烟叶烤房(6页).doc

-烟叶烤房-第 5 页基于PLC烟叶智能烤房温湿度模糊控制的研究袁泉（贵州大学 机械工程学院， 贵阳 550003）摘要：设计了一种基于PLC的烟叶烤房温湿度模糊控制器，该模糊控制器不像传统的PID控制需要精确的被控对象数学模型。而是通过已编好的程序实现自动控制，该控制方案不仅可以较好的适应被控对象的参数变化，而且大大提高了烤房温湿度的控制精度和动态性能。较好的满足了控制要求英文摘要。关键词： 模糊控制 PLC 温湿度 中图分类号: 文献标识码: 文章编号：0 引言烟叶烘烤技术是建设发展现代化烟草农业的核心环节，也是保证烟叶质量形成的关键。在烟叶生产过程当中，传统烘烤过程一般需要长达十几个小时，完全由人工控制烤房燃烧室的火候，并实时监测烤房温度湿度的变化，因此烟叶烘烤的劳动强度和技术难度都比较大。而且烤房内温湿度得不到精确的控制，导致了烤出来的烟叶利用效率较低。随着烟叶烘烤技术的发展，控制系统开始逐步的向智能化发展，对于烘烤的控制，早期使用传统PID的控制,但是温度和湿度的控制具有较强的惰性，响应速度较慢，同时容易出现超调现象，控制精度并不理想，无法解决烘烤系统的时变性和温湿度互相耦合的问题，此外这些系统在自动化程度方面也不完善，并没有考虑到我国烟农和司炉员的普遍文化程度不高的问题，而现有的烤房自动化控制设备大都操作步骤比较繁琐，基于PLC的控制系统能较好的实现设备的一键式操作，操作面板标注清晰、简单。并且能实现手动和自动操作相结合，充分尊重烟农的使用习惯，提高使用的便利度。1烘烤工艺烟叶的烘烤采用现在普遍流行的三段式烘烤。该技术简单便利，可操作性强，能有效的保证烟叶的烘烤质量，美国、日本、巴西等国家普遍采用这一技术。整个过程分为3个阶段，第一阶段为变色期，第二阶段为定色期，第三阶段为烘干期，该工艺曲线如图1所示。图1 三段式烘烤工艺曲线图黑体小5号字2 温度与湿度的控制该模糊控制系统是一个多输入多输出的控制系统，需要同时监测温度和湿度，但是这两者之间又不是互相独立的，而是存在强耦合的作用。在升温过程中，烟叶受热失水，使得烤房内的相对湿度增大，在排湿过程中,需要启动排湿风机，从而引入外部的冷空气，对烤房内的温度产生影响。这一特点决定了温湿度控制要获得较高的精度有一定的困难。该控制系统的输入变量有烤房内温度、湿度偏差，及温度和湿度的变化率。输出变量有温度控制量和湿度控制量。它们分别对应鼓风机转速、风门开合大小、排气扇转速以及推煤机转速等。为了获得较高的控制精度，本模糊控制器采用现在比较流行的模糊PID控制系统。3 模糊控制器的设计模糊控制的基本思想是基于总结操作者对于控制过程所进行的操作经验、或归纳设计者对被控过程所认识的模糊信息的基础上，运用计算机以模糊性控制规则的方式实现人的控制经验。模糊控制器主要包含三个功能环节：用于输入信号处理的模糊量化和模糊化环节，模糊控制算法功能单元，以及用于输出解模糊化的模糊判决环节。1） 确定模糊控制器的输入输出变量，并进行量程转换。本控制系统采用四输入六输出的系统，选择烤房内温度和湿度的偏差绝对值|E1|、|E2|和烤房内温度及湿度偏差的绝对值的变化率|EC1|、|EC2|作为模糊控制器的输入量。选择PID控制的Kp1，Kp2，Ki1，Ki2，Kd1，Kd2作为控制器的输出量。2）确定各变量的模糊语言取值及相应的隶属函数。根据烟叶的生产工艺要求来设定温湿度的空两格|Ex|、|ECx|和PID控制器Kpx，Kix，Kdx的模糊控制论域。为了在PLC中处理和实现的方便，隶属函数均采用三角函数。涉及模糊偏差|Ex|、|ECx|和Kpx，Kix，Kdx的论域所对应的模糊语言变量的隶属函数如图下： 图2 四输入六输出温湿度模糊控制原理图黑体小5号字 根据不同的偏差E和偏差的变化率EC作用下，PID参数Kp、Ki和Kd的模糊自整定方法可总结出以下规律：1)当误差E较大时，为加快系统的响应速度，应取较大的Kp；同时为了避免系统在初始时，由于误差的瞬时增大可能出现的微分饱和而使控制作用超出允许的范围，此时，应取较小的Kd。