基于模糊PID的犢牛代乳粉奶液溫度控制系統設計與試驗

賀 剛 蔡曉華 白 陽 祝 露 王德成 侯云濤

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院有限公司， 呼和浩特 010010；3.黑龍江省農業機械工程科學研究院， 哈爾濱 150081； 4.濰坊學院機械與自動化學院， 濰坊 261061)

0 引言

畜禽自動飼喂系統對于提高飼喂動物成活率，降低工作強度，提高畜牧業的經濟效益等都具有重要意義[1-3]，近些年我國學者在動物自動飼喂、個體識別、健康監測方面都取得了一系列的研究成果[4-9]。自動犢牛飼喂裝備根據犢牛生理特點，綜合運用測控技術、自動化控制技術和個體識別等技術，實現接近于奶牛乳頭喂養犢牛的自然狀態，從而保證犢牛健康，提高犢牛存活率，大幅節省勞動力，提升牧場未來經營收益[10-11]。

目前國內犢牛飼喂裝置主要分為手持式、掛桶式、推車式、管道式等類型。白陽等[12-13]設計了一種具有疾病預警、飼喂量精準計量的自動化犢牛飼喂系統，為實現犢牛的智能高效飼喂和精細化管理提供了技術參考。曲永利等[14]提出了一種犢牛飼喂手持裝置，主要由筒體、吸吮嘴、掛鉤及存儲箱等組成，將手持飼喂裝置反掛在圍欄外，但其飼喂效率較低、人工成本較高。石成成等[15]設計了一種適于犢牛飼喂的常乳恒溫裝置并完成了試驗，試驗結果顯示在設定38.5℃溫度點時，恒溫控制階段的溫度變化幅度在±0.2℃范圍內，滿足犢牛飼喂要求。屈毅等[16]提出采用徑向基神經網絡與常規PID相結合構成RBF-PID控制策略，自適應調整PID控制器的參數。文獻[17-18]針對不同日齡犢牛進行液體日糧的科學飼養、裝置設計和自動化控制的優化設計，同時記錄飼喂量和躺臥行為等數據，降低犢?；疾〉母怕?。

國外發達國家的溫度控制系統等相關研究開展較早，并已取得很大進展，相關技術已在國外市場推廣使用[19-25]，在PID溫度控制技術方面，SALVADOR等[25]利用一種基于加權靈敏度的現代方法設計PID穩態控制技術，并將分析結果應用于控制系統中。SHARQI等[26]進一步研究模糊控制算法，結合魯棒模糊預測控制Mamdani算法(FPCMA)對穩定性進行測試并驗證算法的效率和準確性，通過試驗驗證該理論方案的可行性。

本文結合犢牛飼喂現狀及現實需求，設計一種犢牛飼喂代乳粉沖調奶液溫度PID模糊控制算法，保障溫度控制系統在運行過程中始終處于優化狀態。最后通過模擬仿真試驗和樣機試驗驗證方法的有效性，以解決犢牛飼喂代乳粉沖調后奶液溫度難以控制的難題。

1 犢牛自動飼喂系統總體設計

1.1 犢牛自動飼喂裝置結構和原理

犢牛飼喂裝置硬件電路系統結構如圖1所示。硬件設計主要以松下FP0RC32T控制單元為控制核心，傳感器等模擬量用8路A/D轉換器采集，配合空開、繼電器、接觸器等外圍部件對整機進行控制，通過選用的傳感器、溫度數據采集模塊和系統設計，實時監測換熱器內部溫度變化，執行控制系統輸出的控制策略，實時傳輸數據和執行飼喂策略。

