基于模糊PID 算法的奶牛飼喂裝置溫控系統(tǒng)的設(shè)計*

朱學(xué)飛

（新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832000）

新疆地區(qū)冬季氣候寒冷，在奶牛喂養(yǎng)過程中，冰冷的飼料會對奶牛的泌乳以及牛奶的質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響，導(dǎo)致牛奶乳脂率下降。本文在現(xiàn)有的飼喂裝置基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于PLC控制的模糊PID溫控系統(tǒng)，應(yīng)用于新疆地區(qū)的奶牛精準(zhǔn)飼喂裝置中。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計要求與目標(biāo)

1.1 總體設(shè)計

本文設(shè)計的飼料溫控裝置是由PLC、觸摸屏和組態(tài)軟件構(gòu)成的一種過程優(yōu)化在線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是通過人機(jī)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(fēng)電機(jī)，實現(xiàn)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(biāo)

通過對八師143 團(tuán)奶牛養(yǎng)殖場進(jìn)行充分調(diào)研，結(jié)合調(diào)研情況和飼料加熱作業(yè)的工作條件以及國內(nèi)奶牛精準(zhǔn)飼喂設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，提出如下控制目標(biāo)。

1）系統(tǒng)運行自動化：飼料溫控系統(tǒng)能夠在設(shè)備開機(jī)上電后，通過簡單的參數(shù)設(shè)置便能完成整個加熱工作流程，實現(xiàn)無人值守，節(jié)約人力資源和人力成本。

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

3）控制系統(tǒng)節(jié)能高效：與同類飼料加熱設(shè)備相比，在加熱速率不低于傳統(tǒng)的加熱設(shè)備的情況下，能耗明顯降低，符合可持續(xù)發(fā)展理念。

4）易于操作的人機(jī)交互界面。

2 溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件選型

加熱器件選用微波磁控管。磁控管產(chǎn)生微波，輻射飼料使其內(nèi)部產(chǎn)生高溫，向外擴(kuò)散，加熱均勻，效率高；通過控制固態(tài)繼電器SSR調(diào)節(jié)磁控管輸出功率，易于實現(xiàn)PID控制，系統(tǒng)自動化程度高，人工成本低。微波除了熱效應(yīng)外還具有消毒殺菌作用，微波可以穿透飼料內(nèi)部，殺滅各種細(xì)菌繁殖體及真菌，非常適合應(yīng)用場景。

作為S7-200 的更新?lián)Q代產(chǎn)品，S7-200 SMART 繼承了S7-200 的優(yōu)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(xiàn)控溫功能。

變頻器是飼料微波加熱控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動元件。西門子MM420 變頻器結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝，適用于多種變速驅(qū)動應(yīng)用，完全能滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，也與系統(tǒng)傳送帶電機(jī)功率匹配。

2.2 主電路設(shè)計

飼喂裝置溫控系統(tǒng)需要控制的設(shè)備器件主要有：傳送帶電機(jī)、送風(fēng)電機(jī)、抽濕電機(jī)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(jī)M1 驅(qū)動，由變頻器調(diào)節(jié)，三段速運行。根據(jù)飼料的種類和加熱作業(yè)需要的運行時間，從觸摸屏上輸入電動機(jī)運行速度。

2）送風(fēng)電機(jī)為雙速電動機(jī)M2，低速運行保障干燥倉內(nèi)溫度均衡，高速運行送風(fēng)降溫，可實現(xiàn)倉內(nèi)循環(huán)風(fēng)速控制。

3）抽濕電機(jī)為三相異步電動機(jī)M3，只進(jìn)行單向正向運行。

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

2.3 控制電路設(shè)計

系統(tǒng)控制接線電路如圖1所示。繼電器型PLC SR40作為主站結(jié)合變頻器控制飼料輸送帶，結(jié)合交流接觸器控制送風(fēng)電機(jī)和抽濕電機(jī)；晶體管型PLC ST30作為從站，實現(xiàn)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(shè)計

3.1 PID控制原理

隨著離散控制理論的發(fā)展，PID也逐漸應(yīng)用于計算機(jī)化控制系統(tǒng)，但是積分項和微分項都不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理，用描述離散系統(tǒng)的差分方程替換描述連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，得到相應(yīng)的數(shù)字PID控制器。本文研究的位置式PID算法表達(dá)式為：

