基于PLC的食品熱烘干機(jī)溫度模糊PID控制

沈艷河，王繼先

1. 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院（開封 475004）；2. 河南化工技師學(xué)院（開封 475004）

熱風(fēng)烘干機(jī)是將具有一定溫度和濕度的熱空氣通入待干燥的食品，通過熱封加熱使得食品內(nèi)部的水分去除，該款設(shè)備在食品水分風(fēng)干中被大量使用[1-2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，食品加工企業(yè)對(duì)于熱風(fēng)烘干機(jī)的自動(dòng)化程度要求越來越高，各大院校以及科研機(jī)構(gòu)正在研究與熱風(fēng)烘干機(jī)相配套的自動(dòng)控制系統(tǒng)，將先進(jìn)的電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及智能控制技術(shù)應(yīng)用于熱風(fēng)烘干機(jī)的設(shè)計(jì)、分析和控制等過程中，可以大大提高食品風(fēng)干的自動(dòng)化水平[3-4]。可編程控制技術(shù)（PLC）因其穩(wěn)定性高、可編程性強(qiáng)、擴(kuò)展能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[5-6]。為了提高熱風(fēng)烘干機(jī)穩(wěn)定性，降低控制系統(tǒng)硬件成本，縮短控制系統(tǒng)開發(fā)周期，設(shè)計(jì)了一款基于PLC的熱風(fēng)烘干機(jī)控制系統(tǒng)。

熱風(fēng)烘干機(jī)中熱風(fēng)溫度和濕度是熱風(fēng)烘干機(jī)中非常重要的兩個(gè)參數(shù)，直接影響風(fēng)干食品的品質(zhì)，因此為了保證食品品質(zhì)需要將熱風(fēng)中的溫度和濕度控制在一個(gè)合理的范圍之中。為了精確控制熱風(fēng)機(jī)的溫度和濕度，目前采用PID控制器進(jìn)行控制，PID控制雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于參數(shù)固定不變，使得控制超調(diào)量大，調(diào)節(jié)能力弱，且較為依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。而熱風(fēng)烘干機(jī)系統(tǒng)通常是一個(gè)非線性、時(shí)變性、大滯后的復(fù)雜系統(tǒng)，建立精確的數(shù)學(xué)模型較為困難，傳統(tǒng)PID控制方法控制效果并不理想。

為了解決上述問題，通常需要采用智能控制算法與PID算法相結(jié)合的形式，模糊控制方法簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，特別適用于非線性、時(shí)變、滯后、模型不完全系統(tǒng)的控制[7]。模糊控制是一種非線性控制器，具有較佳的魯棒性適應(yīng)性及較佳的容錯(cuò)性[8]。基于此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種基于PLC的食品烘干機(jī)溫度模糊PID控制方法，利用模糊控制實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線自我調(diào)整，從而提高控制器的魯棒性。

1 熱風(fēng)烘干機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 熱風(fēng)烘干機(jī)結(jié)構(gòu)

食品熱風(fēng)烘干機(jī)主要由熱風(fēng)爐、傳送裝置、提升裝置以及烘干主機(jī)等構(gòu)成。熱風(fēng)爐主要由送風(fēng)機(jī)、點(diǎn)火點(diǎn)火變壓器、輔助點(diǎn)火電磁閥和主電磁閥等組成。烘干機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，首先啟動(dòng)送風(fēng)機(jī)將主干道中的燃?xì)膺M(jìn)行吹掃，放置在點(diǎn)火初期發(fā)生爆炸，然后輔助點(diǎn)火電磁閥工作，可燃?xì)怏w通過管道被傳送到點(diǎn)火變壓器位置，由點(diǎn)火變壓器實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w點(diǎn)火，點(diǎn)火成功后打開主電磁閥開始大火燃燒，輔助點(diǎn)火電磁閥關(guān)閉，

引風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹入烘干倉中，而熱風(fēng)溫度由燃料步進(jìn)電機(jī)的開度進(jìn)行控制。傳送機(jī)構(gòu)主要由提升機(jī)、上絞龍機(jī)以及下絞龍機(jī)等組成。絞龍機(jī)均由電機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)。食品熱烘干機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示[9]。

圖1 食品烘干機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 工藝流程

食品熱風(fēng)烘干機(jī)采用熱風(fēng)溫度通常為70～80 ℃進(jìn)行谷物烘干，其主要過程為：食品經(jīng)過送料斗進(jìn)入到提升機(jī)中，并通過濕度檢測(cè)傳感器檢測(cè)水分是否達(dá)標(biāo)。如果食品水分超標(biāo)則經(jīng)過上絞龍、下料室、干燥倉進(jìn)行烘干處理，再經(jīng)排料輪和上絞龍返回提升機(jī)。經(jīng)過烘干后的食品再由傳感器檢測(cè)是否達(dá)到要求，如果達(dá)到要求則經(jīng)排料管輸出，并進(jìn)行包裝處理；如果不達(dá)標(biāo)則需要進(jìn)一次進(jìn)行循環(huán)烘干。烘干流程如圖2所示。