圖1 犢牛飼喂裝置控制系統結構框圖Fig.1 Structure block diagram of calf feeding control system

犢牛飼喂裝置的溫度控制系統(圖1)主要由溫度采集模塊、溫度控制數據處理模塊和恒溫控制模塊等組成。隨著犢牛飼喂裝置的運行，溫度控制系統根據人機交互界面設置溫度控制信息，生成的控制信號傳送到換熱器中，換熱器內部溫度監測元件實時采集換熱器內部代乳粉奶液溫度變化信息，并將采集到的數據及時反饋給溫度控制器，溫度控制器通過分析計算，及時調整換熱器內部加熱元器件的加熱幅度，實現溫度動態控制。其中溫度采集模塊隨著被控對象(代乳粉奶液)注入熱交換器中，PT100溫度傳感器實時測量熱交換器內被控對象(代乳粉奶液)的溫度，并將實時采集數據反饋給數據處理模塊；數據處理模塊通過模糊PID閉環控制算法，經適當調整參數后再次反饋給熱交換器進行模糊推理；恒溫控制模塊主要由PID控制器針對調整后的參數信號進行PID運算控制，并對加熱絲進行通斷，從而實現換熱器內代乳粉溶液溫度恒定。

其中犢牛飼喂裝置的料斗為上部可封閉及可拆卸式的代乳粉斗狀容器，出料口下端有奶液攪拌器(攪拌杯和攪拌器泵組成)。裝置內部換熱器主要由不銹鋼盤管熱交換器、牛奶輸送與配料用不銹鋼泵、電磁閥和流量計組成。稱量部件位于攪拌器下方，工作時位于攪拌器下方的稱量傳感器對代乳粉給入量進行測量，實現代乳粉物料定量給送。

代乳粉料斗為代乳粉儲料裝置，犢牛一天飼喂4～8次，每次0.5～2.0 L。每條線可以飼喂20～30頭犢牛(或10～15頭仔牛肉犢牛)，為降低人工頻繁投入代乳粉的作業強度，經計算代乳粉料斗為32～35 kg(奶液裝至頂面時)可滿足中小型牧場單日的需求。本文中的犢牛飼喂裝置內部裝有攪拌器及循環泵(圖2、3)，可以實現溶液中熱量的快速傳導，同時通過循環泵及循環泵中附帶的螺旋導流裝置打破流場內穩態平衡，加快流場內熱平衡速度，使傳感器反饋溫度可較準確地反映換熱器內整體溫度，保證系統溫度在可靠的上下閾值范圍內波動調節，避免溫度分層效應的產生，提高熱交換效率。

圖2 犢牛飼喂裝置結構示意圖Fig.2 Structure schematic of calf feeding device1.代乳粉料斗蓋 2.代乳粉料斗 3.攪拌器 4.熱交換器 5.清洗系統 6.控制箱 7.箱體

1.2 熱交換器結構設計

熱交換器(圖3)主要包括熱交換器外殼、法蘭、法蘭支板、加強板、換熱器堵頭、循環泵、副加熱器、加熱溫度傳感器、70℃限溫器、不銹鋼盤管、熱交換器蓋、法蘭密封圈、圓殼外墊、內墊和熱交換器支板。

圖3 熱交換器結構圖Fig.3 Architecture of heat exchanger1.熱交換器外殼 2.法蘭 3.法蘭支板 4.六角法蘭螺栓 5.加強板 6.換熱器堵頭 7.循環泵 8.副加熱器 9.加熱溫度傳感器 10.70℃限溫器 11.不銹鋼盤管 12.六角薄螺母 13.熱交換器蓋 14.法蘭密封圈 15.圓殼外墊 16.圓殼內墊

結合犢牛飼喂裝置的設計要求，該熱交換器電源設定輸入為交流220 V，加熱后夾層內的電熱絲將熱量經導熱層傳遞給位于內部的最終加熱對象(代乳粉奶液)。設計的熱交換器長度為380 mm，直徑為220 mm；其內部圓環狀加熱管采用直徑9.52 mm、壁厚0.8 mm、長10.446 m的銅管，功率為5 kW，換熱面積為0.3 m3；容量為7 L。

