（机械电子工程专业论文）基于模糊pid的烟叶烤房控制系统设计.pdf

摘要 摘要 烟叶烘烤是按照一定的烘烤工艺控制烤房内的温度和湿度条件，使烟叶受 热失水，并在烟叶内部发生一系列的生理和生化反应，最终获得具有一定的颜 色、香气和化学品质的成品烟叶的生产过程。在烤烟型香烟的生产中，烟叶烘 烤过程是决定产品质量的关键环节。 目前国内外对密集式烟叶烤房的自动化控制已经有了一定的研究，并出现 了一些商业化的控制系统。但是这些控制系统大都基于传统的p i d 控制算法， 无法解决烘烤系统的时变性和温湿度耦合的问题，控制精度不理想；此外这些 系统在自动化程度和系统集散管理方面也不完善，仍然需要进行研究和改进。 本文针对现有烟叶烤房温湿度控制系统中存在的问题，在系统规划、控制 算法、硬件设计和软件设计上做出了一定改进： 在系统规划方面，建立了基于无线通讯的局域网络，并引入系统集散管理 软件，实现了集散花的生产监控和信息管理。通过建立集散管理系统，可以实 时在线观测各个烤房的工作状态，并对烘烤生产过程进行数据记录，便于科学 地分析管理整个生产流程。在这一过程中，针对多机轮询通讯方式存在滞后的 问题，提出并实现了基于任务的串口通讯模式，提高了系统的反应速度。 控制方法方面，通过对被控对象和生产流程的特点进行分析，找出了影响 控制效果的原因在于系统的时变性和温湿度耦合。针对系统时变性的特点，将 模糊技术引入烟叶烤房温湿度控制系统，结合p i d 控制形成了模糊自适应p i d 控制算法，提高了系统的鲁棒性和控制精度。针对系统中温湿度耦合的问题， 通过分析常见的解耦算法，在系统中引入了基于前馈算法的解耦环节，实现了 对温湿度的解耦，进一步提高了系统控制效果。系统仿真和生产实践的结果证 明，使用模糊p i d 控制算法和解耦算法之后，烟叶烤房控制系统的控制效果明 显优于原有系统，烟叶生产的合格率和优秀率都有大幅提升。 硬件设计方面，完成了热电偶温度采集、加热与排湿控制输出、按键与显 示、串口通讯等电路设计，并引入了一定的硬件抗干扰措施。 软件设计方面，完成了单片机控制程序和系统集散管理程序，前者主要包 括系统温度采集、键盘显示、模糊自适应p i d 控制、前馈解耦、串口通讯等子 摘要 程序，后者包括串口收发、数据的图形显示、文件管理、历史数据查询等多个 程序模块。 生产实践证明，改进后的系统在控制精度，自动化程度和集成化程度方面 都明显优于原有系统，烟叶的生产质量和生产效率具有显著提升，工人劳动强 度得到了降低。 关键词：烟叶烘烤模糊自适应p i d 前馈解耦 a b s t r a c t a b s t r a c t t o b a c c ob a k i n gi sap r o d u c t i o np r o c e s st h a tb yc o n t r o lt h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y i nt o b a c c oh u m i da c c o r d i n gt oc e r t a i nb a k i n gt e c h n o l o g y , m a k et o b a c c oh e a t e dt o d e h y d r a t e ，a n dm a k et h et o b a c c oh a p p e n si n s i d eas e r i e so fp h y s i o l o g i c a la n d b i o c h e m i c a lr e a c t i o n s ，e v e n t u a l l yo b t a i n i n gt h et o b a c c of i n i s h e dp r o d u c tw h i c hh a sa c e r t a i nc o l o r ，a r o m a , a n dc h e m i c a l sq u a l i t y i nt h ep r o d u c t i o no fc i g a r e t t e ，t o b a c c o b a k i n gi st h ee s s e n t i a lm a t e r i a lt h a td e t e r m i n e dt h eq u a l i t yo fc i g a r e t t e t h e r eh a v eb e e nb e i n gs o m er e s e a r c ho nt h ea u t o m a t i o nc o n t r o lo fi n t e n s i v et o b a c c o h u m i da th o m ea n da b r o a d ，a n da p p e a r e ds o m ec o m m e r c i a lc o n t r o ls y s t e m b u tt h e s e c o n t r o ls y s t e m sa r em o s t l yb a s e do nt h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la