一種陶瓷坯體烘干控制系統設計

常燕臣，曾 艷，王震生

(唐山工業職業技術學院，唐山 063299)

0 引言

在陶瓷生產過程中，坯體烘干[1]是一個非常重要的過程,目前坯體烘干技術有熱風烘干、烘干爐烘干等。相對于其他技術而言，熱風來源豐富，價格便宜，熱風烘干控制系統機械結構簡單，易于維護[2]。在熱風烘干過程中，系統主要控制對象為坯體的含水率，其工藝過程主要分為三個階段：1）預熱階段；2）恒溫干燥階段；3）降溫干燥階段。在每個階段中，溫、濕度控制是影響坯體質量的關鍵因素，其中溫度變化主要受加熱器影響，而濕度變化主要由除濕裝置進行調節改變，因此熱風烘干控制系統的本質是一個溫、濕度控制系統[3]。

溫濕度控制系統具有強時變性、強耦合性等特點，數學模型較難建立。采用經典PID(Proportion Integration Differentiation）控制可以滿足控制要求，但參數整定過程較為困難，且一組整定參數只能適用于較小控制領域。如此一來，一些新的先進控制思想被引入到溫濕度控制中，以尋求建立更精確系統模型，如模糊PID控制[4,5]，模糊控制[6]，預測控制[7]等。在本文中，考慮到控制系統溫濕度參數響應速度，及系統的穩態性能的問題，選用魯棒性較強的廣義預測控制算法進行研究與應用。同時對系統進行解耦，使解耦后的溫濕度系統演變成了兩個獨立的單輸入、單輸出系統，繼而與預測算法相結合，形成一個完整的控制系統。

此外，對控制過程具體實現進行研究，為提高預測算法實際應用時的高效性，系統在以S7-1200PLC為核心控制器的基礎上，選用STM32處理器進行算法處理，同時設計上位運行監控系統，以便對系統工作狀態進行實時監控。

1 控制方案設計

1.1 控制系統分析

熱風烘干過程是通過加熱、降溫、減壓，或其他能量傳遞的方式使物料的濕氣水分產生揮發、升華，最終達到使濕分與物料分離的目的，控制系統的控制對象本質為系統溫度和濕度[8]。系統結構如圖1所示，其基本原理為：通過風機將熱源周圍的空氣加熱，并借助引風機將熱風吹送到干燥房，之后利用旋風筒的旋轉離心力及散風機構，將熱風熱量均勻的散發在物體的表面和周圍，最后通過溫濕度傳感器檢測干燥房內的溫濕度變化，并與工藝設定值進行對比，以便結合控制器實現對加熱裝置和除濕裝置的自動調節，使干燥房內溫濕度值快速響應系統目標設定值，進而達到快速、準確烘干目的。在此過程中，當坯體濕度較大時，需要借用排潮裝置即排潮風機與排潮風門的配合往外抽濕的方式進行除濕，但需要注意的是在除濕過程中，溫度會受到影響而下降。同樣，加熱調節器在進行增溫控制時，坯體的濕度也會發生變化。因此，熱風烘干的控制系統具有以下特點：溫、濕度控制指標的強耦合性，大時延特性，分布不勻稱，時變特性和多干擾性。

圖1 陶瓷坯體熱風烘干控制系統結構示意圖

在熱風烘干系統中控制對象溫度和濕度具有嚴重的耦合關系，需在應用控制算法前對系統進行解耦處理。目前，已有很多種解耦方法，如模糊解耦控制[9]，自適應解耦控制[10]等，但針對本系統控制參數特性，使用常規的解耦策略需要很多復雜的算法模型，計算量很大，為了使多變量控制系統能夠長期、安全有效的運行，本文引入了一種將絕對濕度作為中間轉換變量的方法,以使溫度和濕度信號進行有效解耦[11,12]。

在熱風烘干控制系統中，如果忽略控制過程的管路效應，使旋風筒和引風機的速度保持恒定值，那么系統可被簡化為由加熱裝置、除濕裝置和烘干房組成。基于此可建立溫濕度調節控制模型如圖2所示，其中溫度T和相對濕度h1為系統輸出變量,加熱調節器A1和除濕調節器A2為系統的輸入變量。

