基于模糊PID的麥冬干燥箱溫度控制系統設計

0 引言

麥冬Ophiopogon japonicas(L.f.)Ker-Gawl.為百合科(LiLiliaceae)植物麥冬的干燥塊根

。麥冬性微寒、味甘、微苦、熱經，能養陰生津、潤肺清心，用于治療肺燥干咳、津傷口渴、心煩失眠、腸燥便秘等

，是一種名貴中藥材，深受廣大消費者喜愛。但由于麥冬具有明顯的季節性和地域性，收獲季節為春雨季。剛出土的麥冬很難儲存，鮮麥冬的表皮極易破損黏連，腐爛霉變。藥材產地干燥加工是中藥材生產和品質形成的重要環節

,傳統的自然晾曬方式干燥時間長，容易被蚊蠅污染，易發生霉變，無法保證產品品質，很難適應現代化生產發展的需求。隨著中藥市場的逐步擴大，藥材的干燥加工日趨高效，多種干燥設備應用到藥材產地干燥過程中。在麥冬人工干燥過程中，溫度控制是保證麥冬干燥工藝及控制麥冬品質的關鍵指標。

先行者一號作為首款中國移動5G試驗產品，還將點亮更廣泛的5G行業應用場景，如車聯網、無人駕駛、工業制造、遠程醫療等，在社會經濟生產各領域提供超高帶寬、超低時延的智慧連接服務，滿足海量設備實時控制需求，助力智慧中國。

紅外干燥是一種簡便經濟、不受天氣影響的干燥方法。林冰等

人采用陰干、恒溫干燥(40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃)和程序變溫干燥[40 ℃(3 h)→50 ℃(2 h)→60 ℃(2 h)→70 ℃(2 h)→80 ℃(2 h)→60 ℃(2 h)→40 ℃(2 h)]3種方式分別對麥冬進行干燥處理，結果表明，利用程序變溫干燥得到的麥冬有效成分最多。

麥冬紅外干燥箱中控制系統采用多段式溫度控制，最常見的溫度控制方法就是常規PID控制，該方法雖然控制結構簡單、操作方便且便于實現，但紅外干燥箱內部溫度分布不均勻，是一個非線性、時變、大滯后與多變量耦合的復雜系統，采用參數固定的常規PID溫控系統。很難建立精確的數學模型，所以參數整定比較困難。或者即使整定出一組相對比較理想的參數，但當控制對象發生較小改變時，都很難保證其控制的穩定性。

模糊控制是目前成熟的智能控制方法，其采用模糊邏輯把人的控制經驗歸納為定性描述的一組條件語言，利用模糊集理論，將其定量化，使控制器模仿人的操作策略。模糊控制具有很強的魯棒性和穩定性，大量理論研究和實踐證明，模糊控制理論是溫度控制系統中一種常用的方法策略。

1 干燥箱溫度控制系統

1.1 硬件組成

式(1)中，

(

)為PID控制器輸出；

(

)為給定值與被控對象輸出的偏差，作為輸入送往PID控制器；

為控制器的比例系數；

為控制器的積分時間常數；

為控制器的微分時間常數。

1.2 PID控制原理

PID控制系統由PID控制器和被控對象組成，初始時刻系統給定輸入

(

),得到一個系統輸出

(

),然后經過反饋后得到偏差

(

),經過比例、積分和微分等環節的處理，再進行線性相加得到控制量，實現對被控對象的控制。其控制規律為

PID控制器具有結構簡單、可靠性高和適用范圍廣等優點，已成為目前工業控制系統中應用最常見的控制器，常規PID控制器原理框圖如圖2所示。

(1)

本文中設計的模糊PID控制系統硬件部分主要由工業計算機、功率調整器及干燥箱等組合而成，其硬件組成框圖如圖1所示。

在PID控制系統中，主要從響應速度、穩定性、超調量及穩態誤差幾方面來評價系統控制性能的優劣，在PID控制器中各校正環節的作用如下。

比例環節：成比例地反應控制系統的偏差信號

(

),偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減小偏差。比例越大系統反應越快。

積分環節：主要用于消除靜差，提高系統的無差度(即誤差減少)。積分作用的強弱取決于積分時間常數

,

越小，積分作用越強，反之則越弱。但積分時間太小容易引起系統振蕩。

微分環節：反應偏差信號的變化趨勢(即變化速率)，能在偏差信號變得太大之前，引入有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。微分時間越大，作用越強(即產生一定的抑制作用)。

