情況，所以應當選用比例-積分-微分控制規律，即PID控制，脫毒池的系統控制框圖如圖4所示。

圖4 甘蔗種苗溫水脫毒池的系統控制框圖

3.2 控制傳遞函數及PID參數的整定

具有比例-積分-微分控制規律的控制器，稱為PID控制器[3]。這種組合具有3種基本規律各自的特點，其運動方程為：

式中Kp：比例系數；e(t)：溫度測量值-給定值，即偏差值；Ti：積分時間；Td：微分時間；e(t)的微分，即(上次偏差-本次偏差)。

PID控制器相應的傳遞函數是：

PID參數的整定在Matlab R2015a中PID參數的整定可用PID Tuner或Simulink工具進行。

3.2.1 使用PID Tuner

打開Matlab R2015a，在工作區鍵入系統的輸入輸出傳遞函數G0=tf(0.58,[44.3,1])，然后點擊頂部菜單中的APPS下的PID Tuner，在PID Tuner對話框中對選導入系統的輸入輸出傳遞函數G0，PID類型選擇PID，仿真結果如下圖5。點擊Show Parameters顯示PID參數如下圖6所示。

3.2.2 使用Simulink工具

圖5 PID Tuner中數據仿真圖

圖6 Show Parameters顯示PID參數圖

打開Matlab R2015a，點擊頂部菜單中的HOME下的Simulink Library，在庫瀏覽器對話框的上部圖標中點New Model，在新的對話框中建立如下圖的連接圖7。

圖7 Matlab模型連接圖

3.2.3 S7-200 CPU中PID參數的自整定

PID參數的整定主要有Ziegler-Nichols整定法、臨界比例度法、衰減曲線法，經Matlab仿真得知，本系統振蕩周期長且難以形成等幅振蕩，故采用衰減曲線法。其方法如下：把PID參數中的積分項和微分項去掉(積分時間 9999，微分時間 0)，只保留比例項，在閉環系統中設定給定值為45℃投入自動，待系統穩定后，提高給定值為50℃，記錄溫度測量值的歷史趨勢如圖8。圖中：衰減比例δs=Vp2/Vp1；Ts：為第1個峰值與第2個峰值之時間差，可依據表2經驗公式算出PID的參數。

圖8 溫度測量值的歷史趨勢

表2 調節器參數表

3.3 控制程序的編制

軟件控制流程如圖9所示。

3.3.1 參數初始化控制

糖廠因原料等原因每年停機半年以上，停機后設備電源關閉，而S7-200 CPU為早期設計，電路較為落后，仍采用備份電池保存參數，斷電時間較長時備份電池耗盡，導致運行所需參數值丟失。為保證任何時候開機設備均能正常運轉，程序設計時將

正常運行時的參數值固化于代碼中，利用CPU內的首次運行標志及參數異常值判定是否進行參數值初始化。

3.3.2 回差設置

由于閥門控制為開關量輸出，必須做好回差控制梯形圖，避免閥門在開關位置不停振蕩，最終閥門會迅速損壞。

圖9 軟件流程圖

3.3.3 熱水水溫控制

由于水池恒溫時間長，保溫期間熱水添加量極少，熱水管流動量少，冬天降溫較快，因此將熱水水溫引入控制回路，并在熱水水溫較低時加快流量，提高溫度回路反應速度，否則實際操作中會出現水溫低于給定值時，長時間水溫提升不到給定值。

4 結論

由于使用Matlab對系統模型進行建立和仿真，充分引入控制回路所需的測量參數，并在編程過程中充分考慮了異常情況的處理，因而整體運行良好，系統開機后即進入自動控制狀態，無需人工干預。溫度控制效果好，使用穩定。