王萌

河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院（鄭州 450003）

隨著生活水平不斷提高，人們的健康意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，國(guó)家對(duì)食品監(jiān)管越來(lái)越嚴(yán)格[1]。當(dāng)前，為避免食品加工過(guò)程中出現(xiàn)食品變質(zhì)等情況，大多數(shù)食品加工廠家采用恒溫控制技術(shù)來(lái)確保食品質(zhì)量[2-3]。但是溫度控制往往具有時(shí)變性和滯后性，如何實(shí)現(xiàn)食品加工過(guò)程的恒溫控制已成為一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)恒溫控制系統(tǒng)通常采用PID控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、使用面廣，不過(guò)無(wú)法較好地處理時(shí)變和滯后類問(wèn)題，因此控制效果一般[4-7]。針對(duì)傳統(tǒng)控制方法的不足，眾多專家將智能控制算法引入到傳統(tǒng)PID控制算法中，實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)在線可調(diào)[8-10]。例如：鄧娜等[11]針對(duì)煙葉烤房溫度控制，利用模糊算法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)整定，提高了控制精度，降低了響應(yīng)時(shí)間，具有很強(qiáng)的魯棒性。李勇[12]提出一種基于優(yōu)化PID的食品加工過(guò)程中的恒溫控制方法，PID的控制參數(shù)通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行優(yōu)化。陳雪波等[13]以蓄熱式鋼包烘烤裝置為研究對(duì)象，將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和雙交叉限幅算法結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)了其烘烤裝置的溫度控制。

在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出一種基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制策略，實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，同時(shí)給出控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證所述方法的可行性和有效性。

1 溫度控制算法

1.1 徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠無(wú)限逼近任意連續(xù)非線性函數(shù)，具有一定的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，特別適合復(fù)雜不確定問(wèn)題。但是一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在運(yùn)算量大、收斂速度慢等問(wèn)題，在很大程度上限制了其應(yīng)用范圍。相對(duì)而言，徑向基函數(shù)（RBF）具有運(yùn)算量小、收斂速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠彌補(bǔ)一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的不足。

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種3層前饋網(wǎng)絡(luò)，包含n個(gè)輸入、1個(gè)輸出，輸入層到隱含層的映射為非線性變換，隱含層到輸出層的映射為線性變換。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

輸出層輸出可描述為：

式中：W=[w1,w2, …,wm]T為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)矢量；H=[h1,h2, …,hm]T為徑向基矢量，其中hi為基函數(shù)，可用高斯函數(shù)表示，即：

式中：X=[x1,x2, …,xn]T為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矢量；Ci為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的中心矢量；σi為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的基寬參數(shù)；為歐拉范數(shù)。

1.2 RBF-PID溫度控制器

RBF-PID溫度控制器能夠彌補(bǔ)常規(guī)PID控制器的不足，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力，在線實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制器參數(shù)。RBF-PID溫度控制器主要包括PID控制器和RBF網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器。RBF網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器以被控對(duì)象的輸入量和輸出量之間的延遲信號(hào)作為輸入，用模型的辨識(shí)誤差實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、跟蹤對(duì)象模型變化，提供辨識(shí)模型的Jacobian矩陣。PID控制器則利用跟蹤誤差和Jacobian矩陣調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)。RBFPID溫度控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 RBF-PID溫度控制器結(jié)構(gòu)

對(duì)于PID控制器，以設(shè)定值r(k)和實(shí)際反饋值y(k)之間的偏差e(k)作為輸入，即：

其輸出u(k)可表示為：

常規(guī)增量式數(shù)字PID控制算法可描述為：

式中：Kp為比例系數(shù)、Ki為積分系數(shù)、Kd為微分系數(shù)，這幾個(gè)參數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器的性能指標(biāo)函數(shù)可定義為：

為確保溫度控制器輸出的期望值和實(shí)際值之間偏差最小，需要對(duì)輸出權(quán)、節(jié)點(diǎn)中心和節(jié)點(diǎn)基寬等參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)整。采用迭代算法，具體表達(dá)式如下：

