PID算法優化在鮮肉排酸處理中的應用

章萬靜 劉長榮 李剛

摘要：為了提高鮮肉排酸處理的自動化程度，解決系統存在的非線性、大滯后、大慣性等問題，研制了一種鮮肉排酸自動化控制系統，該系統利用反饋回路控制技術，結合PID控制并對控制算法進行優化，從而實現對排酸冷卻間中的溫度、濕度和風速等環境參數進行自動監測和精準調節。研究結果表明：PID算法優化后的控制系統動態響應快、魯棒性強、穩態精度高、超調量小、抗擾動能力強，具有良好的控制效果，能夠滿足鮮肉排酸處理的要求。

關鍵詞：PID；算法優化；鮮肉；排酸；控制系統；反饋回路

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）28-0221-03

Application of PID Algorithm Optimization in Cold Meat Acid Removal Control System

ZHANG Wan-jing， LIU Chang-rong， LI Gang

（Huaian Vocational College of Information Technology， Huaian 223003， China）

Abstract：In order to improve the degree of automation of cold meat acid treatment， solve existing problems such as nonlinear， large delay and large inertia， a cold meat acid automatic control system based on the feedback loop control and PID control technology is developed， and the PID control algorithm is optimized， thus realizing the automatic monitoring and precision controlling of the environment parameters such as the temperature， the humidity and the wind. The research result shows that the control system optimized by PID algorithm has fast dynamic response， strong robustness， high accuracy， small overshoot and strong anti-interference capacity， which has good control effect and can meet the processing requirements of cold meat acid removal.

Key words： PID； algorithm optimization； cold meat； acid removal； control system； feedback loop

排酸肉，又叫冷鮮肉，是活牲畜屠宰經自然冷卻至常溫后，將兩分胴體送入冷卻間，在一定的溫度、濕度和風速下將肉中有害的新陳代謝產物最大限度地分解揮發掉，同時改變肉的分子結構和酸堿度，增加肉的鮮味和營養，提高口感，有利于人體的吸收和消化。

排酸肉是現代肉品衛生學及營養學所提倡的一種肉品后成熟工藝，在發達國家幾乎達到了100%的市場占有率。針對目前排酸冷卻間中的手動或半自動控制的弊端，設計了一種基于PID改進算法的鮮肉排酸控制系統，它能自動檢測和精準控制冷卻間中的溫度、濕度、風速等參數，使排酸處理在最適宜的環境條件下，降低了勞動強度，提升了鮮肉品質[1]。

1 PID控制算法

1.1 PID控制原理

PID是比例（Proportion）、積分（Integration）、微分（Differential）控制，又稱PID調節，主要包括三個部分：測量、比較和執行。其控制原理就是將被控對象的期望值與實際測量值相比較，利用這個偏差來執行調節控制，糾正系統的響應，PID控制原理如圖1所示，圖中x（t）為被控對象輸入的期望值，y（t）為被控對象輸出的實際測量值[2]。

PID控制的輸入e（t）與輸出u（t）的關系為：

[ut=KPet+1TI0terdr+TDdetdt+u0] （1-1）

式中：KP為PID控制的比例放大系數；TI為PID控制的積分時間常數；TD為PID控制的微分時間常數；e（t）為PID控制的輸入信號，它等于期望值x（t）與測量值y（t）之差；u（t）為PID控制的輸出信號；u0為PID控制在偏差e（t）=0時的輸出信號。

1.2 PID參數整定

PID控制中的參數相互獨立，不同的取值對控制系統的影響不同：比例環節中KP的取值合適時，會加快系統的響應速度，提高系統的調節精度，不合適時會導致超調；積分環節中TI的取值合適時，會消除穩態誤差，不合適時會導致積分飽和現象；微分環節中TD的取值合適時，會改善系統的動態性能，不合適時會延長系統的調節時間。

因此，PID參數整定是控制系統設計的核心，它根據被控過程的特性確定PID控制的比例放大系數KP、積分時間常數TI和微分時間常數TD的大小。現采用工程整定方法中的臨界比例法進行PID控制參數的整定，步驟如下：

（1） 預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作；

（2） 僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期；

（3） 通過公式計算得到PID控制的比例放大系數KP、積分時間常數TI和微分時間常數TD。

1.3 PID算法優化

由于上述PID控制算法對系統而言，快速性、精確性和穩定性不佳，現用求和代替積分、后向偏差代替微分對算法進行優化。優化算法過程如下：

（1） 對公式（1-1）進行離散化。

令[ut≈uk]，[et≈ek]，[0terdr≈Tj=0kej]，[detdt≈ek-ek-1T]，

式中，T為采樣周期，k為采樣序號，則t[≈]kT。需要注意的是，在上述離散化過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。公式（1-1）離散化后為

[uk=KPek+TTIj=0kej+TDTek-ek-1+u0] （1-2）

（2） 將k-1帶入公式（1-2）中得到

[uk-1=KPek-1+TTIj=0k-1ej+TDTek-1-ek-2+u0]（1-3）

（3） 令[?uk=uk-uk-1]，將式（1-2）減去式 （1-3）并化簡得到

[?uk=KPek-ek-1+TTIek+TDTek-2ek-1+ek-2] （1-4）

（4） 令[q0=KP1+TTI+TDT]，[q1=-KP1+2TDT]，[q2=KPTDT]，則公式（1-4）簡化為：

[?uk=q0ek+q1ek-1+q2ek-2] （1-5）

采用以上PID算法優化，一旦利用臨界比例法確定了KP、TI、TD的值，只需要使用前3個時刻的偏差值e（k）、e（k-1）、e（k-2）由式（1-4）或式（1-5）就可以求出控制輸出信號增量△u（k），PID算法優化的流程圖如圖2所示。

2 排酸控制系統

2.1 系統總體結構

由于排酸控制中的溫度、濕度、風速是非線性、大延時并且難以建模，傳統的PID控制方法并不能達到理想的控制效果，故采用PID優化算法來提高系統的穩定性和控制的精確性。

排酸處理需要將屠宰后的畜胴體在24小時內降為0～4℃[3]，并在濕度為80%～95%，風速為0～3m/s的冷卻處理間中進行長時間的排酸，該過程依畜禽種類不同和溫度不同所經歷的時間也不同，普通環境下，從屠宰完到成熟好[4]，豬肉需要3～5小時，羊肉需要5～7小時，牛肉需要10～14小時。排酸控制系統如圖3所示，該系統主要由CPU控制器、液晶顯示、鍵盤輸入、傳感器檢測和自動執行機構等組成。

2.2 實驗與分析

為了檢測系統的工作性能，將系統安裝在鮮肉排酸處理冷卻間進行試驗，采用普通PID算法和PID改進算法時的溫度、濕度和風速控制曲線分別如圖4、圖5、圖6所示。

從圖中可以看出，排酸控制系統采用PID算法優化后的溫度、濕度、風速控制精度高、穩態性好[5]。

3 結論

根據鮮肉排酸處理的要求，提出了一種鮮肉排酸自動化控制系統的設計方案，系統結合反饋回路控制技術和PID控制技術，并對PID控制算法進行優化，從而實現對排酸冷卻間中的溫度、濕度和風速等環境參數進行自動監測和精準調節[6]。研究結果表明：PID算法優化后的控制系統動態響應快、魯棒性強[7]、穩態精度高[8]、超調量小[9]、抗擾動能力強，具有良好的控制效果，能夠滿足鮮肉排酸處理的要求[10]。

參考文獻：

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【通聯編輯：梁書】