圖2 溫濕度模型

由于在控制過程中，加熱器只影響溫度,不影響絕對濕度，而除濕器則直接同時影響溫度和濕度。鑒于此，輸入和輸出之間的關系可表達為T=f1(A1,A2)，h1=f2(A1,A2)。但是，烘干房內的溫度與絕對濕度之間并無直接關聯，兩者之間也不存在相互影響，故可利用絕對濕度h2與加熱器A1無關這一特點來進行解耦處理，即可將控制相對濕度h2轉化為控制絕對濕度h2進行處理,如此可解除相對濕度和溫度之間的耦合問題。解耦后系統變為如圖3所示。

圖3 系統解耦框圖

系統關系式為：

根據實際系統反應和系統階躍響應曲線估算出：

很明顯，系統經過分解之后，轉化為溫度和濕度兩個獨立的控制系統。如此一來，多變量控制系統就轉化為兩個獨立的單輸入、輸出控制系統，為后期控制算法的選擇與應用提供了良好的前提條件。

2 改進的廣義預測算法

熱風烘干系統解耦合后可看出溫濕度模型都為典型的受控自回歸積分滑動平均模型（Controlled Auto-Regressive Integrated Moving Average，簡稱CARIMA），可采用直接選擇廣義預測算法[13]進行控制，但常規廣義預測算法計算量較大，且控制時域選取范圍受限，在這里選擇了一種改進的直接廣義預測算法來進行控制[14]。相較于普通的直接廣義預測算法，本文所用的預測算法主要在傳統的直接廣義預測算法基礎上改進了以下三個方面：

1）對模型進行在線辨識校正時，將遞推極大似然估計與遺忘因子遞推最小二乘法結合，形成了一種改進的遞推極大似然參數估計方法，從而解決控制參數與噪聲干擾緊耦合時參數估計變慢的問題。

2）在迭代過程中，采用共軛梯度求最優解的方法求最優控制律，從而大大降低了計算量，擴大了預測時域和控制時域選取范圍，增加系統的穩定性。

3）為解決系統快速性與超調這一固有矛盾，在t時刻，利用t+1時刻的最優控制對t時刻最優結果進行修正，則可在較短的時間內達到設定值，可以一定程度上減小超調量。

具體而言，考慮如下模型：

其中，A(z-1)、B(z-1)和C(z-1)是后移算子z-1的多項式

{u(t)}和{y(t)}分別表示被控對象的輸入和輸出，Δ=1-z-1表示差分算子，{ω(t)}是互不相關的零均值噪聲序列。令θ＝，則在系統控制中需要辨識參數，根據要求，改進的廣義預測控制算法步驟如下：

1）輸入控制時域Nu、控制加權常數λ、濾波多項式T(z-1)等參數及參數估計算法中α和遺忘因子ρ的初始值和單位陣I。

2）置k=0，P(t)=α2I，θ? (t)=0；

3）利用改進的最大似然估計算法辨識控制器參數E、E、S，其中S為引入的濾波多項式中的參數，E和E為引入Diophantine方程中的參數

4)將所得結果代入式

并利用共軛梯度的迭代方法求得最優解。

5）之后采用以下兩式求得t時刻的控制量

求得t時刻的控制量u(t)。

6）為了減小超調量，對t時刻的控制量進行修正，得到實際控制量

7）置t=t+1，返回步2）。

3 整體控制方案與系統仿真

系統通過解耦后與改進的廣義預測控制算法相結合，形成一種新的控制方案，如圖4所示。

圖4 系統溫濕度控制框圖

在本系統中，先控制濕度H=G22(S)A2，得到的除濕調節器A2作為前饋加到溫度系統中,則溫度控制過程就變為T-G12(S)A2=G11(S)A1。因此，結合本系統控制過程，系統整體控制的步驟為：第一設定好溫、濕度的控制參數；第二采樣得到系統當前的溫度和相對濕度，并根據轉換關系得到溫度和絕對濕度；第三根據給出的相對濕度給定值和溫度參數利用改進的廣義預測算法計算出除濕調節A2。第四根據溫度給定值參數，利用改進的廣義預測算法計算出加熱調節器A1。最后返回至第二步，取下個時刻的溫、濕度參數，繼續循環控制。