l g o r i t h mt h a tc a n h a r d l ys o l v et h ep r o b l e m so f t h ed y n a m i c i t yo ft h eb a k i n gp r o c e s sa n dt h ec o u p l i n go f t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , s ot h ec o n t r o le f f e c ti sn o ti d e a l ；b e s i d e st h ed e g r e eo f a u t o m a t i o no ft h e s es y s t e m si sl o wa n dt h ed i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n t s y si sn o tp e r f e c l t h e r es t i l ln e e df o rf u r t h e rr e s e a r c ha n di m p r o v e m e n t i nt h i sp a p e r , t os o l v et h ee x i s t i n gp r o b l e m so ft o b a c c ob a k i n gt e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yc o n t r o ls y s t e m ，i m p r o v e m e n t sw e r em a d eo ns y s t e md e s i g n ，c o n t r o l a l g o r i t h m ，h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n i ns y s t e md e s i g n , aw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r kw a sb u i l ta n di n t r o d u c i n gs y s t e m i n t e g r a t i o nm a n a g e m e n ts o f t w a r e i n t ot h e s y s t e m ，r e a l i z e d t h ed i s t r i b u t i o n m a n a g e m e n to fm u l t i p l eh u m i d e s t a b l i s h i n gd i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mm a k e s i tp o s s i b l et oo b s e r v et h ew o r k i n gs t a t u so fe a c ht o b a c c oh u m i d ，t or e c o r dt h ed a t ao f t h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，a n dm a k ei t e a s yt om a n a g e m e n ta n da n a l y s i st h ew h o l e p r o d u c t i o np r o c e s ss c i e n t i f i c a l l y p r e s e n t e da n dr e a l i z e dan e wc o m m u n i c a t i o nm o d e b a s e do nt a s kl i s t ，s o l v e dt h ep r o b l e mo ft h ed e l a yo fo p e r a t i n gi n s t r u c t i o ns e n d i n ga n d i m p r o v e dt h es y s t e m sr e s p o n s es p e e d i i i a b s t r a c t i nt h ec o n t r o lm e t h o d s ，t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c i n gt h ec o n t r o le f f e c t ，d y n a m i c i t yo f t h es y s t e ma n dt h ec o u p l i n go ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , w e r ef o u n db ya n a l y z i n g t h es y s t e m sc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep r o d u c