為保證犢牛飼喂裝置內的熱交換器在加熱過程中具有優良的加熱效率，滿足犢牛飲用奶液時溫度能夠保持正常，根據犢牛7～8周齡體重的8%～10%的常乳喂量，犢牛飼喂熱交換器需滿足

(1)

(2)

式中A——換熱面積，m2

Q——熱交換器換熱量，kW

K——傳熱系數，采用銅管取3.4 kW/(m2·℃)

Δt——代乳粉奶液的溫度變化量，℃

t1——輸入溫度，℃

t2——輸出溫度，℃

tc——換熱溫度，℃

根據GB 151—1999《管殼式換熱器》中有關換熱面積的解釋及計算方法，計算可得2根銅管的外表面積即換熱面積A=0.273 m2，熱效率可達到5 kW，根據犢牛飼喂速度和飼喂量的要求，在上述換熱面積時加熱速度能夠滿足代乳粉奶液快速加熱的設計要求。

1.3 主控制器選擇

主控制器是整個犢牛飼喂控制系統的核心，不僅要完成多源傳感數據的接收和融合，又要輸出控制策略。在系統運行過程中，由于CPU需要在短時間內處理大量多源傳感數據，并通過計算不斷調整控制策略。同時主控芯片(MCU)需要實時接收上位機的命令和傳輸數據，這就要保證主控芯片的計算速度。全面考慮各種因素，選擇了基于Cortex-M3架構的STM32F103VET6單片機。該類型單片機參數見表1。

表1 STM32F103VET6單片機參數Tab.1 Parameter of STM32F103VET6 single chip microcomputer

本文設計的主控芯片最小控制單元如圖4所示。

圖4 主控芯片最小控制單元電路Fig.4 Minimum control unit circuit of main control chip

1.4 熱交換器溫度傳感器選擇

犢牛飼喂奶液的奶溫傳感器是犢牛飼喂裝置重要部件之一，(37±1)℃是最適合犢牛采食的奶溫，如果飼喂過程中奶液溫度控制不精準，極易對尚在發育階段的犢牛造成不可逆的健康影響。對于恒溫控制裝置，本文從實際應用效果、精度適用性和經濟性考慮，選擇熱電阻式傳感器PT100用于代乳粉混合液體的溫度監測，其電阻與溫度的關系如圖5所示。

圖5 PT100電阻與溫度的關系Fig.5 Relationship between PT100 resistance value and temperature

1.5 溫度數據采集模塊選擇

犢牛飼喂裝置的溫度數據采集模塊選用AD7124-4型，該數據采集模塊是一款低功耗、低噪聲的模數轉換器(ADC)，集成了數字濾波器和可編程放大器，確保微弱信號經過內部放大轉換可直接輸入主控芯片，使其非常適合低壓和高精度測量。AD7124-4與主控芯片的通信采用SPI方式，PT100檢測到的溫度數據經由AD7124-4電路去噪放大傳輸給MCU，如圖6所示。

圖6 AD7124-4電路圖Fig.6 AD7124-4 circuit wiring diagram

1.6 采集溫度控制數據工作流程

犢牛飼喂奶液溫度采集數據的工作流程如圖7所示。當AD7124-4接收到主控器發送的AD采集指令時才會喚醒自身，并從掉電模式切換到工作模式準備AD采集，并且將轉換后的溫度數據存入緩沖區，同時通過串口上傳給上位機進行溫度控制。

圖7 數據采集流程圖Fig.7 Data acquisition flow chart

1.7 通信接口電路設計

上位機和主控制器之間采用RS-232方式交互數據。因RS-232與主控芯片(MCU)的TTL電平不適配，所以選用芯片MAX3232確保電平間的平穩轉換，如圖8所示。

圖8 PC機與主控器通信接口電路Fig.8 Communication interface circuit between PC and main controller