根據系統的整體控制框圖和響應估算結果，可得出溫濕度的仿真模型，如圖5所示。由于溫度和濕度系統的時延和時間常數相差較大，因此采用不同的采樣周期進行控制。

圖5 溫濕度系統仿真模型

溫度系統為：

在濕度系統中，時延是2分鐘，時間常數是1.5分鐘。假如采樣周期TSH取1分鐘，那么相應的控制參數選擇應為：N1H=1，N2H=5，NuH=1，即通過改進的廣義預測控制算法，每隔1分鐘更新一次A2值。在溫度系統中，時延取5分鐘，采樣周期TST為2分鐘,控制參數相應取為N1T=1，N2T=10，NuT=1，令，則由當前的A2值算出T2=G12(S)A2(t)，之后每隔2分鐘更新一次A1值。仿真結果如圖6和圖7所示。進一步，將溫度的采樣周期改為5分鐘，控制參數相應取為N1T=1，N2T=5，NuT=1。實驗結果如圖8和圖9所示。

圖6 當TST為2min時，系統溫度控制曲線圖

圖7 當TST為2min時，相對濕度控制曲線圖

圖8 當TST為5min時，系統溫度控制曲線圖

圖9 當TST為5min時，相對濕度控制曲線

很明顯，采樣周期設置對結果影響較大，但系統的溫濕度指標在不同時間內都可以穩定在一定范圍之內，由此可以驗證控制方案的可行性。

4 系統平臺搭建

為了實現控制算法控制系統的現實應用，搭建了一種陶瓷坯體熱風烘干系統的控制平臺。該平臺以S7-1200PLC為核心控制器，如圖10所示，同時采用STM32處理器對溫濕度信號進行運算處理，利用RS485通訊模式實現STM32處理器與S7-1200PLC實現數據通訊。此外，為了便于對系統工作狀態進行實時有效運行監控，及對工藝操作參數進行在線修改，還增加了西門子系列SIMATIC精簡系列面板KTP700Basic型工業觸摸屏作為運行監控載體，以實現對目標值的快速、精準響應。

圖10 硬件平臺構件圖

根據系統結構圖，對系統硬件進行選型，結果如表1所示。

表1 系統硬件選型

4.1 STM32處理器電路設計

在本系統中為了使溫濕度控制得到有效控制，使用了STM320F103RBT6，通過RS485端口與S7-1200型PLC之間實現通訊。該電路主要由STM32驅動電路、溫濕度采集電路、通信驅動電路、顯示電路、鍵盤模塊和電源電路構成。整個電路供電由DV5V轉DC3.3V的電源電路負責；在STM32驅動電路中，PA0、PA1引腳復用功能ADC12作為信號采集端，PB10、PB11引腳復用功能作為與PLC實現RS485數據通訊端。溫濕度傳感器輸出需要經過轉換處理，主要應用的元器件為RCV420精密電流環接收器芯片。通信驅動電路主要應用了MAX485芯片實現STM32與S7-1200PLC的RS485通訊模塊之間的標準通訊，如圖11所示。

圖11 STM32外圍電路圖

4.2 運行監控系統設計

運行監控系統設計如圖12所示，主要通過采用SIMATIC精簡系列面板KTP700 Basic型工業觸摸屏來實現，該觸摸屏通過Profinet與PLC實現通訊。具體操作界面包括以下內容：歡迎界面、主界面（主要實現系統的啟動、停止、復位等操作運行指示功能）、溫度曲線監控界面（包括溫濕度顯示曲線、當前溫濕度值）、歷史溫度曲線界面、溫濕度參數整定界面、系統手動控制界面等，全方位實現系統參數據的設定、監控、修訂、報警信息提示、不同階段數據的查詢和下載及系統運行曲線監控顯示等功能，同時為了保證設備運行穩定、安全、可靠，在主界面中設定了權限，對不同操作人員的權限實施限制，保證系統的穩定運行。

圖12 監控運行系統的構建

將設計的系統溫濕度運算STM32處理器、S7-1200PLC核心控制器、監控運行系統HMI三者進行融合，經過調試研究，該平臺搭建方案具有可行性，滿足控制系統的控制要求。

5 結語

本文研究了陶瓷坯體烘干中的熱風烘干控制系統，首先分析了控制系統的目標（溫度和濕度）和特點，之后設計了此系統的控制方案，即先利用一種通過絕對濕度求相對濕度的解耦方式把溫濕度耦合控制系統分解成了兩個獨立的控制系統，然后用改進的直接廣義預測算法進行處理，通過仿真研究表明，所設計的控制方案是具有可行性。此外，結合控制系統要求，對控制過程的具體實現進行了平臺搭建。所構建平臺以S7-1200PLC為核心控制器，結合STM32處理器與上位機監控HMI等設備，以實現對系統的整體調試。目前，系統已基本調試成功，但算法的實時性方面仍有提升的空間。