沈艷河，王繼先

1. 黃河水利職業(yè)技術(shù)學院（開封 475004）；2. 河南化工技師學院（開封 475004）

熱風烘干機是將具有一定溫度和濕度的熱空氣通入待干燥的食品，通過熱封加熱使得食品內(nèi)部的水分去除，該款設(shè)備在食品水分風干中被大量使用[1-2]。隨著計算機技術(shù)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，食品加工企業(yè)對于熱風烘干機的自動化程度要求越來越高，各大院校以及科研機構(gòu)正在研究與熱風烘干機相配套的自動控制系統(tǒng)，將先進的電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及智能控制技術(shù)應(yīng)用于熱風烘干機的設(shè)計、分析和控制等過程中，可以大大提高食品風干的自動化水平[3-4]?？删幊炭刂萍夹g(shù)（PLC）因其穩(wěn)定性高、可編程性強、擴展能力強等特點，在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[5-6]。為了提高熱風烘干機穩(wěn)定性，降低控制系統(tǒng)硬件成本，縮短控制系統(tǒng)開發(fā)周期，設(shè)計了一款基于PLC的熱風烘干機控制系統(tǒng)。

熱風烘干機中熱風溫度和濕度是熱風烘干機中非常重要的兩個參數(shù)，直接影響風干食品的品質(zhì)，因此為了保證食品品質(zhì)需要將熱風中的溫度和濕度控制在一個合理的范圍之中。為了精確控制熱風機的溫度和濕度，目前采用PID控制器進行控制，PID控制雖然結(jié)構(gòu)簡單，但由于參數(shù)固定不變，使得控制超調(diào)量大，調(diào)節(jié)能力弱，且較為依賴被控對象的數(shù)學模型。而熱風烘干機系統(tǒng)通常是一個非線性、時變性、大滯后的復雜系統(tǒng)，建立精確的數(shù)學模型較為困難，傳統(tǒng)PID控制方法控制效果并不理想。

為了解決上述問題，通常需要采用智能控制算法與PID算法相結(jié)合的形式，模糊控制方法簡化了系統(tǒng)設(shè)計的復雜性，特別適用于非線性、時變、滯后、模型不完全系統(tǒng)的控制[7]。模糊控制是一種非線性控制器，具有較佳的魯棒性適應(yīng)性及較佳的容錯性[8]?；诖?，試驗設(shè)計了一種基于PLC的食品烘干機溫度模糊PID控制方法，利用模糊控制實現(xiàn)PID參數(shù)的在線自我調(diào)整，從而提高控制器的魯棒性。

1 熱風烘干機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 熱風烘干機結(jié)構(gòu)

食品熱風烘干機主要由熱風爐、傳送裝置、提升裝置以及烘干主機等構(gòu)成。熱風爐主要由送風機、點火點火變壓器、輔助點火電磁閥和主電磁閥等組成。烘干機在啟動時，首先啟動送風機將主干道中的燃氣進行吹掃，放置在點火初期發(fā)生爆炸，然后輔助點火電磁閥工作，可燃氣體通過管道被傳送到點火變壓器位置，由點火變壓器實現(xiàn)可燃氣體點火，點火成功后打開主電磁閥開始大火燃燒，輔助點火電磁閥關(guān)閉，

引風機將熱風吹入烘干倉中，而熱風溫度由燃料步進電機的開度進行控制。傳送機構(gòu)主要由提升機、上絞龍機以及下絞龍機等組成。絞龍機均由電機進行拖動。食品熱烘干機結(jié)構(gòu)如圖1所示[9]。

圖1 食品烘干機結(jié)構(gòu)

1.2 工藝流程

食品熱風烘干機采用熱風溫度通常為70～80 ℃進行谷物烘干，其主要過程為：食品經(jīng)過送料斗進入到提升機中，并通過濕度檢測傳感器檢測水分是否達標。如果食品水分超標則經(jīng)過上絞龍、下料室、干燥倉進行烘干處理，再經(jīng)排料輪和上絞龍返回提升機。經(jīng)過烘干后的食品再由傳感器檢測是否達到要求，如果達到要求則經(jīng)排料管輸出，并進行包裝處理；如果不達標則需要進一次進行循環(huán)烘干。烘干流程如圖2所示。