同时，为了防止系统响应出现较大的超调，产生积分饱和，对积分作用应加以限制，所以，此时应取Ki=0；2) 当误差E适中时，为使系统具有较小的超调，应取稍小的Kp；此时Kd的取值对系统的影响较大，所以Kd的值要大小适中，以保证系统的响应速度。同时，可增加一些积分对控制的作用，Ki太大，易造成积分饱和，太小不能加快系统响应速度，所以 ，取值要适当。3)当误差E较小时，为使系统具有良好的稳态性能，应取较大的Kp、Ki；同时为避免系统在设定值附近产生振荡，Kd值的选择非常重要。一般情况下：当E较小时，Kd可取大些，当E变大时，Kd可取小些。 由以上分析和语言变量的定义，我们可以总结出Kp、Ki、Kd的自整定规则，分别如表1，表2所示。EC1 Kp1 Ki1 Kd1 KDE1NBNMNSZOPSPMPBNBNB/PB/PSNB/PB/NSNM/PM/NBNM/PM/NBNS/PS/NBZO/ZO/NMZO/ZO/PSNMNB/PB/PSNB/PB/NSNM/PM/NBNS/PS/NMNS/PS/NMZO/ZO/NSZO/NS/ZONSNB/PM/ZONM/PM/NSNS/PM/NBNS/PM/NMZO/ZO/NSPS/NS/NSPS/NS/ZOZONM/PM/ZONM/PM/NSNS/PS/NSZO/ZO/NSPS/NS/NSPM/NM/NSPM/NM/ZOPSNM/PS/ZONS/PS/ZOZO/ZO/ZOPS/NS/ZOPS/NS/ZOPM/NM/ZOPB/NM/ZOPMZO/PS/PBZO/ZO/NSPS/NS/PSPS/NM/PSPM/NM/PSPB/NM/PSPB/NB/PBPBZO/ZO/PBZO/ZO/PMPS/NM/PMPM/NM/PMPM/NM/PSPB/NB/PSPB/NB/PB表1 Kp1,Ki1,Kd1调整规则表表题应在表上方，黑体小5号字 EC2 Kp2 Ki2 Kd2 KDE2NBNMNSZOPSPMPBNBNB/PB/PSNB/PB/NSNM/PM/NBNM/PM/NBNS/PS/NBZO/ZO/NMZO/ZO/PSNMNB/PB/PSNB/PB/NSNM/PM/NBNS/PS/NMNS/PS/NMZO/ZO/NSZO/NS/ZONSNB/PM/ZONM/PM/NSNS/PM/NBNS/PM/NMZO/ZO/NSPS/NS/NSPS/NS/ZOZONM/PM/ZONM/PM/NSNS/PS/NSZO/ZO/NSPS/NS/NSPM/NM/NSPM/NM/ZOPSNM/PS/ZONS/PS/ZOZO/ZO/ZOPS/NS/ZOPS/NS/ZOPM/NM/ZOPB/NM/ZOPMZO/PS/PBZO/ZO/NSPS/NS/PSPS/NM/PSPM/NM/PSPB/NM/PSPB/NB/PBPBZO/ZO/PBZO/ZO/PMPS/NM/PMPM/NM/PMPM/NM/PSPB/NB/PSPB/NB/PB 表2 Kp2,Ki2,Kd2调整规则表根据以上调整规则，可得到PID参数的修正量，代入如下自调整算式中得出新的PID参数：居中式中： 、 为采用常规整定方法得到的预定值。4 方案实施通过模糊推理推导出 、 的模糊查询表,将得到的表格存入plc的模糊控制函数块，选取适当的Kp，Ki，Kd初始值，根据设计的控制程序循环调用模糊控制函数块来实现温湿度的自动控制。程序原理图如下： 图3 温湿度控制程序原理图5 结束语本文介绍了基于PLC的烤房温湿度模糊控制系统设计的基本方法，并介绍了模糊PID控制设计的方法，采用PLC控制系统，利用程序内部软触点代替以前的机械触点，提高了使用寿命和开关速度，且配合触摸屏的使用，安装调试十分方便，简化了现场操作，提高了控制程序和人机界面的灵活性，使系统更加安全可靠。使用该系统有以下优点1. 控制精度高，响应速度快，超调量小。2. 操作简单，调节简便，实现人机对话，上手容易。3. 由于采用PLC和触摸屏，故障率低，界面友好，运行可靠性较高增加参考文献。