章萬靜 劉長榮 李剛

摘要：為了提高鮮肉排酸處理的自動化程度，解決系統(tǒng)存在的非線性、大滯后、大慣性等問題，研制了一種鮮肉排酸自動化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用反饋回路控制技術(shù)，結(jié)合PID控制并對控制算法進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對排酸冷卻間中的溫度、濕度和風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動監(jiān)測和精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。研究結(jié)果表明：PID算法優(yōu)化后的控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快、魯棒性強(qiáng)、穩(wěn)態(tài)精度高、超調(diào)量小、抗擾動能力強(qiáng)，具有良好的控制效果，能夠滿足鮮肉排酸處理的要求。

關(guān)鍵詞：PID；算法優(yōu)化；鮮肉；排酸；控制系統(tǒng)；反饋回路

中圖分類號：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）28-0221-03

Application of PID Algorithm Optimization in Cold Meat Acid Removal Control System

ZHANG Wan-jing， LIU Chang-rong， LI Gang

（Huaian Vocational College of Information Technology， Huaian 223003， China）

Abstract：In order to improve the degree of automation of cold meat acid treatment， solve existing problems such as nonlinear， large delay and large inertia， a cold meat acid automatic control system based on the feedback loop control and PID control technology is developed， and the PID control algorithm is optimized， thus realizing the automatic monitoring and precision controlling of the environment parameters such as the temperature， the humidity and the wind. The research result shows that the control system optimized by PID algorithm has fast dynamic response， strong robustness， high accuracy， small overshoot and strong anti-interference capacity， which has good control effect and can meet the processing requirements of cold meat acid removal.

Key words： PID； algorithm optimization； cold meat； acid removal； control system； feedback loop

排酸肉，又叫冷鮮肉，是活牲畜屠宰經(jīng)自然冷卻至常溫后，將兩分胴體送入冷卻間，在一定的溫度、濕度和風(fēng)速下將肉中有害的新陳代謝產(chǎn)物最大限度地分解揮發(fā)掉，同時(shí)改變?nèi)獾姆肿咏Y(jié)構(gòu)和酸堿度，增加肉的鮮味和營養(yǎng)，提高口感，有利于人體的吸收和消化。

排酸肉是現(xiàn)代肉品衛(wèi)生學(xué)及營養(yǎng)學(xué)所提倡的一種肉品后成熟工藝，在發(fā)達(dá)國家?guī)缀踹_(dá)到了100%的市場占有率。針對目前排酸冷卻間中的手動或半自動控制的弊端，設(shè)計(jì)了一種基于PID改進(jìn)算法的鮮肉排酸控制系統(tǒng)，它能自動檢測和精準(zhǔn)控制冷卻間中的溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù)，使排酸處理在最適宜的環(huán)境條件下，降低了勞動強(qiáng)度，提升了鮮肉品質(zhì)[1]。

1 PID控制算法

1.1 PID控制原理

PID是比例（Proportion）、積分（Integration）、微分（Differential）控制，又稱PID調(diào)節(jié)，主要包括三個(gè)部分：測量、比較和執(zhí)行。其控制原理就是將被控對象的期望值與實(shí)際測量值相比較，利用這個(gè)偏差來執(zhí)行調(diào)節(jié)控制，糾正系統(tǒng)的響應(yīng)，PID控制原理如圖1所示，圖中x（t）為被控對象輸入的期望值，y（t）為被控對象輸出的實(shí)際測量值[2]。

PID控制的輸入e（t）與輸出u（t）的關(guān)系為：

[ut=KPet+1TI0terdr+TDdetdt+u0] （1-1）

式中：KP為PID控制的比例放大系數(shù)；TI為PID控制的積分時(shí)間常數(shù)；TD為PID控制的微分時(shí)間常數(shù)；e（t）為PID控制的輸入信號，它等于期望值x（t）與測量值y（t）之差；u（t）為PID控制的輸出信號；u0為PID控制在偏差e（t）=0時(shí)的輸出信號。

1.2 PID參數(shù)整定

PID控制中的參數(shù)相互獨(dú)立，不同的取值對控制系統(tǒng)的影響不同：比例環(huán)節(jié)中KP的取值合適時(shí)，會加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，不合適時(shí)會導(dǎo)致超調(diào)；積分環(huán)節(jié)中TI的取值合適時(shí)，會消除穩(wěn)態(tài)誤差，不合適時(shí)會導(dǎo)致積分飽和現(xiàn)象；微分環(huán)節(jié)中TD的取值合適時(shí)，會改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，不合適時(shí)會延長系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。

