基于模糊PID的煙葉烤房網絡控制系統設計

（開封大學 電子電氣工程學院，開封 475004）

0 引言

隨著現代煙草烘烤技術的推廣以及密集烤房建設的穩步推進，煙葉烘烤正向著工廠化和集約化發展，烤房控制技術也明顯提高[1]。但是，存在著以下問題亟待解決：首先，烤房及其設備型號或品牌之間互換性差，適應性差，控制精度低，維護成本高；再者，眾多品牌的烤房控制儀之間沒有統一明確的通訊協議，無法實現通過集中控制和網絡控制，嚴重減緩了先進、成熟烘烤技術的推廣應用，制約了烘烤質量的提高[2]。

本文介紹的烤房群集散控制系統由烤房控制終端、監控中心及通訊通道三部分構成。烤房控制終端是以高性能單片機為核心的烤房溫度控制儀，獨立完成對烘烤過程的智能化監控，監控中心由一臺安裝了軟件sksyscontrol的計算機構成。

1 烤房溫度控制儀設計

1.1 烤房溫度控制儀構成

如圖1所示，該控制儀以單片機PIC18F46K80-I/PT為核心，干濕球溫度傳感器檢測烤房內的溫度，按照設定的溫濕度曲線或者系統內部存儲的專家曲線來控制風門的開度、風機的起停以及轉速等來調節室內的溫度和濕度。如果出現傳感器故障、干濕球偏溫、風機過載、電源缺相、水壺缺水等異常情況，系統可通過語音芯片進行報警。數據存儲器采用24C256，用于設定曲線參數和保存運行參數，以MAX485作為通訊接口電路，用于與上位機通訊。另外，從節能方面考慮，各執行電機采用調速電路。

圖1 控制儀方框圖

1.2 部分硬件電路設計

1.2.1 溫度采集電路

溫度采集電路選用四個傳感器DS18B20，將檢測到的烤房上下棚溫度傳送給單片機, 通過比較實際溫度與設定溫度，由模糊PID運算得到相應輸出量，通過控制循環風機和鼓風機轉速，調節風門開度，實現干球溫度控制；控制排濕風機補風門的開度來控制濕球溫度。

1.2.2 補風門電路

圖2 溫度采集電路

補風門是控制濕球溫度的重要部件，其動作頻繁（平均每烤的動作次數約在8000次），使用繼電器控制時往往由于繼電器的機械壽命（10萬次）而影響使用壽命；補風門的電源是直流12V，使用H橋驅動電路，徹底解決了繼電器機械壽命不夠的問題；同時增加了超瞬變管TVS和電感，避免風門感應雷擊而破壞主板，實現對CPU的接口保護。

圖3 補風門電路

1.2.3 通訊電路

通訊電路的作用是實現控制儀與監控中心的雙向通訊。以MAX485作為通訊接口電路，組成RS-485總線通訊網絡，通訊協議服從MODBUS規約。

2 控制算法

為了使烤房內的溫、濕度按照煙葉烘烤最佳生化曲線變化，提高控制精度和煙葉烘烤質量，在煙葉三段式烘烤工藝中需要按照煙葉烤制最佳溫度控制曲線來控制執行機構[3～6]。然而，烤房系統實際上是一個復雜的控制對象，它與煙葉含水量、烤房材質、風機轉速、排濕風門開度等多種因素有關。因此煙葉烘烤溫度控制系統的傳遞函數是多參數、動態的，具有大慣性、純滯后、多變量等特性，難以得到精確不變的數學模型[7,8]。

模糊控制雖然精度不高，但不需要被控對象精確的數學模型，魯棒性和適應性較好，所以可以將模糊控制和傳統PID控制相結合形成模糊PID控制器。將系統設定溫度r(t)和實際溫度y(t)之間的誤差E和誤差變化EC作為輸入，利用模糊規則進行推理，查詢控制表修正PID參數。即將輸入E、EC和輸出kp、ki、kd劃分為負大(NB)，負中(NM)，負小(NS)，0 (ZE)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)，參考烤煙專家的實際操作經驗，建立出合適的模糊控制規則表[9,10]，如表1所示。

按照以上模糊控制表，采用模糊控制技術和升溫斜率控制技術，制定了適應多種風機和風門的控制規則。

主程序設計主要包含：系統初始化、中斷、鍵盤、

數據采樣、模糊PID參數整定和控制量輸出幾部分，模糊PID算法流程圖如圖5所示。

圖4 通訊電路

表1 △Kp、△Ki、△Kd模糊控制規則表

圖5 模糊PID算法流程圖

3 烤房群集散控制方案設計

基于Java語言開發了SKsysControl軟件。煙葉烤房集群控制系統網絡采用RS485總線，通過MODBUS協議實現通過MODBUS協議實現全部烤房控制儀網絡連接通訊，PC端安裝SKsysControl軟件后就可以完成對烤房群中烤房參數和狀態的監控，顯示或打印烘烤數據或曲線。同時可以遠程查詢、修改烤房的各種參數，記錄各烤房的運行數據、烘烤過程數據、故障信息數據等，形成數據庫以備查詢分析，實現煙葉烤房群的分散控制和集中管理。

集散控制系統主頁面如圖6所示，監控的烤房數量可以設置（最多128座）。每頁可以實時顯示多座烤房的實測干球溫度、濕球溫度，設置干球溫度、濕球溫度和烤房編號等。發生報警及通訊故障時，主控界面以改變顏色或閃爍形式及時提醒。

圖6 集散控制系統主頁面

雙擊主頁面中任意設備，進入終端設備設置界面，可進行參數設置。

圖7 終端設備設置界面

4 結論

圖8 樣機實物圖

該控制儀的實物如圖8所示，該控制儀的輸出控制接口不但適用于普通密集烤房、移動式空氣源熱泵烤房和空氣源熱泵密集烤房，同時循環風機分為單速度、雙速度和變頻調速的多種控制方式，適應多種循環風機控制。預存有多套烤煙工藝曲線參數，方便用戶選擇,也可通過人機界面進行參數修改。

在福建省南平市煙草公司轄區煙葉烤房現場安裝了30臺控制儀，運行試驗數據表明其控制技術要求能很好滿足烤煙需要。模糊PID算法實現參數的在線整定，提高了煙葉烘烤的控制精度，系統具有很強的魯棒性和穩定性。集中控制軟件SKsysControl，實現了烤房基于RS485總線結構MODBUS協議規約的集中控制，專家能夠隨時監控、修改烤房的烘烤參數，實現本地區烤房群乃至全國的烤房群專家共享，初步實現了“智慧烤煙”的構想，具有廣闊的應用前景。