基于組態技術的干燥實驗系統的設計①

李棚波

摘 ? 要：在化工、農產品加工和眾多工業生產中其關鍵生產工藝之一是干燥處理，干燥過程對生產效率和能效有著較大影響，也對產品質量好壞有影響，關乎生產質量和經濟效益。本文將組態技術在干燥實驗系統設計應用為例，詳細闡述系統構成、軟硬件設計等內容，以期實現干燥實驗系統的智能化、自動化監控運行。

關鍵詞：組態技術 ?干燥 ?設計

中圖分類號：S126 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（a）-0087-02

1 ?總體系統設計方案

干燥實驗裝置采用廢氣排放式配置，即空氣由風機送入電加熱器預熱，然后進入干燥室，最后由排氣口排出空氣。由空氣進口閥門控制空氣流量，同時風管上配有孔板流量計、壓力傳感器和空氣進口溫度計，分別用來測定進口空氣的流量、壓強和溫度。計算機系統控制電加熱器中的電阻絲的通斷來控制其加熱狀態，確保進入干燥室內空氣的溫度保持恒定，控制溫度計、干球溫度計測量來控制空氣溫度，濕球溫度由濕球溫度計測量。干燥室內的物料重量由稱重傳感器輸入計算機系統，其干燥時間和干燥失去水分重量過程可從干燥特性曲線上顯示。其控制流程圖為1所示。

2 ?系統硬件設計

本系統硬件主要包括計算機、輸入輸出通道、外部設備和檢測與執行機構四大部分。其中實驗系統以PC機為核心，通過PCI接口對被控對象的被控參數進行實時檢測及處理，并將系統控制命令下達至執行單元完成對系統的實時監控和數據采集，也可對系統各參數實現存檔和歷史曲線顯示及報表打印功能。輸入輸出通道即為PCI接口，其中A/D接口為過程輸入通道，是將被控對象的模擬參數轉換成數字代碼;I/O接口為過程輸出通道，是將系統輸出的各類控制命令或參數數據，轉換為對被控對象的控制信號。檢測與執行機構即為A/D接口和I/O接口所對應各類系統參數采集電氣元件以及系統控制執行設備，例如：熱電偶可采集溫度信號，壓力傳感器可采集壓力信號，加熱棒能根據系統要求加熱空氣等等。外部設備即為PC機配套設備，多為打印機、鍵盤等。

3 ?控制算法

因大慣性、純滯后等是溫度控制缺點，為此本系統采用PID控制和模糊控制相結合控制算法。即是根據參考溫度值和采樣得到的實時溫度值，計算判斷偏差│e│值大小，當偏差│e│值較大時，溫度控制采用Fuzzy控制，當偏差│e│值較小時，溫度控制采用PID控制，兩者控制轉換均有組態軟件內部程序實現，這樣的控制算法既能減小溫度偏差，又能確保溫度控制平穩性，實現溫度控制自動化。

3.1 Fuzzy控制器設計

Fuzzy控制器結構圖如圖2所示。其中：k1為偏差e的量化因子，k2為偏差變化率e的量化因子，k3為控制量u的比例因子。首先確定各輸入、輸出量的變化范圍及其對應語言變量的論域元素和量化因子k1、k2、k3?；菊撚蚴怯蓪嶋H生產工藝要求決定的，要根據實際情況而定，在本設計中只大略定出。

3.2 PID控制器的設計

系統采用了增量式PID控制算法，其離散形式為：

式中：KI、KD分別為積分、微分系數，且

其中：T為采樣周期;u（k）、e（k）分別為第k次采樣時刻的控制信號和偏差信號;

e（k-1）為第（k-1）時刻的偏差信號。

根據實際測量，被控對象近似為帶純滯后的一階慣性環節。其傳遞函數為

式中：系統的滯后時間u約為20s，時間常數TP約為50s，選擇K為1.5。再根據階躍響應曲線整定參數法求得：

總之，采用Fuzzy-PID控制算法具有以下優點：大大減小了超調量，可以很容易使系統穩定;消除了積分飽和現象;調節快，適應能力強;參數整定容易等。

4 ?結語

在深入分析干燥系統實驗裝置的硬件結構和應用軟件之后，完成了基于組態控制的干燥實驗系統的設計。對各個硬件部分都進行了認真的選型、設計，并且完成了基于MCGS的干燥速率測定系統的開發。該裝置包含的被控對象涉及面廣，實驗內容豐富。它所包含的流量、溫度、壓力等熱工參數都是工業現場常見的對象。應用軟件方面，MCGS充分體現了其操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性等突出特點。

參考文獻

[1] 張少杰.基于模糊PID的電熱爐溫度智能控制系統[J]. 科技與創新， 2018，109（13）：102-103.

[2] 王廣勇，王海港.溫控箱的模糊控制算法在溫度繼電器檢測系統中的應用研究[J].價值工程，2010（31）：146.