t i o np r o c e s s f u z z yt e c h n o l o g yw a s i n t r o d u c e di n t ot h ec o n t r o ls y s t e m ，c o m b i n e d 谢t 1 1t h ep i dc o n t r o la l g o r i t h m ， e s t a b l i s h e df u z z ys e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o la l g o r i t h m ，i m p r o v e dt h er o b u s t n e s so ft h e s y s t e m t h ec o u p l i n go ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi nt h es y s t e mw a sa n a l y z e d ，a n d t h i sp r o b l e mh a sb e e ns o l v e db yi n t r o d u c i n gt h ed e c o u p l i n gl i n kb a s e do nf e e d f o r w a r dd e c o u p l i n ga l g o r i t h mi n t os y s t e m t h r o u g ht h em a t l a bs i m u l a t i o na n d a n a l y s i sw ec a ns e et h a tt h es y s t e mi m p r o v e db yf u z z ys e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o l a l g o r i t h ma n dd e c o u p l i n gl i n kh a v eb e t t e rc o n t r o le f f e c tt h a nt h eo r i g i n a ls y s t e m ，a n d t h eq u a l i f i e dp r o p o r t i o na n de x c e l l e n tp r o p o r t i o no ft o b a c c oh a v eas h a r pl e a p o nt h eh a r d w a r ed e s i g n , b e s i d e sc o m p l e t i n gt h eb a s i cf u n c t i o n ss u c ha st h e t h e r m o c o u p l et e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o n , h e a t i n gc o n t r o lo u t p u t , k e y b o a r da n dd i s p l a y a n ds oo n o nt h es o f t w a r ed e s i g n ，p l a n n i n ga n dc o m p l e t e dt h es i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r c o n t r o ls o f t w a r ea n ds y s t e md i s t r i b u t e dm a n a g e m e n ts o f t w a r e ，t h ef o r m e rm a i n l y i n c l u d e st e m p e r a t u r eg a t h e r i n g ，k e y b o a r dd i s p l a y , f u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l ，f e e d f o r w a r dd e c o u p l i n g ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o ne t cs u b p r o g r a m s ，w h i l et h el a t e ri n c l u d e s s e r i a lc o m m u n i c a t i o n , d a t ag r a p h i cd i s p l a y , d o c u m e n t sm a n a g e m e n t , h i s t o r i c a ld a t a q u e r ye t cm u l t i p l ep r o g r a mm o d u l e s t h ep r o d u c t i o np r a c t i c es h o w st h a tt h ei m p r o v e ds y s t e ma r eo