2 PID溫度控制和模型仿真設計

2.1 PID控制器原理

模糊PID溫度控制器由推理機構和PID控制器兩部分組成，系統工作時，以設定溫度與預期設定值偏差e及其偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入。經過模糊控制器的模糊推理后，輸出模糊量，經過清晰化處理后，分別得到PID控制器的調整值，與PID控制器的初始值相加后得到實時的控制數據，最后PID控制器運算輸出控制量，以此來動態控制被控對象(代乳粉奶液)溫度，模糊PID溫度控制器的原理圖如圖9所示。

圖9 模糊PID溫度控制器原理圖Fig.9 Schematic of fuzzy PID temperature controller

2.2 控制對象數學模型建立

犢牛代乳粉奶液的溫度控制，主要通過加熱元件和溫度傳感器進行調節，代乳粉經過沖調、攪拌后，輸送到每頭犢牛飲奶位時，溫度已經自然降低，因此，溫度控制需結合室外環境溫度的變化進行不間斷調整，使其奶液到達犢牛飲奶位時的溫度符合犢牛飲奶的溫度需求。

電加熱設備的控制模型是熱交換器加熱用電阻絲套管溫度T1與最終加熱對象溫度Tf的時間變化函數，經計算可得最終加熱對象溫度變化量的傳遞函數G(s)為

(3)

式中ΔTf(s)——最終加熱對象的溫度變化量

ΔT1(s)——熱交換器加熱用電阻絲套管溫度變化量

k——系統增益

T——系統時間常數

式(3)所得數學模型為近似模型，與實際的被控對象存在一些差別。例如，電阻絲對電阻絲套管的熱傳遞、電阻絲套管對最終加熱對象的熱傳遞和流體溫度擴散過程都會存在一定的傳輸時間，即延遲一段時間才能對下一對象產生影響。經試驗測算，延遲時間τ0為1 s，因此在微分方程中控制量用Δu(t-τ0)代替Δu(t)會更加準確，對應的傳遞函數應對應地包含一項延遲環節。則加熱系統最終的數學模型可表示為

(4)

根據模型各參數的物理意義，計算得出各參數值，代入模型得

(5)

2.3 PID控制器設計

由于設計的犢牛飼喂裝置熱交換器內部溫度傳感器在測量代乳粉奶液溫度和數據傳輸時具有滯后性，因此加熱元件可通過動態調整進行精確控制，在奶液閉環溫度控制系統中，PID控制器主要的調控方式是通過比例系數Kp、積分系數Ti和微分系數Td的調整來實現系統動態性能的實時優化。本文控制模型采用Ziegler-Nichols(Z-N)參數整定方法，因控制對象的階躍響應為一階慣性環節同時附加時滯，所以，PID控制器的參數可按表2直接推導得出。

表2 Z-N法PID參數整定Tab.2 Z-N PID parameter setting

根據表2可求得Kp=9，Ti=2.2，Td=0.5。

2.4 模糊PID控制器設計

熱交換器溫控系統的PID控制模型如圖10所示。

圖10 熱交換器溫控系統的PID控制模型Fig.10 PID control model of exchanger temperature control system

在溫度控制仿真過程中，預先設置初始試驗參數并將參數輸入圖10控制模型中，預先設置溫度為42℃，仿真時間設置為800 ms，PID參數可以通過Z-N法計算得到，其模擬仿真結果如圖11所示。

圖11 溫度閉環響應曲線(Kp=9，Ti=2.2，Td=0.5)Fig.11 Temperature closed loop response curve (Kp=9，Ti=2.2，Td=0.5)

由圖11可看出，控制曲線初始部分存在幅度較大的振蕩現象，因此通過在線整定PID參數可以相對穩定地控制曲線，其調整后的參數為Kp=3，Ti=0.1，Td=0.3。

由圖12可知，雖然振蕩次數明顯較少，但是超調量依然較大，需進一步對上述參數進行調整，將參數調整為Kp=1.5，Ti=0.1，Td=0.3時，結果如圖13所示。

圖12 溫度閉環響應曲線(Kp=3，Ti=0.1，Td=0.3)Fig.12 Temperature closed loop response curve(Kp=3，Ti=0.1，Td=0.3)