圖2 烘干流程

2 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

選擇松下AFPX-C60R系列PLC，該款PLC總共有32個(gè)輸入、30個(gè)輸出。絕緣方式為光電耦合絕緣，額定輸入電壓為24 V DC，允許使用的電壓范圍為21.6～26.4 V DC，繼電器響應(yīng)時(shí)間在0.6 ms以下。可使用USB電纜與計(jì)算機(jī)進(jìn)行直接連接，不需要USB?RS232C適配器/電纜，同時(shí)還裝載了以往的編程口RS232C。利用主機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)編程口（RS232C），可以與顯示面板或計(jì)算機(jī)通信。另外，還備有具備RS232C、RS485及Ethernet端口的通信插卡選件。在FP-X上安裝RS232C 2通道型通信插卡后，可以連接2臺(tái)RS232C設(shè)備。另外還配備了1 ：N通信（最多99臺(tái)）、PC（PLC）之間鏈接（最多16臺(tái)）等豐富的通信功能。其中AFPX-C60R外部接線如圖3所示。

圖3 PLC外部接線圖

經(jīng)過對(duì)烘干機(jī)工藝以及工作流程進(jìn)行分析，并統(tǒng)計(jì)烘干機(jī)中的輸入和輸出點(diǎn)，該系統(tǒng)有輸入、輸出點(diǎn)各14個(gè)，模擬量輸入為3個(gè)點(diǎn)。熱風(fēng)烘干機(jī)輸入、輸出點(diǎn)數(shù)以及模擬量輸入如表1所示。

3 模糊PID控制

3.1 傳統(tǒng)PID控制

傳統(tǒng)PID控制因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、穩(wěn)定性高，在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。PID中比例-積分-微分三個(gè)參數(shù)固定不變，從而導(dǎo)致該算法具有一定的局限性。PID控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

通過人機(jī)觸摸屏先設(shè)定熱風(fēng)溫度目標(biāo)值r(t)，通過熱風(fēng)溫度傳感器采集到熱風(fēng)實(shí)際溫度y(t)，則二者差值e(t)為：

傳統(tǒng)PID模型可表示為：

式中：kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

PID控制算法中通常需要將式（2）進(jìn)行離散，PID離散數(shù)學(xué)模型為[7-9]：

表1 PLC輸入輸出

圖4 傳統(tǒng)PID控制器結(jié)構(gòu)

3.2 模糊PID控制

傳統(tǒng)PID控制由于參數(shù)固定不變，而熱烘干機(jī)是一個(gè)非線性、時(shí)變性、大時(shí)滯性的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID控制器不具有根據(jù)系統(tǒng)變化而自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)的能力，傳統(tǒng)PID控制方法同時(shí)也表現(xiàn)出了一定的局限性。模糊控制算法能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程人員具體經(jīng)驗(yàn)制定出一定的規(guī)則，通過該規(guī)則對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。為了提高熱風(fēng)機(jī)溫度控制精度，提出了一種基于模糊PID的控制方法。

模糊PID控制器中比例-積分-微分參數(shù)調(diào)整方式為：

式中：Kp、Ki、Kd分別為傳統(tǒng)PID控制器的初始化參數(shù)。ΔKp、ΔKi、ΔKd為由模糊控制理論調(diào)整后的PID參數(shù)的調(diào)整量。

由熱烘干機(jī)溫度偏差e(k)和偏差變化率ec，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，通過模糊規(guī)則表格便可查到傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)的調(diào)整量，模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 模糊PID控制器

e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊集合論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。其模糊集合為{PM，NM，NS，ZO，PS，PB，PM}。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證模糊PID控制器對(duì)于食品熱烘干機(jī)溫度控制效果，采用計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)傳統(tǒng)PID控制器和模糊PID控制器分別進(jìn)行了溫度控制曲線仿真，通過對(duì)比二者的控制效果，以說明模糊PID控制器的優(yōu)勢(shì)。仿真曲線如圖6所示。

圖6 仿真曲線

由圖6（a）可知，傳統(tǒng)PID控制方法對(duì)于熱風(fēng)機(jī)溫度控制系統(tǒng)調(diào)整力能力較強(qiáng)，在760 s后階躍響應(yīng)函數(shù)超調(diào)量小于2%。但傳統(tǒng)PID控制超調(diào)量較大，系統(tǒng)超調(diào)量約為20%。而圖6（b）中的模糊PID控制中系統(tǒng)在300 s后便趨于穩(wěn)定，其超調(diào)量約為0.5%，超調(diào)量也僅有5%左右。通過對(duì)比二者控制下效果可以看出，模糊PID控制器在超調(diào)量、收斂速度方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器，模糊PID控制器能夠顯著提高熱烘干機(jī)溫度控制精度，對(duì)于提升食品質(zhì)量具有重要意義。

5 結(jié)語

為了提高食品熱風(fēng)烘干機(jī)溫度控制精度、提升烘干食品品質(zhì)，設(shè)計(jì)了一款基于PLC的食品烘干機(jī)控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了以松下PLC AFPX-C60R CPU為核心的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，為了克服傳統(tǒng)PID控制方法自適應(yīng)能力差、超調(diào)量大等缺陷，將模糊控制理論引入到了PID控制器中，形成了一種智能模糊PID溫度控制方法。仿真結(jié)果表明，模糊PID控制器能夠顯著提高熱風(fēng)溫度控制精度，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，對(duì)于提升食品熱烘干機(jī)溫度具有重要作用。