基于PFC-PID算法的茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)

馮震，張茂勝

玉林師范學(xué)院（玉林 537000）

溫度測(cè)量和溫度控制在日常工業(yè)生產(chǎn)和生活中具有重要作用。溫度控制計(jì)算屬于新型高科技技術(shù)，近年來逐漸發(fā)展起來，各種溫度控制器隨著溫度控制器應(yīng)用的多樣性和廣泛性應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。智能化的溫度控制系統(tǒng)在信息化時(shí)代中成為一種發(fā)展趨勢(shì)。如在茶葉炭焙機(jī)溫度控制中，茶葉炭焙機(jī)數(shù)據(jù)模型難以建立，以及自身一些特性的原因，對(duì)溫度控制提出較高要求。傳統(tǒng)溫度控制方法在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中難以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的高精度整定，難以滿足生產(chǎn)需求[3-4]。因此，需要對(duì)茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。

施韜等[5]提出基于PID算法的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過前饋解耦控制接口多溫區(qū)加熱爐中存在的加熱通道，利用PID控制算法優(yōu)化溫度控制系統(tǒng)中存在的控制參數(shù)。但該系統(tǒng)在控制過程中沒有改進(jìn)PID控制算法，存在溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率低的問題。朱閣順等[6]提出基于ARM的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用恒流源測(cè)溫電路測(cè)量茶葉炭焙機(jī)的溫度，通過AD轉(zhuǎn)換將獲取的溫度信號(hào)傳送到控制芯片中，在固態(tài)繼電器的基礎(chǔ)上在控制芯片中控制加熱管通斷，采用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制。但該系統(tǒng)的控制器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，難以準(zhǔn)確地跟蹤溫度信息，存在溫度跟蹤精度低的問題。王金莉等[7]提出基于CPLD可編程邏輯器的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將5M160ZE64I5N型CPLD可編程邏輯器件作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，對(duì)溫度控制系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在軟件設(shè)計(jì)中以PID算法作為核心實(shí)現(xiàn)溫度控制。但該系統(tǒng)沒有優(yōu)化PID算法，系統(tǒng)的丟包率較高，存在控制效果差的問題。

為解決上述系統(tǒng)中存在的問題，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了基于PFC-PID算法的茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)。

1 茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于PFC-PID算法的茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)框架圖

基于PFC-PID算法的控制器是茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)的核心部分，通過FPGA芯片實(shí)現(xiàn)該控制器。基于PFC-PID算法的控制器的主要目的是控制茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)中的PWM信號(hào)，根據(jù)不同的輸入量PWM對(duì)繼電器的通斷進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加熱爐加熱功率的控制。通過溫度傳感器可將加熱爐的溫度信號(hào)直接傳輸?shù)綔囟葯z測(cè)模塊中[8-9]。由用戶鍵盤輸入和LED顯示2個(gè)部分構(gòu)成人機(jī)接口模塊，鍵盤的主要功能是輸入溫度值，LED顯示實(shí)際溫度值和給定溫度值。

1.1 FPGA的配置方式

1.1.1 主動(dòng)串行配置

該模式在配置芯片上下載程序，并通過FPGA引導(dǎo)配置操作，F(xiàn)PGA通常情況下在系統(tǒng)中處于主動(dòng)地位[10]，F(xiàn)PGA在上電后不需要控制器或外部計(jì)算機(jī)的控制，針對(duì)存儲(chǔ)的程序引導(dǎo)FPGA配置芯片EFCS加載給FPGA，解決程序容易在斷電后丟失的問題。

1.1.2 FPGA被動(dòng)配置

一般情況下，F(xiàn)PGA被動(dòng)配置都是通過控制器或外部計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的，但這種配置方式的電路負(fù)載性較高，且成本不低。

1.1.3 JTAG配置

JTAG配置通常分為兩類，一類是對(duì)芯片的電氣特性進(jìn)行測(cè)試，另一類是調(diào)試程序。

JTAG與主動(dòng)串行配置和FPGA被動(dòng)配置2種模式都不沖突，因此無論選擇主動(dòng)串行配置模式還是FPGA被動(dòng)配置模式都可以在溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇JTAG模式作為輔助模式[11-12]。在調(diào)試階段選擇主動(dòng)串行配置模式可以采用JTAG模式，完成調(diào)試后，將主動(dòng)串行配置模式應(yīng)用在程序固化過程中。通過上述分析可知，基于PFC-PID算法的茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)選用JTAG模式和主動(dòng)串行配置模式共存的配置模式。

