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一种使用模糊混合PID控制器蒸汽加热干燥器
简介
这篇文章介绍了一种使用智能控制系统的干燥器的应用。它基于模糊集合论和总所周知的PID控制理论。这种混合模糊PID控制器是为了工业蒸汽加热烘干进程而设计的。干燥器是为了保持输出的烟草含水量在一定的数值便于之后的混合进程。这个我们研究的控制问题的难点是明显的死区时间，不仅时间是变化的，也是非线性的。这个控制器也是Omron软件上的一个应用。
- 介绍
这篇文章展示了一个融合了经典PID理论和模糊控制的控制器，克服了非线性和广含了死区时间未知量。PID广泛运用于工业过程。它运用了调优技术和经验控制器，虽然使用了传统的控制器但是也能对非线性和变体时间变量产生满意的性能。然而，以知识为基础的方法也是很有前途的。在早期，Mamdani设计出了第一个模糊控制实验蒸汽引擎。这也是被越来越多近期应用所模仿的成功的工业自动控制应用，例如Anti Sway控制等。模糊PD控制器在很多控制问题里面也是很有效的。然而，混合PID控制器也应有模糊PI控制器和PD模糊控制器的属性，同时避免了PID参数的协调的问题。这里论述了考虑混合结构的模糊控制器的干燥机。这是基于Omron的一个软件上实现的。
- 设备和过程
2.1设备
被控对象是一个蒸汽加热干燥器。它的目的是降低产品水分含量至一个期望值，为进一步处理做准备。对象由一个焊接的底盘支撑着一个安装在两对支撑滚轮的汽缸组成。驱动电机、加热器和相关管道工程和管道连接到底盘上。汽缸的两端包含进料口，卸料口，蒸汽循环管道和空气循环管道。产品由传送带分别送入和送出汽缸。输入端，汽缸向下倾斜。它由四个自主运行的安装滚轮的底盘支持。两个集合管固定在气缸的外围，一个在输入端一个在输出端。蒸汽由一个旋转接头输入然后通过气管分散开来送入汽缸。冷凝部分由输出端导管送回输入前端的旋转接头部分。
为了协助干燥的过程，热空气与产品气流相反的方向吹入汽缸。这些空气通过离心机抽取大气中空气，通过一个加热电池，再通过卸料口，这些气体在回馈端耗尽。
2.2控制问题
输入的烟草水含量一般是百分之31到35，控制器目标是通过干燥器后输出烟草保持水分含量为设定值的正负百分之0.5.这种设定值是为了后续的操作为设定的，设定值一般是百分之12到14。
我们研究的控制问题是因为显著的死区时间，非线性和操作时间未知量而十分困难。汽缸大概有5米长，产品由输入端传送到出口大概需要5分钟时间。这就是一个显著的运输时间的延迟。输入的烟草因水分含量的不同将他们分类。空气湿度是依赖时间和天气的，也影响着输入烟草的水分含量。在空气上损失的热量很大程度依赖于烟草的湿度等级和环境条件以及干燥器的负荷，这些就使过程很大程度非线性和时间变化。
产品水分含量的测量是使用安装在输入输出传送带几米外的红外线装置达成的。红外线测得的信息被用来控制器的输入。蒸汽的流量使用工业等比例阀门控制的。控制器里的动作信号会控制开启阀门的开关与大小。
- 模糊PID系统
3.1PID控制算法
基于闭环的误差e
(1)
其中是水分含量，是参考设定值，那么e是闭环误差；
PID控制算法是：
(2)
其中分别是控制器的比例增益，微分增益和积分增益，是控制输出， 是误差的变化率，是误差积分。
如果换成模糊集，PID算法转换成模糊蕴含算子如下：
R：如果E那么如果C那么如果S那么U （3）
这里E是误差的模糊集，C是误差变化的模糊集，S是误差积分的模糊集，U是输出的模糊集。
假设E,C,S各有7个模糊集合，那么这个蕴含需要巨大的数量的规则去实现它。对于本次设计的应用，建议是使用PD PD的结构，它的控制算法可以陈述为：
Rd：假设E那么假设C那么（4）
Ri：假设E那么假设S那么（5）
其中模糊集和是模糊PD和PI各自的控制输出。
3.2控制器的结构
图1表示的是控制系统的方块图。湿度前馈控制系统为模糊PID控制器提供了一个合适的给定。这个给定值作为第一次估计的输出稳态值。积分作用修正稳态点直至需要的性能。PD部分确保了系统在开始，结束，干扰下的相应也满足性能要求。我们从图2看到，模糊PID控制系统的结构是由一个平行的PI/PD系统。输出是两个系统的输出之和。
