作者：张毅
PID控制是过程控制中一种传统的、应用广泛的控制规律，能有效控制线性定常系统，具有算法简单、响应快、抗干扰能力强等诸多优点。但难以有效控制像套管式杀菌这样具有非线性、时滞等特点的复杂过程。故拟采用模糊自适应PID控制器对杀菌过程进行控制。模糊控制对于机理复杂、动态特性不易被掌握的对象来说非常适用。为解决番茄酱生产过程中
的套管式杀菌器的杀菌温度控制问题，设计了一个模糊自适应PID控制器，使得番茄酱进入灭菌器后能快速达到设定灭菌温度（约106℃），以取得理想的灭菌效果。
1 套管式杀菌系统结构及工艺介绍
图1所示为套管式杀菌器杀菌工艺流程图，其工作原理是通过管中旋转流动的番茄酱与内外夹套里的过热水进行热交换，使酱体迅速提高至设定温度以有效杀灭番茄酱中的细菌、霉菌等微生物。
套管分为三段：杀菌段、冷却段和保温段。在杀菌段酱体的温度会被迅速提高至设定温度，以杀灭霉菌、细菌、酵母菌等微生物；冷却段是把杀菌后的酱体迅速冷却，以避免酱体的新鲜度和色泽受到长时高温的影响；保温段用来保持酱体温度，为灌装作好准备。杀菌段的杀菌温度是控制的关键点，若杀菌温度过低，酱体将由于细菌、霉菌、酵母菌等微生物未得到有效杀灭而易于变质；而杀菌温度过高、受热时间过长虽然可彻底杀灭细菌、霉菌等微生物，但由于番茄红素是热敏性物质，长时间受热或者杀菌温度过高时会发生氧化分解和异构化，使番茄酱色泽变暗且新鲜度降低，营养成分遭受破坏。综上所述不难看出控制加热温度和时长对于生产优质番茄酱具有重要的意义。
为初始设定的PID参数。图2所示为模糊自适应PID控制系统结构图。
根据系统特性和经验，可以推出模糊控制规则表，如表1所示。模糊控制规则数的确定需要一定的经验，经过多次的仿真和试验才能确定效果较好的控制规则。在设计、调试过程中，可不断的修改规则，甚至对规则数进行增．减。由于规则数的变化会对系统的实时性产生影响，所以应根据具体的工艺要求和设计经验来设计模糊控制规则表。最后选用加权平均法为解模糊方法。如图4所示为
的输出曲面图。
3 PLC程序实现
将模糊控制算法在PLC控制器中进行实现，通过MATLAB离线计算参数，在STEP7中建立在线参数查询表，这样可以大大加快系统的计算速度。图6所示为模糊PID控制流程图。
采用Matlab的模糊工具箱进行仿真和计算，离线求出每一对模糊论域(E，DE)上所对应的
的值。在模糊控制算法中，模糊控制量表的查询是关键，采用基址+变址的寻址方式将表中的PID控制结果按从上到下，从左到右的顺序填人PLC的数据寄存区DB1.0~DB1.672，DB2.0~DB2.672和DB3.O～DB3.672中。为便于寻址查询，将模糊论域的元素{-6，-5，-4，…，0，…，4，5，6}转换为{0，1，2，3，…，6，…，10，11，12}。控制量的基址为0，其偏移地址为O+EcX13+E。由模拟量采集模块采集温度，用功能FB41计算出温度偏差e，通过FC1编写程序计算出温度偏差de，并将e和de模糊化，存放在背景数据块中。通过FC2对表进行查询得到模糊控制量，并将相应的PID控制参数送人PID运算功能块进行计算。通过调用FC105和FC106模块实现模拟量输入输出的处理。PID三个参数的寻址完成后，可得到精确的控制量
，将得到的控制参数送人PQW258，来控制调节阀的开度，通过控制蒸汽量来调节过热水的温度，使杀菌温度快速准确的达到设定值。
4模糊自适应PID控制与传统PID控制的跟随性及抗扰性比较
采用扩充响应曲线法确定PID控制器的初始参数及模型参数。对系统施加阶跃信号，令Kp=1，测量系统的开环响应曲线，绝大多数系统，尤其是温度控制系统，其开环响应曲线如图7所示。
由图8~图10可知，若确定好参数，传统PID控制也可以获得较好的效果，但在惯性滞后系统中不易获得，模糊PID控制可以弥补传统PID控制的缺陷，在超调量、调节时间上可以获得比传统PID控制更好的效果。番茄酱杀菌工艺要求在酱体进入杀菌器6s时，迅速将其加热至106℃。由图可知传统PID控制番茄酱杀菌系统将酱体从90℃加热至106℃所需时间超过工艺要求时间，而采用模糊自适应PID控制所需时间为Ss左右，系统响应时间减小，且超调量减小了10%。同时可以看出，量化因子对系统超调量有很大调节作用。
系统在运行过程中会遇到一些干扰，如加热蒸汽温度偏离设定值、进料温度或浓度变化等，都会对杀菌温度产生直接影响。如图11中在100 s时在控制器和被控制对象之间给系统加一个幅值为3、持续时间为2s的阶跃扰动，从图11和图12中可以看出，模糊PID控制比传统的PID控制具有更小的动态（负）降落和恢复时间，即当实际温度偏离设定值时系统可更快恢复。
5结论
将PID控制与模糊控制相结合，在S7-300PLC中实现控制算法，通过上位机用WinCC进行实时监控，可以方便的修订量化因子和比例因子，提高了系统的智能化程度。与常规的PID控制相比，模糊PID控制有效克服了惯性和滞后等不利因素在温度控制过程中所产生的不良影响，使系统的鲁棒性及动态性能得到了一定的改善。
6摘要
针对番茄酱生产过程中的套管式杀菌器的杀菌温度控制问题，将模糊算法与PID控制器相结合，开发了基于西门子S7-300PLC的番茄酱套管式杀菌温度控制系统。在S7- 300PLC中实现了模糊自适应PID控制，并利用Matlab进行真研究，结果表明该控制系统具有良好的动静态性能，且抗干扰能力强，能满足工艺要求。