b v i o u s l yb e t t e rt h a nt h e o r i g i n a ls y s t e mi nt h ec o n t r o la c c u r a c y , a u t o m a t i o nd e g r e ea n di n t e g r a t i o nd e g r e e ， t o b a c c op r o d u c t i o nq u a l i t ya n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yh a si m p r o v e d ，l a b o ri n t e n s i t y g o tl o w e r k e yw o r d s ：t o b a c c ob a k i n gf u z z ys e l f - a d a p t i v ep i df e e d - f o r w a r dd e c o u p l i n g i v l 绪论 1 绪论 1 1 研究目的和意义 烟草行业在我国国民经济中占据重要位置。据统计，“十五 期间我国烟草 企业生产销售卷烟九万多亿支，上缴利税7 0 0 0 多亿元，提供工作岗位数十万个， 为国民经济和地方经济发展做出巨大贡献。目前我国吸烟人口超过三亿，占全 球吸烟人口总量的四分之一，年消费卷烟2 0 0 0 0 亿支，消费额超过6 0 0 0 亿元人 民币，形成了世界上最大的烟草产品消费市场。虽然我国的烟草生产总量和消 费总量均居世界第一，但是我国烟草出口总量在国际市场上的份额却不到1 0 ， 在高端产品方面所占的份额更少。为了提高我国烟草企业的国际竞争力，需要 采用先进的生产加工技术，不断提升烟草产品的质量。嘲嘲 烟叶烘烤是按照一定的烘烤工艺控制烤房内的温度和湿度条件，使烟叶受 热失水，从而使得烟叶内部发生一系列的生理和生化反应，最终获得具有一定 的颜色、香气和化学品质的成品烟叶的生产过程。在烤烟型香烟的生产中，烟 叶烘烤过程是决定产品质量的关键环节，烘烤质量的优劣直接决定了烟草产品 的质量。使用先进的技术控制生产过程，提高烟叶烘烤质量，是十分必要的。 当前较为流行的先进烘烤技术包括三段式烟叶烘烤工艺和密集式烤房。三 段式烘烤工艺起源于美洲，2 0 世纪8 0 年代传入我国。该工艺将烟叶烘烤过程划 分为变黄、定色和干筋三个阶段，具有灵活安全等特点，能广泛应用于多种类 型烟叶的烘烤过程。密集式烤房与传统的气流上升式烤房相比，添加了特制烟 夹、热风循环风扇和强制通风装置，因而具有装烟密度大、温度分布均匀、排 湿迅速、省工节能等优点，而且十分适于进行自动化控制，可以有效提高生产 效率和烘烤质量。啪】【剐 这些新技术在我国的投入使用后，相继产生了与之配套的烟叶烤房温湿度 控制系统，进一步提高了生产自动化程度，取得了一定的积极效果。但是，因 为烟叶烘烤过程具有很强的时变性和滞后性，而且存在温度和湿度的强耦合， 但是当前的控制系统多采用传统p i d 算法进行控制，控制效果不理想，烟叶烘 烤质量不稳定。烘烤过程中工艺进程仍旧依靠工人的工作经验来确定，自动化 程度不高。工艺设置功能大都采用单项参数按键输入方式，修改工艺时操作繁 l 绪论 琐，不但增加了工人的劳动强度，而且容易出现错误，影响产品质量。 本文针对现有烟叶烘烤温湿度控制系统中普遍存在的问题，在系统总体设 计方面，通过无线通讯组建局域网络并开发集散管理系统，实现了集散管理。 在控制算法方面，将模糊控制和p i d 控制理论结合应用在烟叶烤房的温湿度控 制系统中，提高温湿度的控制精度、稳定性和适应性；将前馈解耦进行简化， 形成基于相关系数的解耦环节，实现温湿度解耦。在烘烤工艺控制方面，由原 来的人工输入改为文件输入，减轻工人劳动强度，提高生产效率。 通过对烟叶烤房温湿度控制系统进行改进，使用先进的控制理论并建立集 散系统，从而提高系统自动化、集成化和控制精度，既可以提高烤烟烟叶的产 品质量和稳定性，又降低了工人的劳动强度，提高了生产效率，对烟草企业和 烟农具有巨大的现实意义。 1 2 烟叶烘烤生产现状 1 2 1 烟叶烤房的类型与特点 目前国内已经并出现了一些成型的烟叶烤房温湿度控制系统。根据其结构 和规模可以分为两大类，两类系统的实物图如图1 1 所示。 图1 1 烟叶烤房控制系统实物图 第一类是仪表式烘烤控制系统。这类控制系统依托已有的烤房完成工作， 结构和功能都较为简单，成本低廉，一定程度上减轻了工人的劳动强度，但是 由于系统的硬件和控制方法简单，使得自动化程度和控制精度都很低，生产效 果不理想。这类系统主要应用于个体烟农对原有烤房的改造升级。 2 l 绪论 第二类是“烤房一控制系统一体式的控制系统，即将控制系统与烤房整体 设计、整体出售。这类控制系统结构复杂，功能较为完善，极大的降低了生产 强度，控制效果相对较好，但是由于是一体式设计，成本很高，而且规格单一， 灵活性差。当前主要应用于大型烟草公司的规模化生产。 1 2 2 烟叶烘烤中存在的问题 通过现场数据现有的烟叶烤房温湿度控制系统主要具有以下问题： ( 1 ) 产品质量不理想，烟叶产品的合格率和优秀率较低，且极不稳定。经常 出现烤青烟、挂灰的残次品和废品。