PID的控制动作被分作两个独立的动作：PD控制是作为粗调的快速相应，PI控制是细调并消除了稳态的误差。图3.1和3.2以及3.3展示了误差，误差变化率，误差积分模糊集的各自的均等分布的三角函数（对应关系）。误差集的正常工作范围是百分之13.5到14.5的湿度，又附加了一个干扰的范围，当一定的操作进行的时候。仅仅当开始，突然停止，还有大扰动的条件下，这个干扰范围才生效（此时输入量大量的变化）。误差变化模糊集的范围是每50个采样有正负百分之0.3，这是正常误差变化率的最大值。理想的来说，误差变化率的值是十分小的，除非特殊的条件达到了满足。误差积分模糊集是正负百分之9的范围，它代表着积分作用完全饱和的情况。一般来说，误差积分不会饱和，而是保持输出值稳定在需要的参考值。
图4.1和4.2表示和模糊集各自对应的输出集。输出集覆盖几乎全部行程操作区域的电压控制阀门。
3.3模糊规则
PD和PI控制器的模糊规则各自描述为表1和表2的矩阵。每个有49个对应规则。符号NL表述反向的大，NM表示反向的中等，NS表示反向的小，ZE表示0，PS表示正向的小，PM表示正向的中等，PL表示正向的大。这些语言标号伴随函数如图三和图四表示。
3.4控制器运作情况
最开始，输入的烟草一被检测到，控制器会打开阀门去加热干燥器。加热时间设定在2分钟，这些所需的蒸汽为干燥器的正常运行做预热处理。然而，蒸汽流的数量大小是由前馈控制器计算得出，这个也是依赖于输入烟草的水分含量的。当烟草开始进入干燥器，它的数量是开始很少的，之后慢慢增加。蒸汽的流量也要随着烟草的流量增加而慢慢增多。这将大量的减少干燥的输出的烟草量。
当输出的烟草水分含量接近于设定值时，模糊PD控制器会转换到动作模式，这将保持在规格内的输出水分含量，为了消除可能存在的静态误差，积分控制器部分组件会开启。模糊PID控制器会控制总的进程，来保持水分含量达到要求。
我们可以最早知道进程的结束是由于烟草输入的停止。从数据的分析来讲，最好的方式是完全关闭电动阀门。然而这也会依旧残留些少量的十分干燥的烟草。
- 结果
图5.1和5.2表明了两批烟草经历了这个过程。稳态操作符合标准设定值。控制器可以控制水分含量在百分之13到14的要求，如图5.1所示。同时输入水分含量大约是百分之34。我们也能看到它在突然启动和突然停止的不错的表现。在图5.2a里面，在阶跃的时候水分含量上升到设定值百分之14之后有一定的上升，输出的烟草成分水分含量刚刚多于百分之14。在图5.2b中，小幅度的超调表示控制动作刚刚好能够达到设定值。这就是最小的干燥的烟草体积。同样的突然减小的过程也会有输出量的一个超调，在它减少到0之前。这就是最小的过湿烟草的数量。这是为了抵消过干燥的烟草的少量的批处理。
- 结论
模糊逻辑混合PID控制器是为了工业应用而设计和实现的。这个工业对象是一个蒸汽加热干燥器，它保持了输出产品保持在一定的湿度等级。它是个非线性系统，时间变化的过程并有显著的延迟。模糊控制器，模仿了传统的PID控制算法，结构是并行配置的，实现了输出水分含量在特定的设定输出值。
基于PLC的精确调节控制植物水分和养分的系统的设计
摘要
在植物生态公园中，土壤中的水分和钾的浓度被基于SIMATIC s7-300PLC的控制器精确控制。控制系统硬件是PLC已经设定好了，同时，使用的控制算法对水分和钾浓度进行了分析，控制系统的软件设计也完成了。最后，控制系统被证明是有实用性和优越性通过比较两个地块马铃薯产量的数量和质量得出。其中一个是被设计好的控制器控制，另一个是自然生长。
水和营养是确保植物的正常生长和发育的必要条件,控制水和肥料准确灌溉植物和保持最佳植物生长的需求，它不仅帮助节约水资源也增大肥料利用率，同时也帮助植物生长的更多数量和更好的质量。现代农业节水灌溉技术提供了精确灌溉水和肥料的条件，同时，在节水灌溉自动控制技术提供了实现选择控制水和肥料的保证。农业在发达国家如美国、以色列、荷兰、加拿大、澳大利亚已经开发出一系列多种多样，强大的肥料灌溉控制器。我们的灌溉控制系统发展的认知仍在发展阶段，与先进国家还有很大的差距。水资源缺乏的国家，发展节水灌溉控制系统适合中国土壤属性，具有自主知识产权的控制系统不仅可以解决水资源短缺的情况，同时也能有很好的社会和经济效益。针对这一点,本文开发了一套针对调节植物水分，养分含量自动灌溉系统控制器。控制系统的核心是西门子公司创造的S7-300PLC。测量土壤水分含量和氮(N)、磷(P),钾(K)和其他养分在土壤水分传感器和离子敏感电极和输入系统,使用PID比例积分控制算法去控制系统，出口数字控制信号直接控制打开或关闭水的灌溉系统的电磁阀，实现精确控制水和肥料,以确保植物生长的最佳环境。
