基于智能軌跡導引的果蔬膨化溫度控制

黃琦蘭，魏王悅

天津工業大學電氣工程與自動化學院（天津 300387）

隨著果蔬加工業的發展和人民生活水平的提高，果蔬膨化產品因富含營養和口感酥脆受到青睞。果蔬膨化設備通常將預切片處理的原料經過高溫和高壓處理，從而得到疏松的膨化產品[1]。果蔬膨化過程的溫度對產品質量有很大影響，溫度過低，會導致無法達到膨化食品的衛生標準；溫度過高，會破壞營養成分[2]。因此，果蔬膨化加工對溫度指標的控制品質有較高要求。

果蔬膨化設備加熱倉溫度常使用的PID調節雖方法簡單、易于實現，但在大滯后和多干擾的環境中難以取得良好的控制效果，常伴隨有超調產生和穩定性差等難題[3]。很多學者在果蔬膨化溫度控制精度優化方面開展了研究，如：陳嬋娟等[4]設計積分分離單神經元PID控制器并對果蔬膨化溫度系統進行仿真，使系統的調節時間縮短，取得良好的控制效果；郝敏[5]采用單神經元法使系統波動減少，提高控制精度。然而上述方法會使控制參數變多，導致整定工作復雜化。

智能軌跡導引控制（ITGC）[6]是通過規劃引導曲線，將被控對象平穩引導至目標值處的控制方法。該算法既整合了傳統PID控制“基于偏差來消除偏差”的思想，又借鑒自抗擾控制中“為系統規劃合適的過度過程引導被控變量”[7]。

為提升果蔬膨化溫度控制系統品質、促進果蔬加工業技術升級，提出基于智能軌跡導引的果蔬膨化溫度控制方法，在分析系統結構后，使用step7軟件開發智能軌跡導引算法程序塊，建立仿真模型測試程序塊邏輯性和控制效果，完成仿真結果的分析。

1 果蔬膨化溫度控制系統結構

基于智能軌跡導引的果蔬膨化溫度控制系統以S7-1200PLC為控制核心，通過控制器模擬量輸入模塊采集溫度傳感器傳來的加熱倉實時溫度，經PLC中ITGC程序塊運算處理，計算控制輸出信號，通過模擬量輸出模塊作用到觸發器，進而調節可控硅電壓實現果蔬物料的加熱處理。整個系統為溫度閉環控制。控制系統框圖如圖1所示。

圖1 果蔬膨化溫度控制系統框圖

2 ITGC控制器設計

2.1 ITGC算法

在PID控制中，當系統設定值與實際測量值有很大的差異時，很可能造成輸出紊亂的后果。智能軌跡導引控制是使系統的給定值循序漸進式地改變，從而讓系統輸出平穩趨近被控對象的參考值，可減少系統超調量，增強系統的穩定性[8]。ITGC結構圖如圖2所示。

圖2 ITGC結構圖

控制器從前導系統中提取每個采樣時刻的位置設定值Pk和速度設定值Vk，從被控對象中獲取反饋的位置量Pn和速度量Vn，然后分別計算位置量和速度量偏差，得到控制輸出增量表達式：

由速度的定義得：

采樣時間ts=1時有：

式中：Ap為位置權重系數，Av為速度權重系數。控制輸出為：

通過式（2）（5）計算偏差ek和控制輸出un。整個過程將控制方式從“目標控制”轉變為“過程控制”[9]，以極小的偏差引領控制輸出，保證系統的穩定運行。控制器加入對被控量速度信息的處理，從而把握被控對象速度變化，有效規避傳統PID偏差取法簡單[10]造成的不足。

2.2 程序設計

控制系統使用的西門子S7-1200PLC運算能力強，支持模塊化編程[11]。使用step7軟件設計ITGC控制器程序塊。PLC總體程序結構如圖3所示。

圖3 ITGC程序結構圖

2.2.1 基本模塊

OB100用于初始化溫度設定值、ITGC算法各權重系數、控制輸出最大值和最小值等。主程序OB1采集溫度信息并保存在存儲區DB30，PLC進入中斷后，ITGC控制器根據溫度數據規劃前導曲線和計算控制輸出，控制輸出存儲于全局區，中斷結束后由OB1將輸出值送至觸發器，實現溫度調節。全局存儲區定義變量如圖4所示。

圖4 全局存儲區參數配置

FC4為開關控制塊，以便在開始時刻膨化設備溫度值與設定值相差很大時快速加熱；偏差值到達ITGC調節范圍內時，FB1將溫度設定作用在前導系統產生階躍響應，輸出前導曲線；FB2提取前導曲線溫度信息和存儲區實時溫度，經過算法運算得到控制輸出值；FC3對輸出值做限速限幅處理，以保護加熱裝置。最終輸出值寫入存儲區并由OB1傳遞至觸發器。FB1和FB2參數配置如圖5和圖6所示。

圖5 FB1塊參數配置

圖6 FB2塊參數配置

2.2.2 算法塊封裝

在果蔬膨化系統中，有加熱倉與真空膨化罐加熱器等需要溫度控制的場合，將各功能塊封裝于一個程序塊內，能方便程序塊的多次調用。封裝后的FB3程序塊如圖7所示。

圖7 封裝后的ITGC程序塊

3 仿真分析

為驗證智能軌跡導引程序塊在果蔬膨化溫控系統中的有效性，結合果蔬膨化溫度變化特點，在matlab軟件中建立一階慣性加純滯后模型，分別對PID控制和智能軌跡導引程序塊進行測試。采樣周期1 s，溫度設定40 ℃，時間常數50，位置系數1.4，速度系數9.6，階躍級數15，得到的PID控制和智能軌跡導引控制響應曲線如圖8和圖9所示。

比較圖8和圖9可知，PID控制由于偏差取法簡單而出現嚴重超調，超調量約20%，且調節時間長。在200 s時施加干擾，PID控制出現明顯的波動。ITGC整個調節過程沒有出現超調，在50 s時智能軌跡導引控制介入調節過程，生成前導曲線，將被控量平穩快速地引導至設定溫度值，整個過程調節時間比PID快40 s。150 s處加入擾動后，所產生的波動較小，表現出優良的魯棒性和快速性。因此，ITGC算法能顯著提高果蔬膨化溫度控制品質，有助于提升果蔬膨化產品質量。

圖8 PID控制曲線

圖9 智能軌跡導引控制曲線

4 結語

為改善果蔬膨化溫度控制品質，結合果蔬膨化溫度變化特點，提出基于智能軌跡導引的溫度控制系統，并使用step7開發ITGC算法程序塊，實現通過規劃過渡過程將溫度精準調節至設定值的控制效果，程序可移植性強，方便算法在果蔬膨化溫度控制系統中的應用。搭建仿真模型分別測試PID和ITGC算法控制性能。測試結果表明，與PID控制相比，智能軌跡導引控制調節時間短，無超調產生，抗干擾能力強，響應速度快，是提升果蔬膨化加工過程溫度控制質量的有效方案。