尹協(xié)鎮(zhèn)，束勝利，徐自豪

(常州常發(fā)農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究有限公司，江蘇 常州 213100)

谷物烘干機(jī)熱風(fēng)溫度PID控制的優(yōu)化方法

尹協(xié)鎮(zhèn)，束勝利，徐自豪

(常州常發(fā)農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究有限公司，江蘇 常州 213100)

主要介紹了谷物烘干機(jī)熱風(fēng)溫度PID控制的優(yōu)化方法。不同型號的谷物烘干機(jī)結(jié)構(gòu)、性能、系統(tǒng)模型上存在差異，因此熱風(fēng)溫度PID控制，要采用與之對應(yīng)的一套理想的PID參數(shù)來控制，熱風(fēng)溫度PID控制器驅(qū)動(dòng)風(fēng)閥執(zhí)行器電機(jī)，改變冷熱風(fēng)進(jìn)風(fēng)比例，使烘干的熱風(fēng)溫度能快速、穩(wěn)定的保持在設(shè)定溫度附近，減少因熱風(fēng)溫度波動(dòng)大造成的不必要的損失，這對提升烘干效率及谷物品質(zhì)有重大意義。

谷物烘干機(jī)；PID控制；熱風(fēng)溫度；優(yōu)化方法

谷物烘干機(jī)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，穩(wěn)定的熱風(fēng)溫度是決定烘干機(jī)性能的重要指標(biāo)之一，它直接影響著谷物烘干機(jī)的烘干效率及谷物品質(zhì)。行業(yè)內(nèi)大多使用人工調(diào)節(jié)冷熱風(fēng)進(jìn)風(fēng)比例來調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度。

1 烘干機(jī)熱風(fēng)溫度PID控制參數(shù)整定的必要性

谷物烘干機(jī)系統(tǒng)中溫度信號在采集、傳遞、執(zhí)行上存在滯后時(shí)間，另外熱源的熱風(fēng)溫度波動(dòng)較大，干擾因素較多，采用常規(guī)的閥門開關(guān)來控制熱風(fēng)溫度不能滿足谷物烘干機(jī)對熱風(fēng)溫度的要求。因此，采用熱風(fēng)溫度PID控制，即引入偏差的比例調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)的快速性。引入偏差的積分調(diào)節(jié)以提高控制精度，引入偏差的微分調(diào)節(jié)來消除系統(tǒng)慣性的影響，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,然而不合適的PID參數(shù)可能使調(diào)節(jié)系統(tǒng)崩潰。

不同型號的烘干機(jī)其結(jié)構(gòu)、性能上有差異，若其溫度PID控制均采用同一套PID參數(shù)，則因烘干機(jī)系統(tǒng)的差異，熱風(fēng)溫度控制的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、抗擾動(dòng)能力并不是最理想的狀態(tài)。谷物烘干機(jī)熱風(fēng)溫度PID控制的優(yōu)化目的是為了確定每種型號的烘干機(jī)對應(yīng)的PID控制參數(shù)。

2 烘干機(jī)熱風(fēng)溫度PID閉環(huán)控制原理

現(xiàn)溫度設(shè)定值r(t)與傳感器測量的熱風(fēng)溫度實(shí)際值y(t)的溫度反饋值之差e(t)經(jīng)過比例、積分、微分運(yùn)算后輸出一個(gè)信號u(t)控制風(fēng)閥執(zhí)行器，風(fēng)閥執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)閥執(zhí)行器葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，改變冷熱風(fēng)進(jìn)風(fēng)比例，使烘干機(jī)的實(shí)時(shí)熱風(fēng)溫度y(t)穩(wěn)定在設(shè)定溫度(或在小范圍內(nèi)波動(dòng))。PID閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 PID閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