1.2 輸入電路

1.2.1 溫度傳感器

由數(shù)字轉(zhuǎn)換電路和熱電偶兩部分構(gòu)成的電路是傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)最常用的輸入系統(tǒng)[13]。熱電偶具有無自發(fā)熱、溫度范圍廣、響應(yīng)快、堅(jiān)固耐用的優(yōu)點(diǎn)，但也存在易受腐蝕、精度低和信號(hào)調(diào)理復(fù)雜的缺點(diǎn)。熱電偶的線性通常較差，因此需要非線性補(bǔ)償熱電偶。

在茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的是數(shù)字芯片F(xiàn)PGA，但熱電偶在工作時(shí)輸出的為模擬信號(hào)，因此需要A/D轉(zhuǎn)換熱電偶采集的模擬信號(hào)。設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的過程中，電路在后期的處理較為復(fù)雜，且存在測(cè)量準(zhǔn)確度低和可靠性差的問題，增大了溫度傳感器接線程度的同時(shí)也增加了工作量和制作成本[14-15]。在茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)中溫度傳感器是獲取被控對(duì)象特征的主要部件，控制系統(tǒng)的精度直接受溫度傳感器的影響，為提高茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)的集成度、精度和穩(wěn)定性，試驗(yàn)將數(shù)字類的溫度傳感器DS18B20應(yīng)用在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，DS18B20的測(cè)溫分辨率達(dá)0.062 5 ℃，不需要轉(zhuǎn)換溫度值，可以直接用數(shù)字量代替溫度信號(hào)，簡(jiǎn)化硬件電路的結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有精度高、電壓寬、成本低、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，節(jié)省成本和空間[16]。

1.2.2 溫度測(cè)量模塊

基于PFC-PID算法的茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)通過DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度傳感，DS18B20的操作通過溫度測(cè)量模塊進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)溫度值的采集。DS18G20在溫度測(cè)量過程中的訪問過程為：初始化命令，發(fā)送ROM命令碼，發(fā)送功能命令[17]，DS18B20的設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 DS18B20溫度傳感器設(shè)計(jì)流程圖

1.3 輸出電路

控制輸出電路在茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)中的主要功能是將PID控制器的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)茶葉炭焙機(jī)的控制，通常包括2個(gè)部分，分別是PWM模塊和固態(tài)繼電器[18-19]。

1.3.1 GJ10-W固態(tài)繼電器

茶葉炭焙機(jī)的溫度控制可以通過調(diào)節(jié)加熱爐的輸入功率實(shí)現(xiàn)。通常采用晶閘管調(diào)節(jié)溫度控制儀功率，主要通過2種方式實(shí)現(xiàn)：一是通斷控制調(diào)功。改變電壓周波在控制周期內(nèi)的次數(shù)，保持電壓波形穩(wěn)定。二是相位控制調(diào)功。改變交流電壓波形在周期內(nèi)的導(dǎo)通角，對(duì)負(fù)載段電壓有效值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

通斷控制調(diào)功屬于過零觸發(fā)，相位控制調(diào)功屬于移相觸發(fā)[20]。考慮加熱爐的存阻性負(fù)載，將過零觸發(fā)的方法應(yīng)用在溫度控制儀中，其輸出波形屬于正弦波不會(huì)對(duì)其他用電設(shè)備產(chǎn)生干擾，同時(shí)不會(huì)污染電網(wǎng)。因此，試驗(yàn)采用通斷控制調(diào)功的方法。采用過零型交流SSR作為茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)中的固態(tài)繼電器。

1.3.2 PWM模塊

PWM技術(shù)是一種非常有效的技術(shù)可以通過微處理器的數(shù)字輸出控制模擬電路，在多種領(lǐng)域中得到廣泛關(guān)注，具有較多的優(yōu)點(diǎn)。基于FPGA實(shí)現(xiàn)的PWM控制器具有可現(xiàn)場(chǎng)編程、控制精度高、易修改、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、接口簡(jiǎn)單和開關(guān)頻率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多路PWM發(fā)生器，同時(shí)是一個(gè)獨(dú)立的功能模塊[21]。PWM主要由比較器、存儲(chǔ)器或寄存器以及計(jì)數(shù)器3個(gè)部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 PWM控制器