在厦门龙岩某烟区，平均烟叶烘烤合格率 为7 2 ，优秀率只有5 4 ，远远低于国外烟叶生产的合格率和优秀率。下图为几 种常见不合格烟叶的形态图。 渊 黑 吉筋黄片言烟死畜烟 震 烈灞 簋 图1 2 常见不合格烟叶形态图 ( 2 ) 生产自动化水平低，工人劳动强度大，生产效率低下。烟叶烘烤的生产 过程长达数十个小时，中间需要根据烟叶温度、湿度、颜色等特征变化来进行 阶段变换和参数修正。在当前的生产模式下，这些都需要工人根据经验手动完 成，劳动量很大，而且不利于产品质量的控制。h ( 3 ) 系统缺乏有效的人机交互，可操作性较差。这些系统大都以单片机作为 控制核心，通过8 位数码管和按键方阵实现数据显示和手动操作。由于数码管 引脚较多，受到硬件资源的限制，难于显示较多的数据信息；使用按键进行数 据参数修改等动作时，操作繁琐，容易出现错误。 3 l 绪论 ( 4 ) 系统集成化程度较低。大部分烟叶产区已经实现了规模化种植和生产， 但是烟叶烘烤控制系统仍然是分散独立的，需要大量的劳动人员对厂区进行巡 查以保证生产进度及安全性，劳动强度很大但是劳动效率极为低下。 1 3 问题分析与解决途径 前面已经提出了当前系统存在的问题，在生产人员的帮助下，我们对问题 产生的原因进行了分析，并在此基础上提出了相应的解决方案。 1 3 1 生产质量不理想 根据工作人员的生产经验可知，烟叶出现不合格主要是因为烤房内实际温 湿度与设定工艺值相差过大引起的：在变黄阶段温度过低或时间过长会产生烟 叶挂灰的现象；定色阶段升温过快则会出现烤青烟。因此要解决这一问题就需 要提高烤房内温湿度的控制精度。 通过进一步分析，我们认为有两个因素影响控制精度。因素一是系统被控 对象的数学模型不稳定，具有很强的时变性。不仅每次生产时烟叶的含水量等 参数各不相同，而且在烘烤过程中这些参数也在不断变化。这使得传统的p i d 控制难以实现较好的控制效果。因素二是烟叶烤房温湿度控制是一个双入双出 的系统，温度和湿度相互关联，存在很强的耦合关系。现有的控制算法都忽略 了耦合现象，而将温度和湿度当做独立变量进行控制，从而使得系统在加温和 排湿等动作时产生强烈的震荡，影响了产品质量。图1 3 显示了烘烤过程中实际 曲线严重偏离设定工艺的情形。 要解决这一问题，一方面需要使用更为合适的控制算法，一方面需要在系 统中引入合适的解耦环节。模糊自适应p i d 算法是一种较为流行的先进算法， 它将模糊控制应用于p i d 参数自动调整过程中，使得控制参数不再依赖精确的 系统模型，从而适于时变系统的控制过程中。前馈解耦是前馈控制在解耦算法 中的应用，是一种“基于干扰消除误差 的控制方式，它把耦合关系当做一种 系统干扰，并在输入端对其进行相应的补偿，从而消除系统误差。在系统中使 用模糊p i d 控制算法并加入前馈解耦环节，形成“前馈反馈 复合控制，可以 取得较好的效果。 4 l 绪论 图1 3 现有控制系统烘烤过程曲线图 1 3 2 自动化程度低 这一问题包括对操作人员工作经验的依赖和硬件设计过于简单。相应的解 决方法分别为： ( 1 ) 重新设计编制烘烤工艺，对时间、温度、湿度等控制参数进行量化，并 以工艺文件方式进行保存和使用，避免对工人经验的依赖。 ( 2 ) 设计更为合理和实用的控制终端人机交互系统。包括使用l c d 显示屏 代替l e d 数码管进行数据显示，添加声光提示等。 1 3 3 系统集成化程度较低 解决系统集成化程度低的问题较为容易，只需建立合理规模的集散管理系 统即可，包括硬件组网和管理软件编程。在实际工作现场，共有烤房2 3 座，规 模并不大，因此使用无线通讯方式进行硬件组网即可满足要求。软件编程方面 需要合理设计软件，使之具有较强的实用性。 1 4 论文的主要内容 本文将从以下几个方面进行研究： 问题的提出。查找当前烟叶烘烤控制系统存在的问题，进而分析问题并找 到问题产生的原因，在此基础上提出解决方法和改进方案。这部分工作已在本 5 l 绪论 章中完成。 控制算法学习与研究。学习模糊控制，p i d 控制以及解耦控制的常见算法， 在此基础上，提出并完善模糊p i d 控制算法和前馈解耦算法，并进行理论分析 和效果验证。其中关于模糊p i d 算法的研究与我师兄李保强在“基于模糊p i d 的叶腊石烤箱控制系统研究 一文中的研究存在延续性，这部分工作主要在本 文第二章进行。 控制终端的设计开发。包括控制终端硬件结构的设计和软件的编程。这部 分在本文第三和第四章进行，在这一部分中使用了所在实习单位的技术积累。 集散管理系统的设计与完成。主要完成了烟叶烤房离散控制系统管理软件 的编程，设计并实现了基于任务的串口通讯模式。这部分工作在本文第五章完 成。 效果检验与优化方向。对改进后的算法及软硬件的设计实现进行效果验证， 并找到进一步优化的方向。这部分工作在本文第六章完成。 1 5 本章小结 本章对当前烟叶烤房控制系统的现状进行了分析，对于生产实践中存在的 问题从表象、引发原因和解决方案三个层次进行了论述，从而提出了本文要进 行的研究内容和预期目标。 6 2 问题分析与算法研究 2 问题分析与算法研究 2 1 被控对象的研究与分析 2 1 1 密集式烟叶烤房 密集式烟叶烤房最早于2 0 世纪5 0 年代由美国和日本进行研发，到7 0 年代 在许多经济发达国家得到全面推广使用。