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        基于參數(shù)自調(diào)整模糊PID算法的飼料膨化機(jī)控制仿真分析

        2012-09-22 06:21:50蘆螢螢
        飼料工業(yè) 2012年5期
        關(guān)鍵詞:溫度控制模糊控制偏差

        蘆螢螢

        (德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山東德州 253000)

        飼料膨化機(jī)主要應(yīng)用于食品膨化、膨化單一原料 和畜禽飼料膨化,可以預(yù)處理植物油脂等,在各種類(lèi)型的飼料廠都具有廣泛的應(yīng)用。飼料膨化機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、便于操作和維修方便的優(yōu)勢(shì)。飼料膨化機(jī)對(duì)飼料進(jìn)行擠壓膨化,可以提高加工后的飼料在動(dòng)物體內(nèi)的消化率。飼料膨化機(jī)的膨化率對(duì)于飼料的膨化質(zhì)量具有非常大的影響,而溫度是飼料膨化機(jī)的重要性能參數(shù),溫度不能過(guò)大,否則飼料將產(chǎn)生降解和焦化,同時(shí)溫度也不宜過(guò)低,這樣就無(wú)法達(dá)到預(yù)計(jì)的膨化效果。因此,對(duì)膨化機(jī)進(jìn)行溫度控制對(duì)于飼料的膨化效果的影響是非常關(guān)鍵的。采用傳統(tǒng)的PID控制算法對(duì)飼料膨化機(jī)進(jìn)行控制,在實(shí)際的控制過(guò)程中,會(huì)受到許多不確定因素的影響,因此會(huì)產(chǎn)生較大的系統(tǒng)控制誤差,在動(dòng)態(tài)性能不能獲得比較理想的效果,不能獲得較好的控制效果。針對(duì)以上缺陷,利用模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制算法對(duì)飼料膨化機(jī)的溫度進(jìn)行控制,可以提高控制的實(shí)時(shí)性和可靠性,具有較好的控制精度,因此,可以滿足飼料膨化機(jī)的工作要求。

        1 飼料膨化機(jī)溫度控制的基本要求

        膨化機(jī)的基本工作原理是利用螺桿為顆粒狀的飼料提供推力,向前擠壓飼料,使飼料進(jìn)行充分地混合和攪拌,在飼料混合的過(guò)程中,溫度和壓力不斷升高,飼料從模孔被擠出的瞬間,飼料的溫度突然降低,飼料的體積將增大幾十倍。飼料膨化機(jī)在飼料加工的過(guò)程中,輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)具有非常復(fù)雜的變化,呈現(xiàn)非線性的特點(diǎn)。飼料膨化機(jī)料筒溫度是整機(jī)工作效率的重要影響參數(shù),因此必須進(jìn)行有效的控制,從而能夠提高飼料產(chǎn)品的質(zhì)量。

        溫度產(chǎn)生的主要原因?yàn)橥饧訜崞鞯募訜?、飼料和螺桿與膨化機(jī)筒的摩擦。溫度的改變有很多影響因素,比如,螺桿的扭矩、飼料的變化、膨化機(jī)筒內(nèi)飼料所承受的壓力、飼料含水量、摩擦系數(shù)。以上這些因素產(chǎn)生變化時(shí),都會(huì)導(dǎo)致溫度的上升或者下降。其中飼料的含水量發(fā)生改變時(shí),飼料和螺桿與膨化機(jī)筒之間將產(chǎn)生較大的摩擦熱,從而導(dǎo)致熱量損失的增加或降低。溫度的有效控制不僅關(guān)系到飼料膨化機(jī)的可靠性、生產(chǎn)效率以及使用壽命,而且影響著飼料品質(zhì)的提升,因此,對(duì)飼料膨化機(jī)的溫度控制提出了較高的要求。

        2 飼料膨化機(jī)溫度模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制的基本思想

        PID控制器屬于線性控制器,控制偏差可以表示為如下的形式:

        式中:R(t)表示控制系統(tǒng)的溫度給定值,Y(t)表示控制系統(tǒng)的溫度實(shí)際輸出值。

        PID控制算法的數(shù)學(xué)模型如下所示:

        式中:s表示序列,s=0,1,2,…;x(s)表示控制系統(tǒng)的輸出值;EC(s)表示輸出偏差的改變量,EC(s)=E(s)-E(s-1)];E(s)表示控制系統(tǒng)輸入的偏差大小;Kp表示PID控制系統(tǒng)的比例因子;K1表示控制系統(tǒng)的積分因子;KD表示控制系統(tǒng)的微分因子。

