陈 平，秦会敏，叶权圣，秦健南*，黄 爽

(1广东省生物工程研究所(广州甘蔗糖业研究所) 广东省甘蔗改良与生物炼制重点实验室，广东广州510316；2广东省绿色制糖工程技术研究中心，广东广州510316)

0 引言

甘蔗是我国主要的糖料作物，已经成为地区经济发展的重要支柱和农民增收的主要经济来源。但是，近年来，由于甘蔗病虫害普遍发生，尤其传种甘蔗病害(宿根矮化病RSD、花叶病Mosaic等)危害更严重，致使甘蔗种质退化、宿根年限短、产量下降快，已成为制约蔗糖产业持续稳定发展和蔗糖优势产业发挥的重大问题。为解决甘蔗脱毒问题，研究开发甘蔗种苗温水脱毒池的系统设备及控制的关键技术，保证脱毒池温度控制在50℃±0.2℃，水温过高、处理时间过长易使种芽烫伤丧失发芽力，水温过低、处理时间过短起不到脱毒效果，同时保持脱毒池水体循环[1]。本研究通过对甘蔗种苗温水脱毒池系统设备的结构设计，建立了增量式PID控制算法模型，通过Matlab仿真及对S7-200 CPU的自整定，实现了甘蔗种苗脱毒池的温度控制。

1 脱毒池的结构

甘蔗种苗温水脱毒池由温度检测装置(热电阻)、液位检测装置(液位计)、冷热水混合箱、循环水泵组成，结构图如图1所示。安装4支热电阻在脱毒池的4个角，以保证水温控制的均匀性；冷热水混合箱保证脱毒池的水温相对稳定，防止高温热水烫伤蔗苗；采用循环水泵对水池温水进行循环处理；留有溢流孔保证水的循环使用。

图1 脱毒池结构图

2 脱毒池控制系统组成

本系统使用S7-200 PLC作为核心现场控制器。扩展模块EM231和EM232用于实现模拟量的输入和输出。阀门的开阀采用 PWM 控制方式。温度控制增量式PID算法的实现。

2.1 控制器

本系统中选用西门子CPU224作为PLC的主机模块，西门子CPU224集成了14点输入和10个点的输出，共有24点数字量I/O，最大扩展至168点数字量I/O或者摸拟量I/O。同时具有32位浮点运算功能和内置集成的PID调节运算指令，比较适用于温度控制系统。可在PLC的内部完成温度的调节以及所有的控制逻辑的计算。

2.2 控制模块

由于西门子PLC控制器CPU224不能直接接收和输出模拟量信号，所以选取2块热电阻输入模块EM231和1块模拟量输入输出模块EM235。EM231带有4路模拟量输入，集成有16位AD转换器，分辨率达0.1℃，能自动进行线性化处理，当用作热电偶测量时具有冷端补偿功能，不再需要外部变送器，能一个模块就完成数据采集及数据处理功能。系统温度信号的采集选用 A级热电阻 pt100，精度为±(0.15+0.002|t|)℃，但价格较贵，PLC的控制指令经数字I/O输出控制热水阀或冷水阀的开启和关闭。

2.3 阀门控制

本系统中采用的阀门电动定位器不能无级调节，只能控制开或关，所以在系统调度前将阀门的满度限位调节至全开的 30%左右。这样做既降低硬件成本也保证了因开阀过大，热水量过大使温度超调超差而影响控制精度。阀门的开阀采用 PWM方式，每30 s为1周期，每周期打开1次，每次打开的时间由PID控制器计算所得。如图2所示。

图2 温度控制增量式PID算法的实现

3 温度控制增量式PID算法的实现

3.1 系统模型的建立

3.1.1 系统启动过程

设备通电启动后直接进入自动控制，CPU根据水池液位、池水温度及给定温度值同时注入冷水和热水，当液位到达设定值时，进入恒温状态后，吊入种苗，此时系统进入精确控温状态，此过程只是加入少量热水调节温度即可，否则超调。因而主要考虑这个阶段的控制参数。此时，温控系统采用一阶延迟控制系统模型，模型中K、T、τ参数的使用以下公式来确定[2]。

其中：K为过车工过程增益系数，T为过程时间常数，单位为s，τ为过程时间常数，单位为s，

式中：y(0)：阶跃扰动给定前的温度值；y(∞)：阶跃扰动给定后系统稳定状态的温度值；Δu：给定的输出量；t(0.28)：温度由 y(0)升至 y(0)+0.28×Δy所需的时间值；t(0.632)：温度由 y(0)升至y(0)+0.632×Δy所需的时间值。

