谷物烘干機熱風溫度PID控制的優(yōu)化方法

尹協(xié)鎮(zhèn)，束勝利，徐自豪

(常州常發(fā)農業(yè)裝備工程技術研究有限公司，江蘇 常州 213100)

谷物烘干機熱風溫度PID控制的優(yōu)化方法

尹協(xié)鎮(zhèn)，束勝利，徐自豪

(常州常發(fā)農業(yè)裝備工程技術研究有限公司，江蘇 常州 213100)

主要介紹了谷物烘干機熱風溫度PID控制的優(yōu)化方法。不同型號的谷物烘干機結構、性能、系統(tǒng)模型上存在差異，因此熱風溫度PID控制，要采用與之對應的一套理想的PID參數(shù)來控制，熱風溫度PID控制器驅動風閥執(zhí)行器電機，改變冷熱風進風比例，使烘干的熱風溫度能快速、穩(wěn)定的保持在設定溫度附近，減少因熱風溫度波動大造成的不必要的損失，這對提升烘干效率及谷物品質有重大意義。

谷物烘干機；PID控制；熱風溫度；優(yōu)化方法

谷物烘干機產業(yè)迅猛發(fā)展，穩(wěn)定的熱風溫度是決定烘干機性能的重要指標之一，它直接影響著谷物烘干機的烘干效率及谷物品質。行業(yè)內大多使用人工調節(jié)冷熱風進風比例來調節(jié)熱風溫度。

1 烘干機熱風溫度PID控制參數(shù)整定的必要性

谷物烘干機系統(tǒng)中溫度信號在采集、傳遞、執(zhí)行上存在滯后時間，另外熱源的熱風溫度波動較大，干擾因素較多，采用常規(guī)的閥門開關來控制熱風溫度不能滿足谷物烘干機對熱風溫度的要求。因此，采用熱風溫度PID控制，即引入偏差的比例調節(jié)，以保證系統(tǒng)的快速性。引入偏差的積分調節(jié)以提高控制精度，引入偏差的微分調節(jié)來消除系統(tǒng)慣性的影響，提高動態(tài)響應速度,然而不合適的PID參數(shù)可能使調節(jié)系統(tǒng)崩潰。

不同型號的烘干機其結構、性能上有差異，若其溫度PID控制均采用同一套PID參數(shù)，則因烘干機系統(tǒng)的差異，熱風溫度控制的響應速度、穩(wěn)定性、抗擾動能力并不是最理想的狀態(tài)。谷物烘干機熱風溫度PID控制的優(yōu)化目的是為了確定每種型號的烘干機對應的PID控制參數(shù)。

2 烘干機熱風溫度PID閉環(huán)控制原理

現(xiàn)溫度設定值r(t)與傳感器測量的熱風溫度實際值y(t)的溫度反饋值之差e(t)經(jīng)過比例、積分、微分運算后輸出一個信號u(t)控制風閥執(zhí)行器，風閥執(zhí)行器驅動電機正反轉，驅動電機帶動風閥執(zhí)行器葉片轉動，改變冷熱風進風比例，使烘干機的實時熱風溫度y(t)穩(wěn)定在設定溫度(或在小范圍內波動)。PID閉環(huán)控制結構見圖1。

圖1 PID閉環(huán)控制結構圖

PID控制器微分方程：

式中，KP為比例系數(shù)，Ti為積分時間，Td為微分時間。

參數(shù)KP、Ti、Td的改變對控制作用影響很大，KP的作用是加快系統(tǒng)響應速度，提高系統(tǒng)的調節(jié)精度。KP越大，系統(tǒng)的響應越快，系統(tǒng)的調節(jié)精度越高；但容易產生超調和振蕩甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。因此，KP的值不宜過大。KP取值過小，則使調節(jié)時間變長，系統(tǒng)響應速度變慢，系統(tǒng)動、靜態(tài)特性變壞。Ti的一個最主要作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ti越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除的越快；但Ti也不能過大，否則在響應過程的初期會產生積分飽和現(xiàn)象。若Ti過小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將難以消除，影響系統(tǒng)的調節(jié)精度。Td的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預報。但Td不能過大，否則會使響應過程提前制動，延長調節(jié)時間，并且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能?？傊甈ID參數(shù)的整定必須考慮在不同時刻3個參數(shù)的作用以及相互之間的關系[1]。

3 烘干機熱風溫度PID控制參數(shù)整定方法

在選擇PID參數(shù)之前，首先要確定控制器結構。允許有靜差的系統(tǒng)可以適當選擇P或PD控制器，使穩(wěn)態(tài)誤差在允許的范圍內，對要消除穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)，應選用包含積分控制的PI或PID控制器，一般來說對于有滯后的對象往往都要加入微分控制，因此谷物烘干機熱風溫度控制采用PID控制。

3.1 試湊法

試湊法是通過計算機仿真或實際運行，觀察系統(tǒng)對典型輸入作用的響應曲線，根據(jù)各調節(jié)參數(shù)(KP、Ti、Td)對系統(tǒng)響應的影響，反復調節(jié)試湊，直到滿意為止，從而確定PID參數(shù)。試驗湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”，缺點是需要做大量的參數(shù)驗證。