1.4 人機(jī)接口

人機(jī)接口主要由兩部分構(gòu)成，分別是LED顯示器和鍵盤輸出。

LED顯示模塊通過四位七段數(shù)碼管數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)數(shù)碼管都連接著引腳，并連接到FPGA對(duì)應(yīng)的引腳上，數(shù)碼管的滅、亮通過控制公共端實(shí)現(xiàn)。基于PFCPID算法的茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)采用矩陣式鍵盤。

1.5 分頻模塊

茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)中時(shí)序系統(tǒng)的核心是時(shí)鐘。驅(qū)動(dòng)FPGA中的大部分外圍器件都需要通過低頻式中實(shí)現(xiàn)，分頻模塊的主要目的是為不同模塊提供不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)[22]。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在上述硬件框架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合預(yù)測(cè)函數(shù)控制與比例積分微分控制算法在控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉炭焙機(jī)溫度的控制。

由模型函數(shù)輸出和模型自由輸出構(gòu)成茶葉炭焙機(jī)溫度控制預(yù)測(cè)模型。模型預(yù)測(cè)算法的控制基礎(chǔ)和構(gòu)成基礎(chǔ)是預(yù)測(cè)模型，主要通過對(duì)象過去的狀態(tài)和系統(tǒng)的輸入狀態(tài)對(duì)未來時(shí)刻系統(tǒng)的過程輸出值進(jìn)行預(yù)測(cè)[23]，預(yù)測(cè)模型的表達(dá)式為：

ym(k)=yu(k)+yh(k) （1）式中：ym(k)代表的是模型在k時(shí)刻的預(yù)測(cè)輸出；yu(k)代表的是模型在控制量作用下的輸出；yh(k)代表的是控制作用輸出。

為平穩(wěn)地控制茶葉炭焙機(jī)溫度，需要在控制過程中根據(jù)系統(tǒng)期望輸出值和實(shí)際輸出值設(shè)計(jì)一條參考軌跡，盡可能地縮短實(shí)際值與設(shè)定值之間的誤差，減少系統(tǒng)輸出值與跟蹤設(shè)定值之間的差異[24]。逐漸穩(wěn)定的茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)的參考軌跡通常情況下選取一階指數(shù)。

式中：yf(k+t)代表的是k+t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的參考軌跡值；c(k)代表的是k時(shí)的設(shè)定值；Nc代表的是多項(xiàng)式展開個(gè)數(shù)；bj(k)為多項(xiàng)式的系數(shù)；t為時(shí)間；βt代表的是系統(tǒng)趨近設(shè)定值對(duì)應(yīng)的衰減系數(shù)；yp(k)代表的是k時(shí)刻對(duì)應(yīng)的過程實(shí)際輸出值。

這實(shí)在是有道理的。想想我們自己的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)吧，當(dāng)我們對(duì)一件事情充滿熱情的時(shí)候，學(xué)習(xí)效率有多高？相比較而言，當(dāng)只是被要求去學(xué)一件事物的時(shí)候，學(xué)習(xí)效果是不是差多了？

系統(tǒng)輸出值在預(yù)測(cè)過程中與設(shè)定值之間會(huì)存在偏差，以前饋的形式引入?yún)⒖架壽E，通過預(yù)估器估計(jì)誤差，校正模型輸入，提高預(yù)估過程輸入的精準(zhǔn)度：

式中：e(k+1)代表的是系統(tǒng)在k+1時(shí)刻的輸出誤差；βj(k)代表的是多項(xiàng)式擬合系數(shù)。

輸入頻譜有限時(shí)，根據(jù)PFC原理可知，控制輸入為與系統(tǒng)對(duì)象和設(shè)定值軌跡有關(guān)的特定函數(shù)族。因此需要結(jié)構(gòu)化和規(guī)范化處理控制輸入，可用相關(guān)基函數(shù)fj的線性組合描述任意時(shí)刻的控制輸入：

式中：u(k+t)代表的是k+t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的控制量；fj(t)代表的是在t時(shí)刻第j個(gè)基函數(shù)的值；μj代表的是基函數(shù)的線性組合系數(shù)。

