基于參數自調整模糊PID算法的飼料膨化機控制仿真分析

蘆螢螢

（德州職業技術學院，山東德州 253000）

飼料膨化機主要應用于食品膨化、膨化單一原料 和畜禽飼料膨化，可以預處理植物油脂等，在各種類型的飼料廠都具有廣泛的應用。飼料膨化機具有結構緊湊、便于操作和維修方便的優勢。飼料膨化機對飼料進行擠壓膨化，可以提高加工后的飼料在動物體內的消化率。飼料膨化機的膨化率對于飼料的膨化質量具有非常大的影響，而溫度是飼料膨化機的重要性能參數，溫度不能過大，否則飼料將產生降解和焦化，同時溫度也不宜過低，這樣就無法達到預計的膨化效果。因此，對膨化機進行溫度控制對于飼料的膨化效果的影響是非常關鍵的。采用傳統的PID控制算法對飼料膨化機進行控制，在實際的控制過程中，會受到許多不確定因素的影響，因此會產生較大的系統控制誤差，在動態性能不能獲得比較理想的效果，不能獲得較好的控制效果。針對以上缺陷，利用模糊參數自調整PID控制算法對飼料膨化機的溫度進行控制，可以提高控制的實時性和可靠性，具有較好的控制精度，因此，可以滿足飼料膨化機的工作要求。

1 飼料膨化機溫度控制的基本要求

膨化機的基本工作原理是利用螺桿為顆粒狀的飼料提供推力，向前擠壓飼料，使飼料進行充分地混合和攪拌，在飼料混合的過程中，溫度和壓力不斷升高，飼料從模孔被擠出的瞬間，飼料的溫度突然降低，飼料的體積將增大幾十倍。飼料膨化機在飼料加工的過程中，輸入參數和輸出參數具有非常復雜的變化，呈現非線性的特點。飼料膨化機料筒溫度是整機工作效率的重要影響參數，因此必須進行有效的控制，從而能夠提高飼料產品的質量。

溫度產生的主要原因為外加熱器的加熱、飼料和螺桿與膨化機筒的摩擦。溫度的改變有很多影響因素，比如，螺桿的扭矩、飼料的變化、膨化機筒內飼料所承受的壓力、飼料含水量、摩擦系數。以上這些因素產生變化時，都會導致溫度的上升或者下降。其中飼料的含水量發生改變時，飼料和螺桿與膨化機筒之間將產生較大的摩擦熱，從而導致熱量損失的增加或降低。溫度的有效控制不僅關系到飼料膨化機的可靠性、生產效率以及使用壽命，而且影響著飼料品質的提升，因此，對飼料膨化機的溫度控制提出了較高的要求。

2 飼料膨化機溫度模糊參數自調整PID控制的基本思想

PID控制器屬于線性控制器，控制偏差可以表示為如下的形式：

式中：R（t）表示控制系統的溫度給定值，Y（t）表示控制系統的溫度實際輸出值。

PID控制算法的數學模型如下所示：

式中：s表示序列，s=0，1，2，…；x（s）表示控制系統的輸出值；EC（s）表示輸出偏差的改變量，EC（s）=E（s）-E(s-1)]；E(s)表示控制系統輸入的偏差大小；Kp表示PID控制系統的比例因子；K1表示控制系統的積分因子；KD表示控制系統的微分因子。

將模糊理論和傳統PID控制相結合可以獲得模糊參數自調整PID控制器，比例因子Kp、積分因子K1和微分因子KD可以表示為偏差｜E｜和偏差變化量｜EC｜的函數，函數的形式如下所示：

飼料膨化機溫度控制的模糊參數自調整PID控制基本原理如圖1所示。

根據飼料膨化機的實際，建立其溫度控制系統的傳遞函數，可以表示為如下的形式：

3 飼料膨化機溫度模糊參數自調整PID控制器的輸入和輸出

設飼料膨化機溫度控制的模糊參數自調整PID的參數自調整，結合偏差｜E｜和偏差變化量｜EC｜和模糊理論，提出比例積分ΔKP、ΔKI和ΔKD的模糊控制規則，模糊論域取為[-5，5]，可以劃分為7個等級，分別表示為 {PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}，PB 表示正大，PM表示正中，PS表示正小，ZO表示零，NS負小，NM表示負中，NB表示負大。模糊控制表分別見表1、表2和表3。

根據飼料膨化機溫度控制系統的實際，設計出如下形式的控制規則：

通過對上述模糊控制規則進行整理可以獲得模糊控制邏輯運算表。

表1 ΔKP模糊控制規則

表2 ΔKI模糊控制規則

表3 ΔKD模糊控制規則

模糊參數自調整PID控制器利用加權平均值的方法獲得輸出量的值，主要操作方法如下：

①求解出模糊推理結果中所有元素的重心元素；

②經過模糊化重心元素后可以獲得相應的精確值，可以利用如下的公式進行計算：

其中，U*表示精確解；λ（i）表示 ΔKP、ΔKI以及 ΔKD的隸屬度函數，n表示輸出元素的數量。

對精確量進行整定可以獲得整定值ΔKP、ΔKI、ΔKD，模糊參數自調整PID控制器的輸入參數利用如下的方程進行計算：

式中，KP0、KI0、KD0分別表示比例因子KP、積分因子KI和微分因子KD的初始值。

4 飼料膨化機溫度控制的仿真實驗研究

利用模糊PID控制器對飼料膨化機進行溫度控制仿真分析，模糊參數自調整PID控制器的初始參數分別為：ΔKP=35、ΔKI=0.50、ΔKD=0.002。為了能夠驗證模糊自PID控制系統的有效性，同時也利用傳統PID控制器對相同的飼料膨化機進行了控制仿真，所選取的參數取值如下：ΔKP=5、ΔKI=0.06、ΔKD=6.5。仿真結果如圖2所示。

從圖2可以看出，利用傳統PID控制器進行飼料膨化機溫度控制的仿真結果具有大的超調量，溫度控制進行穩定的時間比較長，不具備較好的控制可靠性；而利用模糊參數自調整PID控制器對膨化機進行溫度控制仿真，超調量明顯減少，而且溫度控制系統很快地進入了穩定狀態，因此，模糊參數自調整PID控制器具有較好的可靠性，控制精度得到了較大的改善。

5 小結

模糊參數自調整PID控制技術具有魯棒性強、調節速度快、易于實現、控制穩定性好的優勢，利用模糊參數自調整PID控制器對飼料膨化進行溫度控制能夠有效地提高膨化機溫度控制的精度，從而提高飼料加工的質量。經過實驗研究表明，模糊參數自調整PID控制器相對于傳統PID控制技術具有較強的魯棒性，超調量降低，系統響應的速度加快，進而驗證了該控制方法的有效性。

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