我国于2 0 世纪6 0 年代研发了燃煤式 密集烤房，随后相继出现燃油式、燃煤锅炉式的密集烤房，并在辽宁、云南、 福建、河南等烟区得到推广和使用。1 3 6 】 密集式烤房的功能结构示意图如图2 1 所示。加热室和烤房主体分离，烟叶 捆扎悬挂于烤房内。空气由进风口进入，在加热炉与换热器共同作用下变为干 燥的热风，循环风机驱动热风沿着热风通道进入烤房主体，并由下自上运动， 完成主要的烘烤功能。开启排湿风扇可以将湿空气排除，完成排湿功能。密集 烤房的基本特点是强制通风、热风循环和过程自动控制，具有装烟密度大、操 作简便、省工节能等优点。 i ， j|l|tii lttilti 1 ：，专：! f， ， ， ，d ，7 ，1 ，i p - i ii | ll 、 # ti 。 。i 。二f i l ，i ，1 l ，! f r1 i _ 一 江| ， ，k l 一工一j ， i一 l i 二! = q 一 图2 1 密集式烤房功能结构示意图 2 1 2 三段式烟叶烘烤工艺 烘烤烟叶是通过控制烤房内的温度和湿度条件，使烟叶受热失水，同时使 7 - 舯 二l ；二 2 问题分析与算法研究 烟叶内部发生一系列的生理和生化反应，最终获得具有一定的颜色、香气和化 学品质的成品烟叶。烘烤工艺就是指烘烤过程中烤房温度与湿度的设定值，实 际操作中反映为干球温度和湿球温度的升温曲线。汹儿咖 传统的烘烤工艺是连续平滑的升温曲线，便于理解，但是控制难度较大， 实际生产中效果不如三段式烘烤工艺。 三段式烘烤工艺是一种较为先进的烘烤工艺，该工艺将烘烤过程总体上划 分为三大阶段，即：变黄期、定色期、干筋期，每个阶段由一个或多个“升温+ 保温”过程构成。这种工艺适用范围较广，实用性强，我国国家烟草专卖局 关于实施科教兴烟战略提高我国烟叶质量的意见中明确提出“全面推广三段 式烘烤工艺其配套技术 。 变黄期干球温度以每小时l 的速率逐渐升至3 6 ，湿球温度低于干球温 度1 2 1 2 。这一阶段主要是通过低温加热使烟叶失水，从而变黄变软。 定色期分为两个阶段，第一阶段干球温度以每小时o 5 的速率逐渐升至 4 2 ，第二阶段干球温度以每小时o 5 的速率逐渐升至4 7 ，保持湿球温度维 持在3 8 4 0 。这一阶段主要是通过使烟叶大量失水，从而使烟叶的颜色和外 形达到一定的要求。 干筋期也分为两个阶段，第一阶段干球温度以每小时0 5 的速率逐渐升至 5 4 ，第二阶段干球温度以每小时l 的速率逐渐升至6 5 ，湿球温度应保持 在4 3 。这一阶段主要是使烟叶彻底干燥。【5 5 】 典型的三段式烟叶烘烤工艺曲线图如图2 2 所示。 t 庀 变黄期定色期 i 烘干，期 ti h ii 图2 2 三段式烘烤工艺曲线图 8 加 如 柏 加 o 2 问题分析与算法研究 2 1 3 被控系统的特点 在本文1 3 1 中已经知道，烟叶烤房温湿度控制系统具有时变性强和存在温 度与湿度耦合两大特点，下面对这两个特点进行进一步的分析说明。 ( 1 ) 时变性：烟叶烤房温湿度控制系统的模型参数不是稳定不变的，而是受 到多种因素影响，显示出复杂的时变性。系统的时变性主要体现在两个层次， 在多次烘烤过程中，由于不同批次的烟叶含水量和捆扎密度不同、烤房装烟密 度不一致等因素，都会使得系统参数不尽相同；在同一次的烘烤过程的不同阶 段，烟叶的含水量、起点温度和目标温度以及升温速率不同，系统模型参数也 会有明显变化。 ( 2 ) 温湿度耦合：烟叶烤房温湿度控制系统是一个多入多出( m i m o ) 系统， 需要同时控制干球温度和湿球温度，但是两者之间不是相互独立，而是存在较 强的耦合作用。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。温湿度的耦合关系还显示出时变性的特点。例如在不同的阶段的加 热过程中，由于烟叶含水量不同，则在相同升温幅度下，相对湿度的变化不同。 2 2 模糊自适应p i d 算法研究与实现n 田 2 2 1pid 控制算法 p i d 控制是工业中较为常见的一种控制算法，p i d 控制的系统框图如图2 3 所示： 图2 3p i d 控制系统原理框图 p i d 控制就是将误差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控 对象进行控制的一种方法。p i d 控制是一种反馈控制模式，需要根据系统误差来 实现输出控制。【1 0 l 9 2 问题分析与算法研究 p i d 控制可以分为模拟式p i d 控制和数字式p i e ) 的控制，伴随计算机技术 的发展，数字式p i d 控制算法得到了广泛的应用，相应的控制算法可以表示为： i ( 七) = k e e ( k ) + k i e ( f ) + p c ( 七) ( 2 1 ) t - o 量 其中p ( 七) 、p ( d 、p c ( 七) 分别表示被控对象在某采样时刻七的系统误差、 t s o 误差累计值与误差变化率；k p 、蜀、k d 分别为p i d 的比例系数、积分系数和 微分系数。 在p i d 控制中，比例环节主要影响系统的响应速度：合理的k ，可以保证系 统及时对误差进行响应和处理，当k p 过大会使系统产生超调，k ，过小则使系 统响应速越慢。