圖13 溫度閉環響應曲線(Kp=1.5，Ti=0.1，Td=0.3)Fig.13 Temperature closed loop response curve (Kp=1.5，Ti=0.1，Td=0.3)

通過上述被控對象(代乳粉奶液)溫度控制模擬仿真試驗可知，常規PID控制算法雖然能勝任大多數溫度控制功能，但動態性能變動性不夠強，算法參數需要人工進行整定，且參數的適應性較差，面對被控對象的突然改變時，需要重新整定PID參數才能使系統達到新的平衡，導致系統出現不穩定的情況。因此將模糊控制算法引入傳統的恒溫控制系統構成智能模糊控制系統，利用模糊控制規則自適應在線修改PID參數，構建模糊自整定PID控制系統，可以提高其控制效果，實現對溫度更好的控制。

2.5 模糊PID控制器設計

2.5.1模糊控制規則建立

為使模糊PID溫度控制器能夠穩定可靠地控制被控對象(代乳粉奶液)溫度，需合理設計系統工作時的模糊控制規則，根據預先定義的模糊控制規則可以將模糊控制規則進行改寫。在溫度控制系統工作初始階段，系統偏差較大，為了盡快提高系統的響應速度，需要設置數值較大的比例系數、較小的積分系數及較小的微分系數；在溫度控制系統接近設定溫度時，防止系統超調，需采用較小比例系數、較小的積分系數和較大的微分系數；在溫度控制系統產生超調時，需采用大小合適的比例系數、較大的微分系數?？刂埔巹t設計是設計模糊控制器最為重要的部分，控制規則直接影響著控制器實際工作性能。模糊控制規則主要基于實際操作人員的操作經驗歸納總結進行設計開發得到的模糊控制語句。模糊PID控制器具體改寫參數的調整值控制規則如表3～5所示，設偏差e為{Ei|i=1,2，…,m}，偏差變化率ec為{ECj|j=1，2，…,n}，系統的輸出控制量u為{Uij|i=1，2，…,m；j=1，2，…,n}。

表3 參數ΔKp的模糊控制規則Tab.3 Fuzzy control rule of parameter ΔKp

表4 參數ΔKi的模糊控制規則Tab.4 Fuzzy control rule of parameter ΔKi

表5 參數ΔKd的模糊控制規則Tab.5 Fuzzy control rule of parameter ΔKd

2.5.2模糊PID控制器參數設計

在常規PID控制器的基礎上加入模糊控制理論，模糊PID控制器以響應偏差及偏差變化率作為輸入，用模糊控制規則對PID控制器的參數Kp、Ki和Kd進行實時修改，以適應不同時刻的偏差及偏差變化率對PID參數的要求。

輸入設定參數值：最高輸出溫度42℃，最低輸出溫度40℃；輸入溫度范圍為0～18℃。因此設其偏差e的基本論域為[-42℃，42℃]，溫度偏差變化率ec的基本論域為[-18℃，18℃]。基于確定的確切量論域，選擇它們的等級量論域分別為E={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，EC={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。同時為了進行模糊推理，需將基本論域離散化轉換到模糊子集的模糊論域中，這就要通過量化因子來實現。因此，可由確定等級量的論域中的量化因子公式計算得到。計算式為

(6)

式中Ke——誤差量化因子

Kec——誤差偏差量化因子

e1、e2——偏差e的基本論域

eC1、eC2——偏差變化率eC的基本論域

設模糊控制器的輸出量ΔKp、ΔKi、ΔKd論域為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，本文選取ΔKp、ΔKi、ΔKd的基本論域為[-0.3，0.3]、[-0.06，0.06]、[-3，3]。則比例系數變化量調整因子ΔKKp、積分系數變化量調整因子ΔKKi、微分系數變化量調整因子ΔKKd的計算式為

(7)