3.1.2 系统输入输出数据测定

水温恒定后在阶跃扰动给定Δt=5 s(脉冲宽度为5 s)的开阀时间的作用下，每隔10 s记录水温的变化情况，如表 1所示。由表 1中数据得知：Δy=y(∞)-y(0)=51.9-49=2.9，Δu=5(本系统对应开阀脉冲高电平时间)；静态放大系数 K＝Δy/Δu＝2.9/5＝0.58。

Matlab是一个用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法等。根据表 1中的温度随时间变化的数据在Matlab中进行仿真得K、T、τ的值，通过显示函数显示在仿真图表上，运行结果如图3所示，根据图3可知，K=0.58，T=44.3，τ=16.8。

表1 水温变化情况表

图3 Matlab仿真曲线

根据ZRT原理整定出控制系统的数据模型为：

在此可根据 a的值来选择控制规律，当 a=0.2时应选用比例或比例积分控制规律；当 0.2＜a＜1时，应选用比例-积分-微分控制规律；当a＞1时应采用串级控制或前馈控制。而该系统的 a属于第 2种情况，所以应当选用比例-积分-微分控制规律，即PID控制，脱毒池的系统控制框图如图4所示。

图4 甘蔗种苗温水脱毒池的系统控制框图

3.2 控制传递函数及PID参数的整定

具有比例-积分-微分控制规律的控制器，称为PID控制器[3]。这种组合具有3种基本规律各自的特点，其运动方程为：

式中Kp：比例系数；e(t)：温度测量值-给定值，即偏差值；Ti：积分时间；Td：微分时间；e(t)的微分，即(上次偏差-本次偏差)。

PID控制器相应的传递函数是：

PID参数的整定在Matlab R2015a中PID参数的整定可用PID Tuner或Simulink工具进行。

3.2.1 使用PID Tuner

打开Matlab R2015a，在工作区键入系统的输入输出传递函数G0=tf(0.58,[44.3,1])，然后点击顶部菜单中的APPS下的PID Tuner，在PID Tuner对话框中对选导入系统的输入输出传递函数G0，PID类型选择PID，仿真结果如下图5。点击Show Parameters显示PID参数如下图6所示。

3.2.2 使用Simulink工具

图5 PID Tuner中数据仿真图

图6 Show Parameters显示PID参数图

打开Matlab R2015a，点击顶部菜单中的HOME下的Simulink Library，在库浏览器对话框的上部图标中点New Model，在新的对话框中建立如下图的连接图7。

图7 Matlab模型连接图

3.2.3 S7-200 CPU中PID参数的自整定

PID参数的整定主要有Ziegler-Nichols整定法、临界比例度法、衰减曲线法，经Matlab仿真得知，本系统振荡周期长且难以形成等幅振荡，故采用衰减曲线法。其方法如下：把PID参数中的积分项和微分项去掉(积分时间 9999，微分时间 0)，只保留比例项，在闭环系统中设定给定值为45℃投入自动，待系统稳定后，提高给定值为50℃，记录温度测量值的历史趋势如图8。图中：衰减比例δs=Vp2/Vp1；Ts：为第1个峰值与第2个峰值之时间差，可依据表2经验公式算出PID的参数。

图8 温度测量值的历史趋势

表2 调节器参数表

3.3 控制程序的编制

软件控制流程如图9所示。

3.3.1 参数初始化控制

糖厂因原料等原因每年停机半年以上，停机后设备电源关闭，而S7-200 CPU为早期设计，电路较为落后，仍采用备份电池保存参数，断电时间较长时备份电池耗尽，导致运行所需参数值丢失。为保证任何时候开机设备均能正常运转，程序设计时将

正常运行时的参数值固化于代码中，利用CPU内的首次运行标志及参数异常值判定是否进行参数值初始化。

3.3.2 回差设置

由于阀门控制为开关量输出，必须做好回差控制梯形图，避免阀门在开关位置不停振荡，最终阀门会迅速损坏。

图9 软件流程图

3.3.3 热水水温控制

由于水池恒温时间长，保温期间热水添加量极少，热水管流动量少，冬天降温较快，因此将热水水温引入控制回路，并在热水水温较低时加快流量，提高温度回路反应速度，否则实际操作中会出现水温低于给定值时，长时间水温提升不到给定值。

4 结论

由于使用Matlab对系统模型进行建立和仿真，充分引入控制回路所需的测量参数，并在编程过程中充分考虑了异常情况的处理，因而整体运行良好，系统开机后即进入自动控制状态，无需人工干预。温度控制效果好，使用稳定。