PID控制器微分方程：

式中，KP為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間。

參數(shù)KP、Ti、Td的改變對控制作用影響很大，KP的作用是加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。KP越大，系統(tǒng)的響應(yīng)越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高；但容易產(chǎn)生超調(diào)和振蕩甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。因此，KP的值不宜過大。KP取值過小，則使調(diào)節(jié)時(shí)間變長，系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)特性變壞。Ti的一個(gè)最主要作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ti越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除的越快；但Ti也不能過大，否則在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。若Ti過小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Td的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但Td不能過大，否則會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，延長調(diào)節(jié)時(shí)間，并且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能?？傊甈ID參數(shù)的整定必須考慮在不同時(shí)刻3個(gè)參數(shù)的作用以及相互之間的關(guān)系[1]。

3 烘干機(jī)熱風(fēng)溫度PID控制參數(shù)整定方法

在選擇PID參數(shù)之前，首先要確定控制器結(jié)構(gòu)。允許有靜差的系統(tǒng)可以適當(dāng)選擇P或PD控制器，使穩(wěn)態(tài)誤差在允許的范圍內(nèi)，對要消除穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)，應(yīng)選用包含積分控制的PI或PID控制器，一般來說對于有滯后的對象往往都要加入微分控制，因此谷物烘干機(jī)熱風(fēng)溫度控制采用PID控制。

3.1 試湊法

試湊法是通過計(jì)算機(jī)仿真或?qū)嶋H運(yùn)行，觀察系統(tǒng)對典型輸入作用的響應(yīng)曲線，根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)(KP、Ti、Td)對系統(tǒng)響應(yīng)的影響，反復(fù)調(diào)節(jié)試湊，直到滿意為止，從而確定PID參數(shù)。試驗(yàn)湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”，缺點(diǎn)是需要做大量的參數(shù)驗(yàn)證。

(1)首先只整定比例系數(shù)，先將積分參數(shù)Ti調(diào)最大值，微分參數(shù)Td置0，將KP由小變大，使系統(tǒng)響應(yīng)曲線略有超調(diào)。

(2)加入積分，將步驟(1)中KP減少為原來的50%～80%，再慢慢減小積分時(shí)間Ti，并相應(yīng)調(diào)整比例參數(shù)，反復(fù)試湊得到滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。

(3)加入微分，逐漸加大微分時(shí)間Td，同時(shí)相應(yīng)地改變比例和積分參數(shù)，反復(fù)試湊得到滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。

3.2 擴(kuò)充臨界比例度法

擴(kuò)充臨界比例度法最大的優(yōu)點(diǎn)是參數(shù)的正點(diǎn)不依賴受控對象的數(shù)學(xué)模型，直接在現(xiàn)場整定、簡單易行，缺點(diǎn)是臨界振蕩不好調(diào)。

(1)首先預(yù)選一個(gè)合適的采樣周期T，一般來說T應(yīng)小于受控對象的純滯后時(shí)間的1/10。

(2)用選定的T使系統(tǒng)工作，去掉積分作用和微分作用，將控制選擇為純比例控制，構(gòu)成閉環(huán)，逐漸增大比例參數(shù)直至系統(tǒng)對輸入的階躍信號的響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩， 記錄此時(shí)比例放大系數(shù)KS和臨界振蕩周期TS。

(3)選擇控制度，查表得到T、KP、Ti、Td。運(yùn)行并做細(xì)微調(diào)整。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 擴(kuò)充臨界比例度法PID參數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.3 基于S7-200 PLC的PID參數(shù)整定

S7-200 PLC已支持PID整定功能，STEP 7-Micro/WIN中也有PID整定控制面板，見圖2。

它能夠以圖形的方式來監(jiān)視PID回路，PID整定控制面板還可用于啟動(dòng)自整定序列或者將理想的PID參數(shù)應(yīng)用到實(shí)際控制中去。