對于現代工業控制系統中，要求具有更快速、更精確、更穩定的控制過程，常規的PID表現出一定的局限性，主要體現在：

鼓勵學生積極將實訓課題與院系的創新科研相結合，利用現有條件在完成實訓作業的同時參加各項物聯網工程的相關專業比賽，如各級機器人大賽，藍橋杯、ACM等程序設計比賽。培養學生的創新思維、動手實踐能力與團隊協作能力。

1)需要已知系統精確的數學模型，即被控對象是固定的，不變化的。常規PID控制系統沒有自適應能力，在面對時變、不確定的系統時難以達到理想的控制效果；

2)PID控制器整定好的控制參數只適用于非線性對象的某一階段，對其他階段的控制對象難以取得理想效果。

為方便軟件使用，提供了功能塊與結構體，在使用溫度控制庫的過程中，至少存在一個實體，至少創建一個FB_TempController功能塊和一個ST_ControlParameter結構體，并定義功能塊相關外部鏈接，FB_TempController功能塊如圖5所示。

1.3 模糊PID控制器設計

模糊PID控制的本質是在常規PID的基礎上，利用模糊邏輯并根據一定的模糊規則對PID的參數進行實時優化，以克服傳統PID控制器無法實時調整PID參數的不足，模糊PID控制器如圖3所示。

嚴躍進認為，嚴格來說，房產稅按套內面積征收引發民怨較小。從更長遠的觀點看，未來要建設開放式街區小區環境，公共通道部分該如何征稅，會否增加公攤面積，如何緩解社會矛盾，都值得深思。

交叉切割后的試驗區用膠粘帶粘過后，對漆膜脫落面積進行計算，計算出的數值作為評定結果的參考數據。試驗結果的分級標準見表1。[1]

在現代工業控制系統中，由于系統模型參數變化或者是模型結構的變化，造成名目繁多的不確定性，使得PID控制器原整定參數無法保證系統繼續良好地運行，這就要求PID控制器隨著系統模型的變化具有在線修正參數的功能。

老板娘一邊說，一邊朝門外瞅，見沒有人經過，她才放低聲音神神秘秘地說：“聽說那天載去的一車人，有的人穿著制服，有的穿的便衣，他們每個人身上都帶著家伙，聽說有的手里拿著警棍。有的人腰上還別著槍哩。 很多人見勢不對，就趕緊走了，只有周二這個人一根筋，他一個人還在那兒理直氣壯地較著勁，結果派出所的人就把他抓起來了。”

系統中的溫度傳感器會實時采集干燥箱內的溫度，控制系統經過計算得到當前值與設定值的偏差

及與上次偏差的變化

兩個值，通過模糊理論建立比例因子

、積分因子

、微分因子

與系統偏差

與偏差變化率

之間的關系

=

′

+

(

,

)=

′

+△

(2)

=

′

+

(

,

)=

′

+△

(3)

=

′

+

(

,

)=

′

+△

(4)

其實現的具體過程是：當系統出現偏差時，將偏差與偏差變化率轉化為模糊變量，通過建立的模糊規則選擇合適的輸出，經解模糊后，送往PID控制器，此時PID控制器的三個參數得到修正，系統對修正后的比例、積分、微分進行控制，直到無偏差。

1.4 參數自整定

自整定算法是基于傳統的曲線切線法。該方法最初由Ziegler和Nichols創立。其假設被測對象是一個具有延時特性的線性P-TI回路，最大變化率由階躍響應實驗值確定。

2 控制系統實現

這種情況下，西王方面緊急行動，首先是用摒棄前嫌請來了落跑外援勞森，然后用“小詹姆斯”桑普森臨時替換莫泰；針對本土球員戰斗力不強的弱點，吳慶龍請來了自己的老搭檔、遼寧老鄉接君……

江蘇鎮江是中原逃難官員、百姓的聚散之地，那里遷入了不少從中原南下的士庶，今日猶有案可稽。如高桂為丹徒人，曾任高郵知州，祖籍為開封，建炎南渡時，他隨逃難人群渡江，寓居京口(鎮江)；丹陽(今鎮江)先世居河南洛陽，尹焞隨宋室南渡，徙居浙江紹興，是為尹氏南遷始祖。傳四世至尹國寧，由浙東再遷鎮江府丹陽黃連莊，是為丹陽尹氏始祖。”