积分环节主要用于消除系统的静态误差，在合理范围内积分系 数k ，越大则可以越快地消除系统的静态误差，但是过大的k ，会使系统产生积分 饱和现象，从而引起较大的超调。微分环节对系统的动态性能影响较大，可以 对误差的变化进行预报，提前抑制误差的方向变化，从而减小调节时间，提高 系统的响应速度。 1 2 1 p i d 控制具有算法原理简单，控制计算量小，控制精度较高等优点，特别适 用于具有精确数学模型的确定性控制系统中。但是它较为依赖被控对象的数学 模型，缺乏较强的适应性，对于具有较强时变性和不确定性的系统，难以达到 理想的控制效果。 2 2 2 模糊控制算法 模糊控制是通过模拟人类思维方式来对某些难以建立精确模型的系统进行 控制的一种方法。 图2 4 模糊控制器的结构框图 1 0 2 问题分析与算法研究 图2 4 描述了模糊控制的系统组成。如图所示模糊控制器主要由输入量的模 糊化处理、模糊控制规则、模糊推理和逆模糊化四部分组成。模糊控制器的输 入是控制对象的目标值和以及当前系统误差e 和误差变化量e c ，相应的输出为 控制量u 。1 1 1 2 0 】【5 8 】 模糊控制的实现过程如下： 1 数值输入：测量计算被控对象的目标值和当前值，获得系统误差和误差 变化率。 2 数据模糊化：对输入的数值进行模糊处理，就是将精确的数量值转化成 模糊语言变量，并把语言变量值归化到特定的模糊子集。 3 模糊控制规则：根据专家知识和生产经验获得控制策略，这是模糊控制 的核心，一般提前建立规则表以节省处理时间。 4 模糊推理：也称为模糊决策。就是根据建立的模糊规则和模糊化语言变 量，查找对应的模糊控制量的过程。 5 解模糊：将模糊推理的结果从模糊控制量转化为精确输出量，也可以称 为解模糊。 模糊控制最大的优点在于不依赖于被控对象的精确数学模型，对于时变性 和不确定性系统也可以取得良好的控制效果，但是模糊控制规则的建立和隶属 函数的确定较为困难，而且控制精度不如传统p i d 控制，容易产生极环振荡。瞰】 2 2 3 模糊自适应p id 控制算法 在第l 章中，我们已经指出烟叶烤房温湿度控制系统是一个具有时变性和 滞后性复杂系统，没有精确的数学模型，系统的特性参数也在不断变化，从而 使得传统p i d 控制难以取得良好的控制效果，需要对算法进行优化。模糊控制 虽然不依赖精确的系统模型，但是存在控制精度不高的缺点。因此我们很自然 地想到将两者结合起来，得到一种既具有足够的精度，又不依赖精确系统模型 的控制算法，也就是模糊自适应p i d 控制方法。【3 l 】【州【5 9 1 1 6 0 l 模糊自适应p i d 本质上仍是p i d 闭环控制，只是p i d 的控制参数不再是固 定的值，而是通过模糊运算不断进行在线修正。在系统运行过程中，通过计算 获得实际输出与输出设定值的差，即得到系统误差；将误差及误差的微分值作 为模糊推理的输入值，结合事先设定的模糊隶属函数进行相关的运算，对控制 参数足p 、墨、k n 进行修正，从而实现在线整定。【4 5 1 1 4 6 1 2 问题分析与算法研究 模糊自适应p i d 控制的核心任务是找出p i d 三个控制参数与误差e 和误差 变化量e c 之间的模糊关系。因为控制参数是根据误差计算获得的，与系统模型 无关，因此模糊p i d 具有很强的适应性和鲁棒性，同时还保留了传统p i d 控制 算法控制精度高的优点，十分适于烟叶烤房的温湿度控制。 5 0 1 5 2 l 模糊自适应p i d 控制系统的结构框图如图2 5 所示。 图2 5 模糊自适应p i d 控制系统结构框图 2 2 4 模糊自适应p id 算法的实现 前文提到，模糊自适应p i d 控制的核心任务是找出p i d 三个控制参数与误差 e 和误差变化量e 。之间的模糊关系，所以这一算法的实现与模糊控制的实现流程 极为相似，可以划分为信号模糊化、建立模糊规则、模糊推理和逆模糊处理的 三个步骤：【3 3 】【4 5 】【5 ( 1 ) 信号量的模糊量化 这一步骤的主要任务在于为输入和输出变量建立合理的基本论域、模糊子 集、模糊论域、量化因子和比例因子。在以上各项中，量化因子和比例因子的 选取是较为关键的问题，需要考虑处理器的字长，输入输出值的变化范围以及 数模转换的精度等。 结合本课题的实际需求以及硬件环境，初步确定输入输出变量的各项模糊化 参数如表2 1 所示，其中各项参数还需要根据后期实际效果进行调整。 表2 1 输入输出变量关系表 1 2 2 问题分析与算法研究 输入变量和输出变量的隶属度曲线如图2 6 所示。n b ，p b 选为高斯曲线， n m ，n s ，z o ，p s ，p m 为在等边三角形。 图2 6e 、e c 、a b 、a k i 、l ( d 的隶属函数曲线 ( 2 ) 控制规则的建立 在烟叶烘烤控制过程中，通过改变控制规则来调节控制效果，最终得到针 对群、局、k d 三个参数分别校正的模糊控制表，在模糊推理过程中，有2 个 输入变量，3 个输出变量，共得出4 9 条控制规则，模糊控制规则表如表2 3 所 示，模糊推理的形式为： ( 1 ) i f ( ei sn b ) a n d ( e ci sn b ) t h e n ( 嘶i sp b ) ( a k , i sn b ) ( 丛di sp s ) ( 4 9 ) i f ( ei sp b ) a n d ( e ci sp b ) t h e n ( a k ei sn b ) ( a k ti sp b ) ( 刖匕i sp b ) 以第( 1 ) 条规则为例，当误差负大，并且误差变化也是负大( 即误差的变化 下降很快) 时，为了加快系统的响应速度，使误差迅速减小，应对似，进行正大 调整，为了防止误差的瞬时增大而出现微分饱和，z k k n 应去较小的值，同时为 了避免系统出现较大的超调，应该使a k l 为零。