圖2 烘干流程

2 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

選擇松下AFPX-C60R系列PLC，該款PLC總共有32個輸入、30個輸出。絕緣方式為光電耦合絕緣，額定輸入電壓為24 V DC，允許使用的電壓范圍為21.6～26.4 V DC，繼電器響應(yīng)時間在0.6 ms以下。可使用USB電纜與計算機進行直接連接，不需要USB?RS232C適配器/電纜，同時還裝載了以往的編程口RS232C。利用主機上的標準編程口（RS232C），可以與顯示面板或計算機通信。另外，還備有具備RS232C、RS485及Ethernet端口的通信插卡選件。在FP-X上安裝RS232C 2通道型通信插卡后，可以連接2臺RS232C設(shè)備。另外還配備了1 ：N通信（最多99臺）、PC（PLC）之間鏈接（最多16臺）等豐富的通信功能。其中AFPX-C60R外部接線如圖3所示。

圖3 PLC外部接線圖

經(jīng)過對烘干機工藝以及工作流程進行分析，并統(tǒng)計烘干機中的輸入和輸出點，該系統(tǒng)有輸入、輸出點各14個，模擬量輸入為3個點。熱風烘干機輸入、輸出點數(shù)以及模擬量輸入如表1所示。

3 模糊PID控制

3.1 傳統(tǒng)PID控制

傳統(tǒng)PID控制因其結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)、穩(wěn)定性高，在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。PID中比例-積分-微分三個參數(shù)固定不變，從而導致該算法具有一定的局限性。PID控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

通過人機觸摸屏先設(shè)定熱風溫度目標值r(t)，通過熱風溫度傳感器采集到熱風實際溫度y(t)，則二者差值e(t)為：

傳統(tǒng)PID模型可表示為：

式中：kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。

PID控制算法中通常需要將式（2）進行離散，PID離散數(shù)學模型為[7-9]：

表1 PLC輸入輸出

圖4 傳統(tǒng)PID控制器結(jié)構(gòu)

3.2 模糊PID控制

傳統(tǒng)PID控制由于參數(shù)固定不變，而熱烘干機是一個非線性、時變性、大時滯性的復雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID控制器不具有根據(jù)系統(tǒng)變化而自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)的能力，傳統(tǒng)PID控制方法同時也表現(xiàn)出了一定的局限性。模糊控制算法能夠根據(jù)現(xiàn)場工程人員具體經(jīng)驗制定出一定的規(guī)則，通過該規(guī)則對PID參數(shù)進行調(diào)整。為了提高熱風機溫度控制精度，提出了一種基于模糊PID的控制方法。

模糊PID控制器中比例-積分-微分參數(shù)調(diào)整方式為：

式中：Kp、Ki、Kd分別為傳統(tǒng)PID控制器的初始化參數(shù)。ΔKp、ΔKi、ΔKd為由模糊控制理論調(diào)整后的PID參數(shù)的調(diào)整量。

由熱烘干機溫度偏差e(k)和偏差變化率ec，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，通過模糊規(guī)則表格便可查到傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)的調(diào)整量，模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 模糊PID控制器

e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊集合論域為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。其模糊集合為{PM，NM，NS，ZO，PS，PB，PM}。

4 仿真分析

為了驗證模糊PID控制器對于食品熱烘干機溫度控制效果，采用計算機仿真軟件對傳統(tǒng)PID控制器和模糊PID控制器分別進行了溫度控制曲線仿真，通過對比二者的控制效果，以說明模糊PID控制器的優(yōu)勢。仿真曲線如圖6所示。

圖6 仿真曲線

由圖6（a）可知，傳統(tǒng)PID控制方法對于熱風機溫度控制系統(tǒng)調(diào)整力能力較強，在760 s后階躍響應(yīng)函數(shù)超調(diào)量小于2%。但傳統(tǒng)PID控制超調(diào)量較大，系統(tǒng)超調(diào)量約為20%。而圖6（b）中的模糊PID控制中系統(tǒng)在300 s后便趨于穩(wěn)定，其超調(diào)量約為0.5%，超調(diào)量也僅有5%左右。通過對比二者控制下效果可以看出，模糊PID控制器在超調(diào)量、收斂速度方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器，模糊PID控制器能夠顯著提高熱烘干機溫度控制精度，對于提升食品質(zhì)量具有重要意義。

5 結(jié)語

為了提高食品熱風烘干機溫度控制精度、提升烘干食品品質(zhì)，設(shè)計了一款基于PLC的食品烘干機控制系統(tǒng)。詳細介紹了以松下PLC AFPX-C60R CPU為核心的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，為了克服傳統(tǒng)PID控制方法自適應(yīng)能力差、超調(diào)量大等缺陷，將模糊控制理論引入到了PID控制器中，形成了一種智能模糊PID溫度控制方法。仿真結(jié)果表明，模糊PID控制器能夠顯著提高熱風溫度控制精度，具有較強的自適應(yīng)能力，對于提升食品熱烘干機溫度具有重要作用。