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    作者：張毅              

    PID控制是過(guò)程控制中一種傳統(tǒng)的、應(yīng)用廣泛的控制規(guī)律，能有效控制線性定常系統(tǒng)，具有算法簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。但難以有效控制像套管式殺菌這樣具有非線性、時(shí)滯等特點(diǎn)的復(fù)雜過(guò)程。故擬采用模糊自適應(yīng)PID控制器對(duì)殺菌過(guò)程進(jìn)行控制。模糊控制對(duì)于機(jī)理復(fù)雜、動(dòng)態(tài)特性不易被掌握的對(duì)象來(lái)說(shuō)非常適用。為解決番茄醬生產(chǎn)過(guò)程中

的套管式殺菌器的殺菌溫度控制問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊自適應(yīng)PID控制器，使得番茄醬進(jìn)入滅菌器后能快速達(dá)到設(shè)定滅菌溫度（約106℃），以取得理想的滅菌效果。

1  套管式殺菌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工藝介紹

    圖1所示為套管式殺菌器殺菌工藝流程圖，其工作原理是通過(guò)管中旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的番茄醬與內(nèi)外夾套里的過(guò)熱水進(jìn)行熱交換，使醬體迅速提高至設(shè)定溫度以有效殺滅番茄醬中的細(xì)菌、霉菌等微生物。

    套管分為三段：殺菌段、冷卻段和保溫段。在殺菌段醬體的溫度會(huì)被迅速提高至設(shè)定溫度，以殺滅霉菌、細(xì)菌、酵母菌等微生物；冷卻段是把殺菌后的醬體迅速冷卻，以避免醬體的新鮮度和色澤受到長(zhǎng)時(shí)高溫的影響；保溫段用來(lái)保持醬體溫度，為灌裝作好準(zhǔn)備。殺菌段的殺菌溫度是控制的關(guān)鍵點(diǎn)，若殺菌溫度過(guò)低，醬體將由于細(xì)菌、霉菌、酵母菌等微生物未得到有效殺滅而易于變質(zhì)；而殺菌溫度過(guò)高、受熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)雖然可徹底殺滅細(xì)菌、霉菌等微生物，但由于番茄紅素是熱敏性物質(zhì)，長(zhǎng)時(shí)間受熱或者殺菌溫度過(guò)高時(shí)會(huì)發(fā)生氧化分解和異構(gòu)化，使番茄醬色澤變暗且新鮮度降低，營(yíng)養(yǎng)成分遭受破壞。綜上所述不難看出控制加熱溫度和時(shí)長(zhǎng)對(duì)于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)番茄醬具有重要的意義。

為初始設(shè)定的PID參數(shù)。圖2所示為模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

    根據(jù)系統(tǒng)特性和經(jīng)驗(yàn)，可以推出模糊控制規(guī)則表，如表1所示。模糊控制規(guī)則數(shù)的確定需要一定的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)多次的仿真和試驗(yàn)才能確定效果較好的控制規(guī)則。在設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程中，可不斷的修改規(guī)則，甚至對(duì)規(guī)則數(shù)進(jìn)行增．減。由于規(guī)則數(shù)的變化會(huì)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性產(chǎn)生影響，所以應(yīng)根據(jù)具體的工藝要求和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則表。最后選用加權(quán)平均法為解模糊方法。如圖4所示為的輸出曲面圖。

3 PLC程序?qū)崿F(xiàn)

    將模糊控制算法在PLC控制器中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通過(guò)MATLAB離線計(jì)算參數(shù)，在STEP7中建立在線參數(shù)查詢表，這樣可以大大加快系統(tǒng)的計(jì)算速度。圖6所示為模糊PID控制流程圖。