對于溫度控制的實際工作情況，分別將偏差、偏差變化率及模糊PID控制器參數的整定調整值ΔKp(比例系數變化量)、ΔKi(積分系數變化量)、ΔKd(微分系數變化量)的模糊控制論域語言表達變量設定為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，即負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。

2.5.3控制器的隸屬函數設計

考慮到奶液溫度控制技術運用實際環境的復雜程度等特點，偏差e、偏差變化率ec及系統控制參數增量ΔKp、ΔKi、ΔKd的隸屬函數均選取計算量小、內存占用小的三角形函數，偏差e、偏差變化率ec隸屬函數的結構如圖14所示。

圖14 模糊PID控制器隸屬函數Fig.14 Membership function of fuzzy PID controller

2.5.4溫度控制參數的模糊推理及清晰化過程

根據系統設定被控對象(代乳粉奶液)的溫度控制規則進行模糊推理運算可以得到PID溫度控制參數的調整變化值，由于過程較為復雜，本文不再敘述，對于模糊推理得到的模糊控制量，是在一個模糊論域內不同語言變量取值的組合，需要將其轉換為控制器可識別的清晰值，考慮到加熱裝置溫度控制精度的要求，選用精度較高的加權平均法進行模糊控制量的清晰化，分別得到PID控制參數的3個調整值，即

(8)

(9)

(10)

其中μ(ΔK′pj)、μ(ΔK′ij)、μ(ΔK′dj)為相應的模糊子集隸屬函數的隸屬度，最終得到PID控制的3個控制參數Kp、ΔKi、ΔKd計算式為

(11)

式中Kp0、Ki0、Kd0——Kp、Ki、Kd的初始值

3 結果與分析

3.1 模糊PID溫度控制系統仿真試驗

為了驗證模糊PID溫度控制系統的有效性，利用Matlab軟件完成模糊PID控制算法的Simulink程序設計(圖15)，并使用STEP 輸入作為系統的期望值輸入，完成兩種控制方式溫度響應曲線的對比處理。同時參照DB134/T 3979—2021《奶犢牛飼養管理技術規程》要求，犢牛飼喂適宜飲用代乳粉奶液溫度為(37±1)℃(犢牛代乳粉沖調奶液入口溫度)。于2021年6月15—17日進行溫度模擬PID控制試驗，結果如圖16所示。

圖15 模糊PID控制算法的仿真程序Fig.15 Simulation program of fuzzy PID control algorithm

圖16 模糊PID控制算法的溫度閉環響應曲線Fig.16 Temperature closed loop response curve of fuzzy PID control algorithm

對比模糊PID控制器的控制曲線與常規PID控制器的控制曲線，結果如圖17所示。

圖17 兩種控制方式溫度響應曲線對比Fig.17 Comparison of temperature response curves of two control modes

由圖16、17可知，設計的模糊PID策略能較好地完成代乳粉奶液溫度控制作業環節的精確控制。模糊PID溫度控制系統對犢牛飼喂被控對象(代乳粉奶液)的溫度控制具有很好的動態調節作用。自適應模糊PID控制的響應速度更快、更平滑、調節精度也有所提高，具有更好的控制性能。試驗對比結果表明：模糊PID溫度控制系統能夠間接將代乳粉沖調奶液溫度控制在(37±1)℃的可控范圍內，同時奶液溫度波動幅度較小。因此本文設計的模糊PID溫度控制系統能夠滿足犢牛生長發育的奶液飼喂溫度標準。

針對干擾信號，當溫度偏差值大于某一設定值時，可以通過模糊推理法迅速改變系統控制量，從而提高奶液溫度控制系統的魯棒性；而系統溫度偏差小于設定值時，可以通過切換到PID 控制算法調整系統控制量，從而提高溫度控制系統的穩態精度。因此，模糊PID控制器能有效減少溫度的波動范圍，有效提高溫度的控制精度和響應速度，如攪拌時間和環境溫度變化等影響因素引起的擾動可由控制器克服，實現快速抗干擾并達到系統穩定的效果。