茶葉炭焙機(jī)溫度控制對(duì)象的模型可以選用一階慣性延時(shí)環(huán)節(jié)，通過式（5）描述供熱流量與被控溫度之間存在的動(dòng)態(tài)特性函數(shù)[25]。

式中：Km代表的是預(yù)測(cè)增益；Tm為時(shí)間常數(shù)；Td為滯后時(shí)間。

零階保持器模型對(duì)應(yīng)的離散差分方程如下：

預(yù)測(cè)函數(shù)經(jīng)過算法優(yōu)化后的預(yù)測(cè)輸出可通過式（7）進(jìn)行描述。

k時(shí)刻茶葉炭焙機(jī)溫度PFC-PID控制器的輸出如式（8）所示。

通過上式獲得相應(yīng)的控制量，在茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)茶葉炭焙機(jī)溫度的控制。

3 試驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證基于PFC-PID算法的茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)的整體有效性，設(shè)計(jì)測(cè)試試驗(yàn)。

測(cè)試在MyEclipse8.6軟件中進(jìn)行。對(duì)溫度進(jìn)行控制的基礎(chǔ)是預(yù)測(cè)溫度，溫度預(yù)測(cè)的結(jié)果決定了溫度跟蹤的精度，分別采用此次設(shè)計(jì)的基于PFC-PID算法的茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)（系統(tǒng)1）、傳統(tǒng)的基于PID算法的溫度控制系統(tǒng)（系統(tǒng)2）和傳統(tǒng)的基于ARM的溫度控制系統(tǒng)（系統(tǒng)3）進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比不同系統(tǒng)的溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和溫度跟蹤精度，測(cè)試結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4 溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率測(cè)試結(jié)果

圖5 溫度跟蹤精準(zhǔn)度測(cè)試結(jié)果

分析圖4和圖5中的數(shù)據(jù)，對(duì)比系統(tǒng)1、系統(tǒng)2和系統(tǒng)3的測(cè)試結(jié)果可知：在多次迭代中，系統(tǒng)1都可準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出系統(tǒng)在下一時(shí)刻的輸出，獲得的溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確較高，溫度跟蹤結(jié)果受溫度預(yù)測(cè)結(jié)果的直接影響，系統(tǒng)1獲得的溫度跟蹤精準(zhǔn)度也較高。這是因?yàn)橄到y(tǒng)1結(jié)合預(yù)測(cè)函數(shù)控制與比例積分微分控制算法，通過基于PFC-PID的溫度控制器對(duì)茶葉炭焙機(jī)的溫度進(jìn)行控制，在控制的過程中可準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)并跟蹤溫度值。

在此基礎(chǔ)上，將溫度追蹤數(shù)據(jù)的丟包率作為測(cè)試指標(biāo)，對(duì)不同系統(tǒng)的性能展開進(jìn)一步驗(yàn)證。丟包率越高表明控制過程中的穩(wěn)定性越差，系統(tǒng)的控制效果越差。系統(tǒng)1、系統(tǒng)2和系統(tǒng)3的丟包率如圖6所示。

由圖6可知：系統(tǒng)1在控制茶葉炭焙機(jī)溫度的過程中系統(tǒng)的丟包率顯著低于系統(tǒng)2和系統(tǒng)3控制茶葉炭焙機(jī)溫度過程中系統(tǒng)的丟包率。這是因?yàn)橄到y(tǒng)1采用PFC-PID算法對(duì)茶葉炭焙機(jī)溫度進(jìn)行控制時(shí)，為提高控制的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)一條參考軌跡，減少系統(tǒng)輸出值與跟蹤設(shè)定值之間的差異，進(jìn)而降低系統(tǒng)的丟包率，提高系統(tǒng)的控制效果。

圖6 丟包率測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語

茶葉炭焙機(jī)的溫度控制情況直接影響茶葉的經(jīng)濟(jì)效益和質(zhì)量，因此需要嚴(yán)格控制茶葉炭焙機(jī)的溫度，但目前的茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)存在溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率低、溫度跟蹤精度低和控制效果差的問題，為此，提出基于PFC-PID算法的茶葉炭焙機(jī)溫度控制系統(tǒng)，在硬件框架的基礎(chǔ)上通過PFC-PID算法實(shí)現(xiàn)茶葉炭焙機(jī)溫度的控制，解決傳統(tǒng)系統(tǒng)中存在問題，為茶葉炭焙機(jī)的運(yùn)行提供保障。