    采用Matlab的模糊工具箱進(jìn)行仿真和計(jì)算，離線求出每一對(duì)模糊論域(E，DE)上所對(duì)應(yīng)的的值。在模糊控制算法中，模糊控制量表的查詢是關(guān)鍵，采用基址+變址的尋址方式將表中的PID控制結(jié)果按從上到下，從左到右的順序填人PLC的數(shù)據(jù)寄存區(qū)DB1.0~DB1.672，DB2.0~DB2.672和DB3.O～DB3.672中。為便于尋址查詢，將模糊論域的元素{-6，-5，-4，…，0，…，4，5，6}轉(zhuǎn)換為{0，1，2，3，…，6，…，10，11，12}�？刂屏康幕�址為0，其偏移地址為O+EcX13+E。由模擬量采集模塊采集溫度，用功能FB41計(jì)算出溫度偏差e，通過(guò)FC1編寫程序計(jì)算出溫度偏差de，并將e和de模糊化，存放在背景數(shù)據(jù)塊中。通過(guò)FC2對(duì)表進(jìn)行查詢得到模糊控制量，并將相應(yīng)的PID控制參數(shù)送人PID運(yùn)算功能塊進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)調(diào)用FC105和FC106模塊實(shí)現(xiàn)模擬量輸入輸出的處理。PID三個(gè)參數(shù)的尋址完成后，可得到精確的控制量，將得到的控制參數(shù)送人PQW258，來(lái)控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，通過(guò)控制蒸汽量來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)熱水的溫度，使殺菌溫度快速準(zhǔn)確的達(dá)到設(shè)定值。

4模糊自適應(yīng)PID控制與傳統(tǒng)PID控制的跟隨性及抗擾性比較

    采用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法確定PID控制器的初始參數(shù)及模型參數(shù)。對(duì)系統(tǒng)施加階躍信號(hào)，令Kp=1，測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)響應(yīng)曲線，絕大多數(shù)系統(tǒng)，尤其是溫度控制系統(tǒng)，其開(kāi)環(huán)響應(yīng)曲線如圖7所示。

    由圖8~圖10可知，若確定好參數(shù)，傳統(tǒng)PID控制也可以獲得較好的效果，但在慣性滯后系統(tǒng)中不易獲得，模糊PID控制可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)PID控制的缺陷，在超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間上可以獲得比傳統(tǒng)PID控制更好的效果。番茄醬殺菌工藝要求在醬體進(jìn)入殺菌器6s時(shí)，迅速將其加熱至106℃。由圖可知傳統(tǒng)PID控制番茄醬殺菌系統(tǒng)將醬體從90℃加熱至106℃所需時(shí)間超過(guò)工藝要求時(shí)間，而采用模糊自適應(yīng)PID控制所需時(shí)間為Ss左右，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間減小，且超調(diào)量減小了10%。同時(shí)可以看出，量化因子對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量有很大調(diào)節(jié)作用。

系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)遇到一些干擾，如加熱蒸汽溫度偏離設(shè)定值、進(jìn)料溫度或濃度變化等，都會(huì)對(duì)殺菌溫度產(chǎn)生直接影響。如圖11中在100 s時(shí)在控制器和被控制對(duì)象之間給系統(tǒng)加一個(gè)幅值為3、持續(xù)時(shí)間為2s的階躍擾動(dòng)，從圖11和圖12中可以看出，模糊PID控制比傳統(tǒng)的PID控制具有更小的動(dòng)態(tài)（負(fù)）降落和恢復(fù)時(shí)間，即當(dāng)實(shí)際溫度偏離設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)可更快恢復(fù)。

5結(jié)論

將PID控制與模糊控制相結(jié)合，在S7-300PLC中實(shí)現(xiàn)控制算法，通過(guò)上位機(jī)用WinCC進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以方便的修訂量化因子和比例因子，提高了系統(tǒng)的智能化程度。與常規(guī)的PID控制相比，模糊PID控制有效克服了慣性和滯后等不利因素在溫度控制過(guò)程中所產(chǎn)生的不良影響，使系統(tǒng)的魯棒性及動(dòng)態(tài)性能得到了一定的改善。

6摘要

針對(duì)番茄醬生產(chǎn)過(guò)程中的套管式殺菌器的殺菌溫度控制問(wèn)題，將模糊算法與PID控制器相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了基于西門子S7-300PLC的番茄醬套管式殺菌溫度控制系統(tǒng)。在S7- 300PLC中實(shí)現(xiàn)了模糊自適應(yīng)PID控制，并利用Matlab進(jìn)行真研究，結(jié)果表明該控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，且抗干擾能力強(qiáng)，能滿足工藝要求。