- 控制系统的硬件设计
PLC是一种通用的自动控制装置,综合传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术,有控制功能与操作灵活,可靠性高,适合连续长期工作特点。它非常适合高效控制植物生态公园的要求。
控制系统设计主要是由土壤水分传感器，离子浓度敏感电极，传感器，PLC控制器，个人电脑等等。如图1所示。以PC机为主机，根据植物生长对水和肥料的需求,系统可以实现参数设置、数据通信、存储、实时显示。以PLC为从属计算机实现变量检测、数据处理和判断,比率和实施根据植物生长控制曲线的滴灌营养液曲线(肥料),与主机通信的实现。
下位机，本次论文选择的是SIMATIC S7-300系列的PLC控制核，模块化结构的设计,每个独立模块可广泛组合和扩展。根据控制要求,可以得到控制系统的硬件结构（如表格1）.因为很多因素影响着植物生长（如温度，湿度，养分等），系统是多输入多输出，非线性控制，时间延迟是很大的变量。两种对植物生长的影响实验中选择的最重要因素（水分含量和肥料）来调理，控制变量是土壤湿度和钾离子的含量。这两个信号通过相应的湿度传感器以及对离子敏感电极输入到PLC A / D模块。土壤湿度传感器输出4到20毫安电流，直接访问PLC模拟输入模块SM331，输出的钾离子敏感选择是十分虚弱的。只有在信号转换完成后，它可以访问SM331模块，数字量控制信号输出控制系统直接驱动灌溉电磁阀动作，没有其他中间级的连接。
- 控制系统的软件设计
2.1控制算法的研究
- 积分分离控制
因为本文的控制变量具有特殊性，典型的PID控制算法很难达到更好的控制效果，所以，本文采用积分分离控制算法(P-PI),以湿度PWM自动控制以及K浓度为补充。
积分分离控制的主要目的是为了防止在很短的时间内如对象开始,结束或显著改变初始值产生大偏差,也大量过度产生的累积积分。针对这点，设置两个阈值ε1和ε2大于0，当偏差的绝对值是ε1＜＜ε2，控制积分的一部分，当偏差绝对值小于ε1，全部带入积分部分，当偏差绝对值大于ε2时，取消掉积分部分，因此它可以实现积分分离控制。算法如下等式（1）。
（1）
使用积分分离控制超调较小调节时间短。因为传统的PID控制早期积分累积作用是太多了，导致过度和消除残余的漫长的过程,然而,积分作用分离完全应用于消除残余的特点。
选择的设计具有以下属性的函数来代替原来的设定，其优点如下:1连续2函数很简单,并且包含可调参数有明确的意义,简单的设置,可大幅调整。这可以使PID结构的充分利用,结构变化是连续下滑。
- PWM控制
在本文的系统设计,输出控制作用于喷水电磁阀通过固态继电器,控制部分采用PWM功率(压力)或脉宽调制,控制电源通过控制交流电的一段时间。该系统实现了PWM功能通过控制固态继电器的连接时间控制周期,控制直流侧输入直接PWM控制脉冲波，外汇管制与交流电源输出端连接,交流电路开关PWM波控制，PWM控制方式如图2所示的输出。通过调整的时间,它可以调节系统的一个控制周期。
2.2控制系统软件部分和控制流
根据上述控制算法,利用Step7软件编写和调试控制程序，Step7软件为用户提供了一个结构化的程序设计，用户程序由启动项目,主程序和中断响应过程为各种不同的模块,操作系统建立了这些模块的框架,用户需要做的是控制系统的控制任务的具体要求,层次划分控制任务,程序每一个模块化的程序,然后调用这些模块在用户的主程序。
模块化的编程功能使系统易于管理,和更方便的功能扩张。基于系统功能的划分,控制任务分为不同的功能模块。模块是被称为通过系统的运行状态和控制指令。
考虑到植物增长过程中对周围的土壤和空气湿度有一定影响，根据模块化的软件设计思想,这种控制系统软件的主程序模块主要包括信号收集过滤模块,现场信号的真实价值计算模块,传感器校准模块,自动控制模块,系统输出模块。根据控制算法,控制系统软件流程图的土壤水分的植物生态公园可以
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