■吳勇 趙勇 黃堃

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫 214121）

顆粒飼料的加工一般是經(jīng)過蒸汽調(diào)質(zhì)后，再進行制粒。調(diào)質(zhì)溫度對顆粒飼料的加工效果具有非常重要的影響。調(diào)質(zhì)溫度增加，將促進顆粒飼料蛋白質(zhì)的變性以及淀粉的糊化，但是過高的調(diào)質(zhì)溫度將導(dǎo)致飼料蛋白質(zhì)、酶制劑以及維生素的利用率降低，不利于動物的吸收，因此，在飼料加工過程中應(yīng)該對試驗機的調(diào)質(zhì)溫度進行有效地控制，從而能夠獲得一個適宜的調(diào)質(zhì)溫度，提高飼料的利用率，選擇一種有效的控制技術(shù)對飼料加工試驗機的溫度進行控制，對于顆粒飼料加工質(zhì)量的提高具有非常重要的作用[1]。

飼料加工試驗機的溫度控制屬于一個大滯后、大慣性、非線性的系統(tǒng)，利用傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)對其進行控制，控制效率比較低，超調(diào)量較大，無法獲得較好的控制效果。目前，將模糊免疫PID控制技術(shù)引入飼料加工試驗機的控制研究還未見報道，傳統(tǒng)的模糊PID控制器控制精度比較欠缺，在達到穩(wěn)態(tài)時經(jīng)常會產(chǎn)生一定的誤差。近年來，控制理論的水平不斷提高，控制技術(shù)有了突飛猛進的發(fā)展，免疫算法的理論體系不斷完善，并且在很多工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了非常廣泛地應(yīng)用。筆者通過構(gòu)建模糊免疫PID控制器對飼料加工試驗機進行自適應(yīng)地控制，并且進行了相應(yīng)的仿真試驗，使得系統(tǒng)可以在較短時間里達到穩(wěn)態(tài)，減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的抗擾能力。

1 飼料加工試驗機的工藝流程及基本指標(biāo)

顆粒飼料的工藝流程如圖1所示。

圖1 顆粒飼料的制備工藝流程

調(diào)質(zhì)溫度可以通過控制喂料速率以及蒸汽量加以控制，在調(diào)質(zhì)器上安裝溫度傳感器可以測試相應(yīng)的調(diào)質(zhì)溫度。

顆粒飼料的主要加工工藝參數(shù)包括：

1.1 淀粉糊化度

淀粉糊化度可以利用簡易酶法測定，經(jīng)過加熱將飼料制備成全糊化試樣，接著通過酶解、沉淀過濾。然后通過斐林試劑實現(xiàn)顯色，對吸光度進行測定，最后，可以根據(jù)相關(guān)公式計算出淀粉糊化度。

1.2 飼料顆粒的耐久性

顆粒耐久性可以體現(xiàn)飼料加工質(zhì)量的好壞，顆粒耐久性越好，飼料的質(zhì)量越好。飼料顆粒的耐久性可以通過耐久性裝置進行測試，根據(jù)測試結(jié)果按照如下的計算公式進行計算：

式中：Dk表示飼料顆粒的耐久度；G1表示經(jīng)過耐久性裝置翻轉(zhuǎn)后的顆粒飼料的質(zhì)量；G2表示經(jīng)過耐久性裝置翻轉(zhuǎn)前的顆粒飼料的質(zhì)量。

1.3 調(diào)質(zhì)溫度對顆粒飼料性能參數(shù)的影響

調(diào)質(zhì)溫度超過淀粉糊化溫度時，淀粉顆粒將吸水膨脹，最終破裂，有利于飼料顆粒的粘結(jié)。調(diào)質(zhì)溫度越高，淀粉糊化度越大。

調(diào)質(zhì)溫度對顆粒飼料的耐久性也有較大的影響，調(diào)質(zhì)溫度越高，顆粒飼料的耐久性越好，從而能夠避免顆粒在運輸和儲藏的過程產(chǎn)生浪費。

2 模糊免疫PID控制的基本原理

2.1 免疫PID控制的基本原理

傳統(tǒng)的PID控制的離散數(shù)學(xué)模型如下所示：

式中，Kp、Ki、Kd分別表示比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。

免疫PID控制主要是應(yīng)用免疫控制的免疫反饋機理組成具有反饋作用并且可以依據(jù)控制器的輸出進行自動調(diào)節(jié)的比例系數(shù)，取代增量式PID的固定式比例系數(shù)kp，進而能夠自適應(yīng)地調(diào)節(jié)控制器輸出。人體免疫體系的工作原理是使抗體迅速地入侵抗原，并且阻止抗體濃度較大對生物體造成的傷害。免疫系統(tǒng)的淋巴結(jié)存儲免疫B細(xì)胞和T細(xì)胞，當(dāng)抗原侵入機體后信息被傳輸給T細(xì)胞，接著，T細(xì)胞通過對B細(xì)胞的刺激形成相應(yīng)的抗體從而可以使抗原消失。T細(xì)胞內(nèi)包括輔助細(xì)胞TH以及抑制細(xì)胞TS，TH細(xì)胞和TS細(xì)胞彼此抑制，TH細(xì)胞正比于抗原信息，同時形成B細(xì)胞的抗體，TS細(xì)胞限制B細(xì)胞抗體的形成。在初始階段，抗原非常多，TH細(xì)胞也比較多，從而使B細(xì)胞形成過多的抗體，從而實現(xiàn)對抗原進行抵制的作用；在抗原縮減的情況下，TS細(xì)胞隨之增加，TH細(xì)胞的形成受到限制，因此B細(xì)胞產(chǎn)生的抗體也將縮減。細(xì)胞處于彼此競爭的狀態(tài)，從而使得整個系統(tǒng)處于重新的平衡狀態(tài)。模糊免疫PID控制器的輸入和輸出分別為7個，由于輸入和輸出語言變量的增加，免疫抑制系數(shù)能夠得到優(yōu)化。第K代的抗原個數(shù)利用ε(k)來表示，在抗原信息的影響下T細(xì)胞使輔助細(xì)胞TH輸出可以表示為如下的形式：