因此，PID參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，它根據(jù)被控過程的特性確定PID控制的比例放大系數(shù)KP、積分時(shí)間常數(shù)TI和微分時(shí)間常數(shù)TD的大小?，F(xiàn)采用工程整定方法中的臨界比例法進(jìn)行PID控制參數(shù)的整定，步驟如下：

（1） 預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；

（2） 僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；

（3） 通過公式計(jì)算得到PID控制的比例放大系數(shù)KP、積分時(shí)間常數(shù)TI和微分時(shí)間常數(shù)TD。

1.3 PID算法優(yōu)化

由于上述PID控制算法對系統(tǒng)而言，快速性、精確性和穩(wěn)定性不佳，現(xiàn)用求和代替積分、后向偏差代替微分對算法進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化算法過程如下：

（1） 對公式（1-1）進(jìn)行離散化。

令[ut≈uk]，[et≈ek]，[0terdr≈Tj=0kej]，[detdt≈ek-ek-1T]，

式中，T為采樣周期，k為采樣序號，則t[≈]kT。需要注意的是，在上述離散化過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。公式（1-1）離散化后為

[uk=KPek+TTIj=0kej+TDTek-ek-1+u0] （1-2）

（2） 將k-1帶入公式（1-2）中得到

[uk-1=KPek-1+TTIj=0k-1ej+TDTek-1-ek-2+u0]（1-3）

（3） 令[?uk=uk-uk-1]，將式（1-2）減去式 （1-3）并化簡得到

[?uk=KPek-ek-1+TTIek+TDTek-2ek-1+ek-2] （1-4）

（4） 令[q0=KP1+TTI+TDT]，[q1=-KP1+2TDT]，[q2=KPTDT]，則公式（1-4）簡化為：

[?uk=q0ek+q1ek-1+q2ek-2] （1-5）

采用以上PID算法優(yōu)化，一旦利用臨界比例法確定了KP、TI、TD的值，只需要使用前3個(gè)時(shí)刻的偏差值e（k）、e（k-1）、e（k-2）由式（1-4）或式（1-5）就可以求出控制輸出信號增量△u（k），PID算法優(yōu)化的流程圖如圖2所示。

2 排酸控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

由于排酸控制中的溫度、濕度、風(fēng)速是非線性、大延時(shí)并且難以建模，傳統(tǒng)的PID控制方法并不能達(dá)到理想的控制效果，故采用PID優(yōu)化算法來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的精確性。

排酸處理需要將屠宰后的畜胴體在24小時(shí)內(nèi)降為0～4℃[3]，并在濕度為80%～95%，風(fēng)速為0～3m/s的冷卻處理間中進(jìn)行長時(shí)間的排酸，該過程依畜禽種類不同和溫度不同所經(jīng)歷的時(shí)間也不同，普通環(huán)境下，從屠宰完到成熟好[4]，豬肉需要3～5小時(shí)，羊肉需要5～7小時(shí)，牛肉需要10～14小時(shí)。排酸控制系統(tǒng)如圖3所示，該系統(tǒng)主要由CPU控制器、液晶顯示、鍵盤輸入、傳感器檢測和自動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。

2.2 實(shí)驗(yàn)與分析

為了檢測系統(tǒng)的工作性能，將系統(tǒng)安裝在鮮肉排酸處理冷卻間進(jìn)行試驗(yàn)，采用普通PID算法和PID改進(jìn)算法時(shí)的溫度、濕度和風(fēng)速控制曲線分別如圖4、圖5、圖6所示。

從圖中可以看出，排酸控制系統(tǒng)采用PID算法優(yōu)化后的溫度、濕度、風(fēng)速控制精度高、穩(wěn)態(tài)性好[5]。

3 結(jié)論

根據(jù)鮮肉排酸處理的要求，提出了一種鮮肉排酸自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)結(jié)合反饋回路控制技術(shù)和PID控制技術(shù)，并對PID控制算法進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對排酸冷卻間中的溫度、濕度和風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動監(jiān)測和精準(zhǔn)調(diào)節(jié)[6]。研究結(jié)果表明：PID算法優(yōu)化后的控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快、魯棒性強(qiáng)[7]、穩(wěn)態(tài)精度高[8]、超調(diào)量小[9]、抗擾動能力強(qiáng)，具有良好的控制效果，能夠滿足鮮肉排酸處理的要求[10]。

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【通聯(lián)編輯：梁書】