基于模糊PID 算法的奶牛飼喂裝置溫控系統的設計*

朱學飛

（新疆石河子職業技術學院，新疆 石河子 832000）

新疆地區冬季氣候寒冷，在奶牛喂養過程中，冰冷的飼料會對奶牛的泌乳以及牛奶的質量產生不利的影響，導致牛奶乳脂率下降。本文在現有的飼喂裝置基礎上，設計了一種基于PLC控制的模糊PID溫控系統，應用于新疆地區的奶牛精準飼喂裝置中。

1 控制系統總體設計要求與目標

1.1 總體設計

本文設計的飼料溫控裝置是由PLC、觸摸屏和組態軟件構成的一種過程優化在線監控系統。該系統是通過人機界面給出主控信號，選用西門子S7-200 SAMRT系列PLC作為控制器，控制微波磁控管、傳送帶及送風電機，實現飼料溫控裝置的自動控制，完成飼料的加熱工作。

1.2 控制目標

通過對八師143 團奶牛養殖場進行充分調研，結合調研情況和飼料加熱作業的工作條件以及國內奶牛精準飼喂設備的發展現狀，提出如下控制目標。

1）系統運行自動化：飼料溫控系統能夠在設備開機上電后，通過簡單的參數設置便能完成整個加熱工作流程，實現無人值守，節約人力資源和人力成本。

2）系統有必要的保護功能：主電路、控制電路必須具備短路保護、過載保護、失壓保護等功能。

3）控制系統節能高效：與同類飼料加熱設備相比，在加熱速率不低于傳統的加熱設備的情況下，能耗明顯降低，符合可持續發展理念。

4）易于操作的人機交互界面。

2 溫控系統的硬件設計

2.1 控制系統硬件選型

加熱器件選用微波磁控管。磁控管產生微波，輻射飼料使其內部產生高溫，向外擴散，加熱均勻，效率高；通過控制固態繼電器SSR調節磁控管輸出功率，易于實現PID控制，系統自動化程度高，人工成本低。微波除了熱效應外還具有消毒殺菌作用，微波可以穿透飼料內部，殺滅各種細菌繁殖體及真菌，非常適合應用場景。

作為S7-200 的更新換代產品，S7-200 SMART 繼承了S7-200 的優點，指令基本上和S7-200 相同，配套的編程軟件STEP7-Micro/WIN SMART界面友好，支持8路PID功能，自動/手動切換及PID整定，可以快速方便實現控溫功能。

變頻器是飼料微波加熱控制系統執行機構的驅動元件。西門子MM420 變頻器結構緊湊，便于安裝，適用于多種變速驅動應用，完全能滿足系統設計要求，也與系統傳送帶電機功率匹配。

2.2 主電路設計

飼喂裝置溫控系統需要控制的設備器件主要有：傳送帶電機、送風電機、抽濕電機及微波磁控管若干。這些控制器件的控制方式如下。

1）傳送帶由三相異步電動機M1 驅動，由變頻器調節，三段速運行。根據飼料的種類和加熱作業需要的運行時間，從觸摸屏上輸入電動機運行速度。

2）送風電機為雙速電動機M2，低速運行保障干燥倉內溫度均衡，高速運行送風降溫，可實現倉內循環風速控制。

3）抽濕電機為三相異步電動機M3，只進行單向正向運行。

4）加熱模塊為磁控管。固態繼電器接收PLC 給出的信號，控制磁控管的工作狀態。

2.3 控制電路設計

系統控制接線電路如圖1所示。繼電器型PLC SR40作為主站結合變頻器控制飼料輸送帶，結合交流接觸器控制送風電機和抽濕電機；晶體管型PLC ST30作為從站，實現PID算法控制PWM輸出，以控制磁控管的開閉，保持溫度恒定。

3 模糊PID控制器設計

3.1 PID控制原理

隨著離散控制理論的發展，PID也逐漸應用于計算機化控制系統，但是積分項和微分項都不能直接使用，需要進行離散化處理，用描述離散系統的差分方程替換描述連續系統的微分方程，得到相應的數字PID控制器。本文研究的位置式PID算法表達式為：