式中：k1表示激勵系數(shù)。

抑制細(xì)胞TS的輸出可以表示為如下的形式：

式中：k2表示抑制系數(shù)。

輔助細(xì)胞和抑制細(xì)胞共同作用使B細(xì)胞的輸出可以表示為如下的形式：

免疫PID控制器是基于免疫機理設(shè)計的非線性控制器，并且構(gòu)建了控制變量u(k)和誤差e(k)的非線性管理，相應(yīng)的PID控制器模型可以表示為如下的形式：

式中，K1表示控制反應(yīng)速度；λ表示控制穩(wěn)定性；h(·)表示非線性函數(shù)。

免疫PID控制器的輸出可以表示為如下的形式：

式中，Kp1=K1[ ]1-λh(u(k),Du(k))

2.2 模糊免疫PID控制的基本原理

通過模糊控制器對非線性函數(shù) f(·)進行逼近，并且對控制精度以及運算量進行權(quán)衡，通過兩個模糊集對輸入量u(k)和Δu(k)進行模糊化操作，分別為正和負(fù)，可以用P和N來表示。對于輸出函數(shù) f(·)，通過三個模糊集對其進行模糊化運算，分別為正、零和負(fù)，可以利用P，Z，N來表示。模糊規(guī)則的設(shè)計原則如下：當(dāng)細(xì)胞受到較大刺激時，抑制能力比較?。划?dāng)細(xì)胞受到較小刺激時，抑制能力比較大。換句話說就是：當(dāng)u(k)為正和Δu(k)為正的情況下，f(·)為負(fù)；當(dāng)u(k)為負(fù)和Δu(k)為負(fù)的情況下，f(·)為正；當(dāng) u(k)和 Δu(k)符號相反時，f(·)為零。

在模糊免疫PID控制器中，按照偏差e和偏差變化量Δe以及模糊理論，構(gòu)建對應(yīng)的比例系數(shù)變化量ΔKp、積分系數(shù)變化量ΔKi和微分系數(shù)變化量ΔKd的模糊規(guī)則，論域的取值范圍為[-1，1]，選取7個模糊集，分別為：正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中和負(fù)大，可以分別表示為PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB。模糊規(guī)則分別見表1、表2和表3。

表1 ΔKp模糊控制規(guī)則

表3 ΔKd模糊控制規(guī)則

通過精確量的整定運算可以獲得整定值ΔKp、ΔKi、ΔKd，模糊免疫PID控制器的輸入?yún)?shù)根據(jù)下式進行計算：

式中：Kp0表示比例系數(shù)Kp的初值、Ki0表示積分系數(shù)Ki的初值、Kd0表示微分系數(shù)Kd的初值。

3 基于模糊免疫PID的飼料加工試驗機的控制仿真分析

3.1 飼料加工試驗機控制的基本原理

飼料加工試驗機可以進行飼料的自動加工。首先，啟動加熱器進行預(yù)加熱，給飼料加工試驗機加熱，直到自停。然后，溫度降低后進行自動加熱，啟動油泵，經(jīng)過2 min后啟動主機，經(jīng)過4 min左右機頭開始出料，接著，將主電機和喂料電機的轉(zhuǎn)速增加到預(yù)先設(shè)定的值，接下來，使主電機的轉(zhuǎn)速降低，最后停機。

3.2 仿真分析

以肉雞顆粒飼料的加工為例，通過現(xiàn)場飼料加工的測試數(shù)據(jù)可知，其適宜的調(diào)質(zhì)溫度為90℃，利用模糊免疫PID技術(shù)對其進行控制，模糊免疫PID控制器的參數(shù)設(shè)置為：k1=1.25,k2=1.14,K1=1.42,Kp=0.20,Ki=0.05,Kd=0.10。為了能夠驗證該方法的有效性，同時也利用模糊PID控制技術(shù)對其進行控制仿真分析，PID的基本參數(shù)設(shè)置和模糊免疫PID相同?？刂品抡娉绦蚶肕ATLAB軟件編制而成，仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 飼料加工試驗機調(diào)質(zhì)溫度控制仿真結(jié)果

從圖1的仿真結(jié)果可以看出，模糊免疫PID控制技術(shù)和模糊PID控制技術(shù)相比具有更好的控制效果，前者響應(yīng)速度比較快，而且超調(diào)量也比較小，因此，更有利于提高顆粒飼料的加工質(zhì)量，飼料加工試驗機運行的穩(wěn)定性，飼料的淀粉糊化度和耐久性均得到了提高，進而能夠提高飼料加工的品質(zhì)。

4 結(jié)論

將模糊免疫PID控制技術(shù)應(yīng)用于顆粒飼料的加工試驗機的調(diào)質(zhì)溫度控制中，能夠有效地提高顆粒飼料的性能，保證顆粒飼料加工質(zhì)量的提升，從而能夠提高顆粒飼料加工試驗機的加工自動化程度，對顆粒飼料加工的性能參數(shù)進行精度地控制。仿真結(jié)果表明該控制技術(shù)具有較好的控制穩(wěn)定性，能夠提高顆粒飼料加工試驗機的工作效率，提高顆粒飼料的加工質(zhì)量。