(1)首先只整定比例系數(shù)，先將積分參數(shù)Ti調最大值，微分參數(shù)Td置0，將KP由小變大，使系統(tǒng)響應曲線略有超調。

(2)加入積分，將步驟(1)中KP減少為原來的50%～80%，再慢慢減小積分時間Ti，并相應調整比例參數(shù)，反復試湊得到滿意的響應，確定比例和積分的參數(shù)。

(3)加入微分，逐漸加大微分時間Td，同時相應地改變比例和積分參數(shù)，反復試湊得到滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。

3.2 擴充臨界比例度法

擴充臨界比例度法最大的優(yōu)點是參數(shù)的正點不依賴受控對象的數(shù)學模型，直接在現(xiàn)場整定、簡單易行，缺點是臨界振蕩不好調。

(1)首先預選一個合適的采樣周期T，一般來說T應小于受控對象的純滯后時間的1/10。

(2)用選定的T使系統(tǒng)工作，去掉積分作用和微分作用，將控制選擇為純比例控制，構成閉環(huán)，逐漸增大比例參數(shù)直至系統(tǒng)對輸入的階躍信號的響應出現(xiàn)臨界振蕩， 記錄此時比例放大系數(shù)KS和臨界振蕩周期TS。

(3)選擇控制度，查表得到T、KP、Ti、Td。運行并做細微調整。計算結果見表1。

表1 擴充臨界比例度法PID參數(shù)計算結果

3.3 基于S7-200 PLC的PID參數(shù)整定

S7-200 PLC已支持PID整定功能，STEP 7-Micro/WIN中也有PID整定控制面板，見圖2。

它能夠以圖形的方式來監(jiān)視PID回路，PID整定控制面板還可用于啟動自整定序列或者將理想的PID參數(shù)應用到實際控制中去。

圖2 PID整定界面

圖2中過程變量區(qū)可以顯示實際溫度的柱狀圖。當前值區(qū)可見設置值、采樣時間、比例、積分、微分參數(shù)，以及柱狀圖和PID輸出的實際值。PID圖表區(qū)可見設定值、實際值、輸出三條曲線圖(不同顏色區(qū)分)。整定參數(shù)區(qū)可改變PID參數(shù)并下載到PLC中，開始PID自整定，高級選項設置中設置滯后、偏移、初始的輸出階躍、看門狗時間、動態(tài)響應選項。可查看PID回路[2]。

熱風溫度PID控制是圍繞著設定值進行調節(jié)的。若設定溫度為55℃，當溫度低于設定值時，風閥執(zhí)行器熱風處于全部打開狀態(tài)；當溫度達到55℃，風閥執(zhí)行器熱風開始逐漸關閉，在關閉過程中，溫度有可能仍在漸漸上升，溫度偏離越大，關閉的角度越大，直到全部關閉為止；當溫度再次低于設定值時，風閥執(zhí)行器熱風則會逐漸打開，偏離越大，打開的角度越大；直到溫度再次達到設定值。反復上述過程直至溫度穩(wěn)定在設定值(或誤差允許范圍±2℃)。對熱源波動等外界干擾產生的實際溫度與設定溫度的偏差，PID控制能快速響應，驅動風閥執(zhí)行器正反轉，改變風閥開度，達到新的穩(wěn)態(tài)。

4 結論

對比上述參數(shù)整定的方法，各有利弊。然而，谷物烘干機結構復雜，現(xiàn)場實際工況與理論偏差較大，數(shù)學模型難以建立。綜合各方面因素考慮，基于S7-200 PLC的PID參數(shù)整定相比其他方法更加適合谷物烘干機，設計者只需掌握PLC運用相關專業(yè)知識，便可在實際中組態(tài)好閉環(huán)控制系統(tǒng)進行仿真驗證，大大縮短研發(fā)周期，降低成本，優(yōu)化熱風溫度控制，只要受控對象的主要指標達到設計要求，相應的PID參數(shù)即可作為有效的熱風溫度PID控制參數(shù)。穩(wěn)定的熱風溫度為提升谷物烘干產品的核心競爭力打下基礎。

[1] 胡壽松.自動控制原理[M].北京：國防工業(yè)出版社,1994.

[2] 西門子有限公司自動化與驅動集團.深入淺出西門子S7-200PLC[M].北京：北京航空航天出版社，2006.

(責任編輯：舒蓮梅)

OptimizationofPIDcontrolforhotairtemperatureongraindryer

YIN Xie-zhen,SHU Sheng-li,XU Zi-hao

(Changzhou Changfa Agricultural Equipment Engineering Technology Research Co.Ltd.,Changzhou 213100,China)

We introduces the optimization method of PID control for hot air temperature on the grain drier.For different type grain dryer,their structure,performance and system model are different,so the PID controller parameter should be optimized according to different type dryer.The hot air temperature PID controller drive the motor of air valve and change the ratio of hot air and cold air,which could keep the air temperature near the set point and minimize the unnecessary lost caused by air temperature fluctuation.This method has significant meaning for improving the drying efficiency and grain quality.

grain dryer;PID control;hot air temperature;optimization method

S379.2

：A

：1003-6202(2017)09-0008-03

2017-01-23；

2017-03-20

尹協(xié)鎮(zhèn)(1987-),男，碩士，工程師，研究方向為谷物烘干技術及設備、烘干成套工程規(guī)劃。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.09.003