基于组态技术的干燥实验系统的设计①

方案

干燥实验装置采用废气排放式配置，即空气由风机送入电加热器预热，然后进入干燥室，最后由排气口排出空气。由空气进口阀门控制空气流量，同时风管上配有孔板流量计、压力传感器和空气进口温度计，分别用来测定进口空气的流量、压强和温度。计算机系统控制电加热器中的电阻丝的通断来控制其加热状态，确保进入干燥室内空气的温度保持恒定，控制温度计、干球温度计测量来控制空气温度，湿球温度由湿球温度计测量。干燥室内的物料重量由称重传感器输入计算机系统，其干燥时间和干燥失去水分重量过程可从干燥特性曲线上显示。其控制流程图为1所示。

2  系统硬件设计

本系统硬件主要包括计算机、输入输出通道、外部设备和检测与执行机构四大部分。其中实验系统以PC机为核心，通过PCI接口对被控对象的被控参数进行实时检测及处理，并将系统控制命令下达至执行单元完成对系统的实时监控和数据采集，也可对系统各参数实现存档和历史曲线显示及报表打印功能。输入输出通道即为PCI接口，其中A/D接口为过程输入通道，是将被控对象的模拟参数转换成数字代码;I/O接口为过程输出通道，是将系统输出的各类控制命令或参数数据，转换为对被控对象的控制信号。检测与执行机构即为A/D接口和I/O接口所对应各类系统参数采集电气元件以及系统控制执行设备，例如：热电偶可采集温度信号，压力传感器可采集压力信号，加热棒能根据系统要求加热空气等等。外部设备即为PC机配套设备，多为打印机、键盘等。

3  控制算法

因大惯性、纯滞后等是温度控制缺点，为此本系统采用PID控制和模糊控制相结合控制算法。即是根据参考温度值和采样得到的实时温度值，计算判断偏差│e│值大小，当偏差│e│值较大时，温度控制采用Fuzzy控制，当偏差│e│值较小时，温度控制采用PID控制，两者控制转换均有组态软件内部程序实现，这样的控制算法既能减小温度偏差，又能确保温度控制平稳性，实现温度控制自动化。

3.1 Fuzzy控制器设计

Fuzzy控制器结构图如图2所示。其中：k1为偏差e的量化因子，k2为偏差变化率e的量化因子，k3為控制量u的比例因子。首先确定各输入、输出量的变化范围及其对应语言变量的论域元素和量化因子k1、k2、k3。基本论域是由实际生产工艺要求决定的，要根据实际情况而定，在本设计中只大略定出。

3.2 PID控制器的设计

系统采用了增量式PID控制算法，其离散形式为：

式中：KI、KD分别为积分、微分系数，且

其中：T为采样周期;u（k）、e（k）分别为第k次采样时刻的控制信号和偏差信号;

e（k-1）为第（k-1）时刻的偏差信号。

根据实际测量，被控对象近似为带纯滞后的一阶惯性环节。其传递函数为

式中：系统的滞后时间u约为20s，时间常数TP约为50s，选择K为1.5。再根据阶跃响应曲线整定参数法求得：

总之，采用Fuzzy-PID控制算法具有以下优点：大大减小了超调量，可以很容易使系统稳定;消除了积分饱和现象;调节快，适应能力强;参数整定容易等。

4  结语

在深入分析干燥系统实验装置的硬件结构和应用软件之后，完成了基于组态控制的干燥实验系统的设计。对各个硬件部分都进行了认真的选型、设计，并且完成了基于MCGS的干燥速率测定系统的开发。该装置包含的被控对象涉及面广，实验内容丰富。它所包含的流量、温度、压力等热工参数都是工业现场常见的对象。应用软件方面，MCGS充分体现了其操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点。

参考文献

[1] 张少杰.基于模糊PID的电热炉温度智能控制系统[J]. 科技与创新， 2018，109（13）：102-103.

[2] 王广勇，王海港.温控箱的模糊控制算法在温度继电器检测系统中的应用研究[J].价值工程，2010（31）：146.

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