【5 3 l 【6 l 】 表2 2 i ( p 、k i 、i ( d 的模糊控制规则表 1 3 2 问题分析与算法研究 e 彰蹦岛 髓硼醛p sp 蚰聆 船 p b 髓p si b 肺p sr 啊舳z 0p 明硼趵p s 删z 0p s t z o p ez o i z o f b 捌 p 3 1 珊t r s 朋髓_ i ，赆 f m l t m l 醛 朋硼，醛裕髂z 0z o i z o i 醛z o ，蹦 嚣p e a 硼期朋硼_ ，髓 r e e s l 姗 髂髂赆加z o z o 嚣p s p s 棚，p s 朋 z c z 0 p a t 硼，船p s 髂硼p s ，髂，姗，醛醛，p s 硪，p s ，p s硼t l f 删 格 r s 髂舶髂i s 姗z o z o t 醛瑟髂嚣s p s z 0期p a t p s硼，p 舶髂 栩 z 0 ，朋加z 0 髂髂陌髂矾州昭硼r 啊，z o 硼p b 陌船聆髂 柏 z o z o r ；嚣z o z o髂p s z o拥p 硼，z 0硼i f b i z o硒i r e r e船i p b i f ) ( 3 ) 模糊推理与解模糊 推理就是从一个或多个已知判断出发，推出另一个新的判断的思维方式， 当推理用到的判断具有模糊性时，这种推理就成为模糊推理。本文采用常用的 m a m d a n i 法( 最小最大重心法) ，对所建立的模糊变量和模糊规则，经过模糊推 理得出输出控制量。 本文采用的模糊规则的形式为：i f aa n dbt h e nc 。 如果模糊输入变量为a 和b ，并且对a 和b 的隶属度分别为心( 口) 和如( 6 ) ， 则推理结果为： 地= p 一( 口) p b ( b ) 比( c ) ( 2 2 ) 对于其中第i 条控制规则：i f a ia n db it h e nc i( i 一1 ，2 ，3 ，n ) 心l = j j i ( 口) p b l ( 6 ) 心i ( c ) 心2 = 心2 ( 口) 如2 ( 6 ) 比2 ( c ) = p a 打( 口) ( 6 ) ( c ) 从而得到最终的推理结果为： 地= u = p m v p 。2v v m ( 2 3 ) 1 - 1 式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 中，八表示r a i n ，v 表示m a x 。 经过模糊推理得到的结果是一个模糊量，系统无法识别这一输出，需要对 其进行逆模糊处理，即将模糊值再次转化为准确值，这个过程也称为解模糊。 最大隶属度法、中位数法和加权平均法是较为常用的方法，本文选用加权平均 法。式( 2 5 ) 是加权平均法的计算公式。 1 4 2 问题分析与算法研究 薯“( t ) t = f = ! ” 晶 ( 2 4 ) 心( t ) i = l 式中五为输出论域中的元素，地( 薯) 为判决输出的模糊集合在论域元素上的 隶属度，将其作为论域元素而的加权系数，“为最终判决值。 ( 4 ) 模糊自适应p i d 控制的实现过程 在烟叶烤房温湿度控制系统初次运行时，应该利用z i c g l c r - n i c h o l s 整定方法 实现p i d 的三个控制参数的预整定，系统正常运行时，开始执行模糊自适应p i d 控制算法。为了避免在每个采样周期内都进行一次复杂的模糊关系矩阵合成运 算，我们可以在离线情况下，使用m a t l a b 完成矩阵运算，得到三张七行七列 的模糊控制查询表，在单片机程序中可以用三个二维数组表达，将其存储在 a t m e g a l 2 8 的f l a s h 存储器中。在实际控制中，根据采样值得到误差e 和误差 变化e c ，模糊化处理后查询模糊控制查询表可以得到控制参数的修正值，然后 代入式( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 计算可实现对p i d 的三个参数的在线校正。 k p = k ；+ 0 l ，e c 飞p = k ：+ k p k l = k + 0 t ，e c l 、l = k + a k t x d = k ：+ k t ，e c d = k 0 + k d ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 2 3 解耦环节的研究与实现 本文在常规p i d 控制的基础上结合模糊控制原理提出了基于模糊自适应 p i d 控制的方法，该方法能够根据被控对象的变化实现控制参数的自动调整，使 系统具有较强的鲁棒性和适应性。 但是，烟叶烘烤过程中的温度变化和湿度变化并不是相互独立互不干扰的， 两者存在严重的耦合现象。在升温阶段，循环风机开启，驱动热空气进入烤房， 使烤房内温度上升，此时随着温度不断上升