圖1 系統(tǒng)控制接線電路

式中，KP是比例系數(shù)，增大KP可以使系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，調(diào)節(jié)精度變高，會增大超調(diào)量，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；Ti是積分系數(shù)，積分項的引入能夠消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Td是微分系數(shù)，它能預(yù)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(fù)值，改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性，避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)[1]。

3.2 模糊控制

模糊控制是指利用模糊數(shù)學(xué)知識模仿人腦的思維對模糊的現(xiàn)象進(jìn)行識別和判斷，給出精確的控制量，利用計算機(jī)予以實現(xiàn)的自動控制。

典型的負(fù)反饋控制系統(tǒng)由控制器、被控對象、測量裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。如果僅采用 PID 控制，則很難滿足系統(tǒng)的快速響應(yīng)需求。由于溫控系統(tǒng)屬于非線性控制系統(tǒng)，各參數(shù)是不斷變化的，為了達(dá)到控制要求，必須對參數(shù)進(jìn)行不斷的設(shè)置。傳統(tǒng)的PID 控制系統(tǒng)往往沒有準(zhǔn)確的模型，導(dǎo)致參數(shù)難以確定[2]。

本文選擇編程軟件STEP 7- Micro/WIN SMART 中的PID 指令向?qū)蒔ID 程序。PID 參數(shù)模糊自整定是找出PID 中3 個參數(shù)與溫度誤差e和誤差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在控制系統(tǒng)運行中循環(huán)計算e和ec的值，根據(jù)模糊控制原理對Kp、Ki和Kd中的3 個參數(shù)進(jìn)行在線修改，滿足不同e和ec對控制參數(shù)的不同要求，完成對溫度的控制。

3.3 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

飼喂裝置溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。該系統(tǒng)是由PID 控制器、固態(tài)繼電器SSR、加熱裝置磁控管、熱電阻傳感器、變送器、A/D 轉(zhuǎn)換器組成的單回路溫控系統(tǒng)。PID 控制器和A/D 轉(zhuǎn)換用西門子S7-200 SMART PLC ST30 來實現(xiàn)。上位機(jī)IPC中使用STEP7-Micro/WIN SMART作為編程軟件，利用PID指令功能塊，調(diào)用PID指令向?qū)В皇褂肕CGS嵌入式系統(tǒng)對觸摸屏界面進(jìn)行組態(tài)設(shè)計，完成上位機(jī)對PLC 的控制過程進(jìn)行實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集、趨勢曲線的顯示等任務(wù)。

圖2 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)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(zhuǎn)變直流電壓信號，模擬量模塊AM06中的A/D轉(zhuǎn)換器將此信號轉(zhuǎn)換成與溫度成比例的過程變量PV；CPU將其與溫度設(shè)定值SV進(jìn)行比較，得到溫度偏差值EV；控制器以偏差值EV為輸入量，進(jìn)行PID控制運算；模擬量模塊AM06 中的D/A 轉(zhuǎn)換器將PID 控制器的數(shù)字量輸出值轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，用以控制固態(tài)繼電器和交流接觸器的開關(guān)狀態(tài)，調(diào)整磁控管的功率和送風(fēng)電器的啟停；當(dāng)溫度低于目標(biāo)值時，開啟磁控管加熱，當(dāng)溫度高于目標(biāo)值時，開啟送風(fēng)電機(jī)降溫，以此實現(xiàn)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(shù)進(jìn)行設(shè)定，分別對增益、采樣時間、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)進(jìn)行設(shè)置。此外，在尋找合適的增益和積分時間常數(shù)時，先賦一個較小的值給增益，給積分常數(shù)一個較大的值，確保不會出現(xiàn)較大的超調(diào)，不斷調(diào)試以尋求最佳參數(shù)。PID 控制器系數(shù)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(jié)論

本研究利用現(xiàn)代電氣控制技術(shù)，針對溫控系統(tǒng)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(jié)合的方法，設(shè)計了奶牛飼喂裝置溫度控制系統(tǒng)，溫度控制精度達(dá)到±0.5℃，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差小，控制效果良好，自動化程度和實用性較高。