在工程應用中，用PLC或工控機組成硬件部分，通過構造具有自整定功能的模糊PID控制器，通過一按鍵或者簡單參數設置，就可由控制器自身來完成參數的整定，不需要人工干預。運用自整定的方法與人工整定相比，無論在時間節省方面還是控制精度上都得以大幅提高，增進了經濟效益。

模糊控制包括模糊化、確定模糊規則、解模糊等組成部分，如圖4所示。

本文介紹Beckhoff公司針對PC開發的軟件開發平臺TwinCAT3,內部集成溫度控制器包含自整定算法功能塊(FB_selftuner)、控制算法功能塊(FB_ControlAlgorithm)、設定值發生器功能塊(FB_SetpointConditioner)、控制值發生器功能塊(FB_ControlValueConditioner)、報警功能塊(FB_Alarming)，用戶不需要專門的編程工具就能實現溫度模糊控制單元編程、知識庫建立等。

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2.1 軟件功能塊

然而，在紅外干燥箱的被控對象具有大慣性、大時滯、時變等特點的非線性系統。因此，需要引進更加智能和先進的控制來彌補常規PID的缺陷，提高控制系統的性能。

從FB_TempController功能塊可以看出，該功能塊支持1路輸入、2路輸出(1路模擬量、1路PWM輸出)的模糊運算，參數設置主要由sControlParameter數據引腳完成。在程序中采用ST文本編程調用FB_TempController功能塊如圖6所示。

營地處于郊外，環境非常好，令人驚喜的是，還經常會有蜘蛛、兔子和狐貍來拜訪我們。入營當晚，我們就認識了許多外國朋友，有西班牙的，也有波蘭的，還有德國、法國、意大利、俄羅斯的……因為我們是為數不多的中國人，他們對我們都很好奇，圍著我們談論了許多話題。與他們交往的過程中，我們不光提升了自己的英語能力，也了解了不少各國人文風情，更收獲了一份友誼。這就是我游學最重要的目的：在這里，我有了很多和外國人交流的機會，也讓自己的英語得到了很好的鍛煉。

由fbTempController.fYAnalog獲得的經運算后的輸出控制量，經EL4024模擬量輸出模塊輸出，作為功率調整期的輸入信號，實現對溫度的加熱。

2.2 控制器參數結構體

控制器參數結構體(ST_ControllerParameter)中設置加熱模式、升溫速率、最高溫度等相關參數。

2.3 升溫方式

本系統中，根據麥冬干燥過程的工藝參數需求，在不同階段選擇不同的升溫速率進行加熱，系統設置了8段式加溫，即先加熱到一個溫度并保溫一段時間，然后再加熱到第二個溫度。或者無需保溫，直接加熱到第二個溫度，如此往下設置參數。其運行界面及參數設置界面分別如圖7、圖8所示。

此功能可通過將ST_ControllerParameter結構體中的bEnableSoftStart置為true實現，恒溫時間通過tStartUp進行設置。如需控制溫度上升速度，可將bEnableRamping與bStartUpRamping也置為true,并通過fWStartUpVeloPos、fWStartUpVeloNeg、fWVeloPos、fWVeloNeg設置斜率。需要注意的是，無論上升還是下降，斜率的參數都為正數。

2.4 輸出模式

溫度控制功能塊提供兩種形式的輸出，模擬量和PWM輸出。在本文中，選擇模擬量輸出，對EL4024輸出模塊，其接受的控制值范圍為0～32 767。

2.5 PID參數整定

在第一次調試使用時，由于PID控制器參數為空，此時需將PID控制器模式切換為eCTRL_MODE_Tune，等待約20 s,在此期間需維持傳感器溫度波動不超過±1 ℃，然后程序將以fYTuneHeating值進行加熱，直到達到設定溫度的80%后加熱停止。程序根據溫升曲線自動計算出PID控制器的參數。為了保證參數計算的準確性，必須保證升溫在40 ℃以上。

3 試驗與結果分析

加熱箱上電后，設置升溫速率參數(本文以12 ℃·min

)加熱，啟動運行程序，模糊PID控制升溫曲線如圖9所示。

由圖9可以看到，模糊PID控制調節擾動小，穩定性高。還可以根據麥冬烘干工藝要求，設置不同的升溫速率，如圖10為8段不同升溫速率下的升溫曲線圖。

4 結論

通過對加熱箱模糊PID控制器的設計，保證了加熱箱在正常工況條件下和不同加熱模型的情況下，通過自整定參數，都能穩定的使加熱箱內的溫度保持在一定偏差范圍內，實現麥冬干燥過程中不同升溫速率的要求。

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