圖1 系統控制接線電路

式中，KP是比例系數，增大KP可以使系統響應速度更快，調節精度變高，會增大超調量，導致系統不穩定；Ti是積分系數，積分項的引入能夠消除系統的穩態誤差。Td是微分系數，它能預測誤差變化的趨勢，提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，改善系統在調節過程中的動態特性，避免被控量的嚴重超調[1]。

3.2 模糊控制

模糊控制是指利用模糊數學知識模仿人腦的思維對模糊的現象進行識別和判斷，給出精確的控制量，利用計算機予以實現的自動控制。

典型的負反饋控制系統由控制器、被控對象、測量裝置及執行機構等部分組成。如果僅采用 PID 控制，則很難滿足系統的快速響應需求。由于溫控系統屬于非線性控制系統，各參數是不斷變化的，為了達到控制要求，必須對參數進行不斷的設置。傳統的PID 控制系統往往沒有準確的模型，導致參數難以確定[2]。

本文選擇編程軟件STEP 7- Micro/WIN SMART 中的PID 指令向導生成PID 程序。PID 參數模糊自整定是找出PID 中3 個參數與溫度誤差e和誤差變化率ec之間的模糊關系，在控制系統運行中循環計算e和ec的值，根據模糊控制原理對Kp、Ki和Kd中的3 個參數進行在線修改，滿足不同e和ec對控制參數的不同要求，完成對溫度的控制。

3.3 控制系統實現

飼喂裝置溫度控制系統結構如圖2 所示。該系統是由PID 控制器、固態繼電器SSR、加熱裝置磁控管、熱電阻傳感器、變送器、A/D 轉換器組成的單回路溫控系統。PID 控制器和A/D 轉換用西門子S7-200 SMART PLC ST30 來實現。上位機IPC中使用STEP7-Micro/WIN SMART作為編程軟件，利用PID指令功能塊，調用PID指令向導；使用MCGS嵌入式系統對觸摸屏界面進行組態設計，完成上位機對PLC 的控制過程進行實時監控與數據采集、趨勢曲線的顯示等任務。

圖2 溫度控制系統結構框圖

系統運行時，熱電阻傳感器檢測飼料溫度，溫度變送器將熱電阻輸出的微弱電壓信號轉變直流電壓信號，模擬量模塊AM06中的A/D轉換器將此信號轉換成與溫度成比例的過程變量PV；CPU將其與溫度設定值SV進行比較，得到溫度偏差值EV；控制器以偏差值EV為輸入量，進行PID控制運算；模擬量模塊AM06 中的D/A 轉換器將PID 控制器的數字量輸出值轉換為直流電壓信號，用以控制固態繼電器和交流接觸器的開關狀態，調整磁控管的功率和送風電器的啟停；當溫度低于目標值時，開啟磁控管加熱，當溫度高于目標值時，開啟送風電機降溫，以此實現溫度的恒定控制[3]。

PID 溫度控制模塊的PLC 梯形圖如圖3 所示。首先對PID 初始化參數進行設定，分別對增益、采樣時間、積分時間常數、微分時間常數進行設置。此外，在尋找合適的增益和積分時間常數時，先賦一個較小的值給增益，給積分常數一個較大的值，確保不會出現較大的超調，不斷調試以尋求最佳參數。PID 控制器系數Kp=3.2，Ti=7.6，Td=5.3，模糊控制器控制溫度在35℃上下浮動，符合控制要求[4]。

圖3 PID 溫度控制梯形圖

4 結論

本研究利用現代電氣控制技術，針對溫控系統非線性、大滯后和時變性等特點，采用模糊控制與PID算法相結合的方法，設計了奶牛飼喂裝置溫度控制系統，溫度控制精度達到±0.5℃，系統穩態誤差小，控制效果良好，自動化程度和實用性較高。