上述各式中η表示學(xué)習(xí)速率；α表示動(dòng)量因子。

Jacobian矩陣直接反映系統(tǒng)輸出對(duì)輸入變化的靈敏度，如果RBF網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器能夠很好地逼近被控對(duì)象，那么被控對(duì)象輸出y就可以用辨識(shí)器輸出ym近似代替，即：

PID控制器參數(shù)Kp、Ki、Kd采用梯度下降法進(jìn)行調(diào)整，即：

式中：ηp表示比例系數(shù)學(xué)習(xí)速率；ηi表示積分系數(shù)學(xué)習(xí)速率；ηd表示微分系數(shù)學(xué)習(xí)速率，其中x(1)、x(2)、x(3)可表示為：

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

烤箱溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，該系統(tǒng)以PIC系列為控制核心；通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)采集烤箱內(nèi)溫度；根據(jù)設(shè)定溫度曲線和RBF-PID溫度控制算法，實(shí)現(xiàn)風(fēng)門(mén)開(kāi)度、風(fēng)機(jī)起停、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)烤箱內(nèi)溫度；如果系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況，例如風(fēng)機(jī)過(guò)載、傳感器故障、干濕球偏溫等，可通過(guò)語(yǔ)音芯片進(jìn)行報(bào)警；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用EEPROM系列，用于保存溫度曲線參數(shù)以及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)；通訊接口選用MAX 485芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，便于同上位機(jī)通訊。

圖3 控制系統(tǒng)

1) 傳感器型號(hào)為DS18B20，實(shí)時(shí)檢測(cè)烤箱頂部和底部溫度并傳送至單片機(jī)。比較實(shí)際溫度和設(shè)定溫度，由溫度控制算法得到相應(yīng)輸出量。通過(guò)調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)和循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、風(fēng)門(mén)開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)干球溫度控制；調(diào)整排濕風(fēng)機(jī)的補(bǔ)風(fēng)門(mén)開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)濕球溫度控制。

2) 補(bǔ)風(fēng)門(mén)是調(diào)節(jié)濕球溫度的關(guān)鍵部件，其操作頻率非常高，不宜使用繼電器進(jìn)行控制。為延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，采用H橋驅(qū)動(dòng)電路，從根本上解決繼電器機(jī)械壽命不足的問(wèn)題。另外，補(bǔ)風(fēng)門(mén)控制電路易受雷擊等瞬時(shí)高壓影響，所以在電路中增加了相關(guān)保護(hù)電路（TVS和電感）。

3) 通訊電路可用于實(shí)現(xiàn)控制器和監(jiān)控中心之間的雙向通訊。基于MODBUS通訊協(xié)議，利用MAX 485芯片組成RS-485總線通訊網(wǎng)絡(luò)。

3 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證所述溫度控制系統(tǒng)的可行性和有效性，文中進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。選擇某型號(hào)烤箱為試驗(yàn)平臺(tái)，烤箱尺寸為7 m×3 m×2.5 m。分別采用兩種方法進(jìn)行烤箱溫度控制，即常規(guī)PID控制和RBF-PID控制。試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)定溫度65 ℃，實(shí)時(shí)檢測(cè)烤箱內(nèi)部溫度并記錄、對(duì)比。部分試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：采用常規(guī)PID控制算法，烤箱溫度波動(dòng)比較大，溫度偏差絕對(duì)值最大為3.5℃，偏差絕對(duì)值平均值約為1.99 ℃。采用所述RBF-PID控制算法，烤箱溫度波動(dòng)明顯變小，溫度偏差絕對(duì)值最大只有0.8 ℃，偏差絕對(duì)值平均值約為0.36 ℃。試驗(yàn)結(jié)果表明：所述方法溫度控制效果比較理想，能夠明顯提高溫度控制精度。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

以食品加工過(guò)程溫度控制為研究對(duì)象，為解決溫度控制過(guò)程存在的非線性問(wèn)題，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID算法設(shè)計(jì)了一種溫度控制算法。為提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的運(yùn)算效率，引入了徑向基函數(shù)?；赑IC單片機(jī)設(shè)計(jì)了烤箱溫度控制系統(tǒng)。最后，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，所述方法的溫度控制效果比較理想，可明顯提高溫度控制精度。食品加工智能恒溫控制系統(tǒng)具有一定的推廣價(jià)值。