        將模糊理論和傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合可以獲得模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制器,比例因子Kp、積分因子K1和微分因子KD可以表示為偏差|E|和偏差變化量|EC|的函數(shù),函數(shù)的形式如下所示:

        飼料膨化機(jī)溫度控制的模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制基本原理如圖1所示。

        根據(jù)飼料膨化機(jī)的實(shí)際,建立其溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù),可以表示為如下的形式:

        3 飼料膨化機(jī)溫度模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制器的輸入和輸出

        設(shè)飼料膨化機(jī)溫度控制的模糊參數(shù)自調(diào)整PID的參數(shù)自調(diào)整,結(jié)合偏差|E|和偏差變化量|EC|和模糊理論,提出比例積分ΔKP、ΔKI和ΔKD的模糊控制規(guī)則,模糊論域取為[-5,5],可以劃分為7個(gè)等級(jí),分別表示為 {PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB},PB 表示正大,PM表示正中,PS表示正小,ZO表示零,NS負(fù)小,NM表示負(fù)中,NB表示負(fù)大。模糊控制表分別見(jiàn)表1、表2和表3。

        根據(jù)飼料膨化機(jī)溫度控制系統(tǒng)的實(shí)際,設(shè)計(jì)出如下形式的控制規(guī)則:

        通過(guò)對(duì)上述模糊控制規(guī)則進(jìn)行整理可以獲得模糊控制邏輯運(yùn)算表。

        表1 ΔKP模糊控制規(guī)則

        表2 ΔKI模糊控制規(guī)則

        表3 ΔKD模糊控制規(guī)則

        模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制器利用加權(quán)平均值的方法獲得輸出量的值,主要操作方法如下:

        ①求解出模糊推理結(jié)果中所有元素的重心元素;

        ②經(jīng)過(guò)模糊化重心元素后可以獲得相應(yīng)的精確值,可以利用如下的公式進(jìn)行計(jì)算:

        其中,U*表示精確解;λ(i)表示 ΔKP、ΔKI以及 ΔKD的隸屬度函數(shù),n表示輸出元素的數(shù)量。

        對(duì)精確量進(jìn)行整定可以獲得整定值ΔKP、ΔKI、ΔKD,模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制器的輸入?yún)?shù)利用如下的方程進(jìn)行計(jì)算:

        式中,KP0、KI0、KD0分別表示比例因子KP、積分因子KI和微分因子KD的初始值。

        4 飼料膨化機(jī)溫度控制的仿真實(shí)驗(yàn)研究

        利用模糊PID控制器對(duì)飼料膨化機(jī)進(jìn)行溫度控制仿真分析,模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制器的初始參數(shù)分別為:ΔKP=35、ΔKI=0.50、ΔKD=0.002。為了能夠驗(yàn)證模糊自PID控制系統(tǒng)的有效性,同時(shí)也利用傳統(tǒng)PID控制器對(duì)相同的飼料膨化機(jī)進(jìn)行了控制仿真,所選取的參數(shù)取值如下:ΔKP=5、ΔKI=0.06、ΔKD=6.5。仿真結(jié)果如圖2所示。

        從圖2可以看出,利用傳統(tǒng)PID控制器進(jìn)行飼料膨化機(jī)溫度控制的仿真結(jié)果具有大的超調(diào)量,溫度控制進(jìn)行穩(wěn)定的時(shí)間比較長(zhǎng),不具備較好的控制可靠性;而利用模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制器對(duì)膨化機(jī)進(jìn)行溫度控制仿真,超調(diào)量明顯減少,而且溫度控制系統(tǒng)很快地進(jìn)入了穩(wěn)定狀態(tài),因此,模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制器具有較好的可靠性,控制精度得到了較大的改善。

        5 小結(jié)

        模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制技術(shù)具有魯棒性強(qiáng)、調(diào)節(jié)速度快、易于實(shí)現(xiàn)、控制穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì),利用模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制器對(duì)飼料膨化進(jìn)行溫度控制能夠有效地提高膨化機(jī)溫度控制的精度,從而提高飼料加工的質(zhì)量。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明,模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制器相對(duì)于傳統(tǒng)PID控制技術(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性,超調(diào)量降低,系統(tǒng)響應(yīng)的速度加快,進(jìn)而驗(yàn)證了該控制方法的有效性。

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