圖2 PID整定界面

圖2中過程變量區(qū)可以顯示實(shí)際溫度的柱狀圖。當(dāng)前值區(qū)可見設(shè)置值、采樣時(shí)間、比例、積分、微分參數(shù)，以及柱狀圖和PID輸出的實(shí)際值。PID圖表區(qū)可見設(shè)定值、實(shí)際值、輸出三條曲線圖(不同顏色區(qū)分)。整定參數(shù)區(qū)可改變PID參數(shù)并下載到PLC中，開始PID自整定，高級選項(xiàng)設(shè)置中設(shè)置滯后、偏移、初始的輸出階躍、看門狗時(shí)間、動(dòng)態(tài)響應(yīng)選項(xiàng)?？刹榭碢ID回路[2]。

熱風(fēng)溫度PID控制是圍繞著設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)的。若設(shè)定溫度為55℃，當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，風(fēng)閥執(zhí)行器熱風(fēng)處于全部打開狀態(tài)；當(dāng)溫度達(dá)到55℃，風(fēng)閥執(zhí)行器熱風(fēng)開始逐漸關(guān)閉，在關(guān)閉過程中，溫度有可能仍在漸漸上升，溫度偏離越大，關(guān)閉的角度越大，直到全部關(guān)閉為止；當(dāng)溫度再次低于設(shè)定值時(shí)，風(fēng)閥執(zhí)行器熱風(fēng)則會(huì)逐漸打開，偏離越大，打開的角度越大；直到溫度再次達(dá)到設(shè)定值。反復(fù)上述過程直至溫度穩(wěn)定在設(shè)定值(或誤差允許范圍±2℃)。對熱源波動(dòng)等外界干擾產(chǎn)生的實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的偏差，PID控制能快速響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)風(fēng)閥執(zhí)行器正反轉(zhuǎn)，改變風(fēng)閥開度，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。

4 結(jié)論

對比上述參數(shù)整定的方法，各有利弊。然而，谷物烘干機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)場實(shí)際工況與理論偏差較大，數(shù)學(xué)模型難以建立。綜合各方面因素考慮，基于S7-200 PLC的PID參數(shù)整定相比其他方法更加適合谷物烘干機(jī)，設(shè)計(jì)者只需掌握PLC運(yùn)用相關(guān)專業(yè)知識，便可在實(shí)際中組態(tài)好閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，大大縮短研發(fā)周期，降低成本，優(yōu)化熱風(fēng)溫度控制，只要受控對象的主要指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，相應(yīng)的PID參數(shù)即可作為有效的熱風(fēng)溫度PID控制參數(shù)。穩(wěn)定的熱風(fēng)溫度為提升谷物烘干產(chǎn)品的核心競爭力打下基礎(chǔ)。

[1] 胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：國防工業(yè)出版社,1994.

[2] 西門子有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).深入淺出西門子S7-200PLC[M].北京：北京航空航天出版社，2006.

(責(zé)任編輯：舒蓮梅)

OptimizationofPIDcontrolforhotairtemperatureongraindryer

YIN Xie-zhen,SHU Sheng-li,XU Zi-hao

(Changzhou Changfa Agricultural Equipment Engineering Technology Research Co.Ltd.,Changzhou 213100,China)

We introduces the optimization method of PID control for hot air temperature on the grain drier.For different type grain dryer,their structure,performance and system model are different,so the PID controller parameter should be optimized according to different type dryer.The hot air temperature PID controller drive the motor of air valve and change the ratio of hot air and cold air,which could keep the air temperature near the set point and minimize the unnecessary lost caused by air temperature fluctuation.This method has significant meaning for improving the drying efficiency and grain quality.

grain dryer;PID control;hot air temperature;optimization method

S379.2

：A

：1003-6202(2017)09-0008-03

2017-01-23；

2017-03-20

尹協(xié)鎮(zhèn)(1987-),男，碩士，工程師，研究方向?yàn)楣任锖娓杉夹g(shù)及設(shè)備、烘干成套工程規(guī)劃。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.09.003