3.2 模糊PID溫度控制系統奶液溫度控制驗證試驗

為進一步驗證模糊PID控制的犢牛飼喂溫度控制系統的有效性，對不同的入水溫度、出水溫度和沖調后奶液溫度分別進行數據采集。設定控制器的輸入變量(入水溫度)，構建控制器并準確控制入水溫度，采集結果如表6所示。

表6 溫度采集結果Tab.6 Temperature acquisition results

熱交換器裝置在通電200 s后達到設定溫度，當試驗測量工作環境為25℃、奶液輸送管道長度為5 m和攪拌器電機轉速為1 600 r/min時，溫度控制系統在穩定狀態下，檢測犢牛飲奶位奶液溫度差最大為0.3℃，恒溫控制效果和數據反饋良好，同時熱交換器內溫度能夠長時間維持在較小的波動幅度。可知仿真驗證和實際測試數據偏差較小，進一步驗證了仿真測試的正確性以及模糊PID溫度控制的優越性。

3.3 犢牛飼喂裝置熱交換器恒溫控制樣機試驗

3.3.1溫度控制測量試驗

為了檢測犢牛飼喂裝置的工作性能，參考DB15/T 418—2005《農牧交錯區乳用犢牛飼養管理技術規范》，確定飼喂性能是否符合實際工作的要求。本研究通過對犢牛飼喂裝置的軟件系統運行、飼喂與清洗溫度的調節和儲料裝置送料機構的送料效果進行整機測定試驗。試驗于2021年3月1日—4月24日在哈爾濱市五?？h周家奶牛養殖場進行，試驗前準備代乳粉、水、秒表和犢牛飼喂裝置。圖18為犢牛飼喂裝置樣機，圖19為犢牛采食過程。

圖18 設備試調過程Fig.18 Equipment debugging process

圖19 犢牛采食過程Fig.19 Calf feeding process

3.3.2結果與分析

對犢牛精確飼喂裝置的熱交換器恒溫控制進行性能試驗。熱交換器內的代乳粉奶液恒溫控制在42℃。每5 min記錄一次溫度，結果如表7所示。溫度平均相對誤差以及變異系數如表8所示。

表7 溫度控制數據Tab.7 Temperature control data

表8 平均相對誤差和變異系數Tab.8 Mean relative and coefficient of variation

由表8可知，對于恒溫控制階段溫度的控制，系統在設定的溫度點(42℃)時，整個過程的溫度基本控制在(42±0.2)℃變化范圍內，平均相對誤差和變異系數較小，系統溫度控制穩定。

4 結論

(1)根據犢牛生理特性及飼喂代乳粉奶液溫度的需求，設計了一種模糊PID溫度控制系統，首先確定了熱交換器的結構設計、溫度傳感器選擇、溫度數據采集模塊選擇等，實現了犢牛飼喂裝置熱交換器的溫度控制及代乳粉沖調奶液溫度穩態控制的目的。

(2)通過仿真試驗對比分析、驗證試驗和樣機試驗可知，設計的模糊PID溫度控制策略能較好地實現代乳粉奶液溫度控制。模擬仿真試驗結果表明，基于模糊PID溫度控制的犢牛飲用奶液能夠將代乳粉沖調奶液溫度控制在(37±1)℃。實際測量數據進一步驗證了仿真模擬所得數據結果，證明本文設計的基于模糊PID控制算法的溫度控制系統較常規PID自整定響應速度快、穩定性好、超調量小，從而大大改善了奶液溫度控制的動態性能。

(3)在樣機試驗中，熱交換器中的代乳粉奶液溫度設置在42℃的控制點，試驗整個過程溫度基本控制在(42±0.2)℃變化范圍內，溫度穩定性符合預先設計要求。試驗過程中，溫度控制系統出現階躍擾動信號時，設計的模糊PID溫度控制系統均能迅速克服擾動，具有良好的穩態溫度控制優勢。