PID算法优化在鲜肉排酸处理中的应用

章万静 刘长荣 李刚

摘要：为了提高鲜肉排酸处理的自动化程度，解决系统存在的非线性、大滞后、大惯性等问题，研制了一种鲜肉排酸自动化控制系统，该系统利用反馈回路控制技术，结合PID控制并对控制算法进行优化，从而实现对排酸冷却间中的温度、湿度和风速等环境参数进行自动监测和精准调节。研究结果表明：PID算法优化后的控制系统动态响应快、鲁棒性强、稳态精度高、超调量小、抗扰动能力强，具有良好的控制效果，能够满足鲜肉排酸处理的要求。

关键词：PID；算法优化；鲜肉；排酸；控制系统；反馈回路

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）28-0221-03

Application of PID Algorithm Optimization in Cold Meat Acid Removal Control System

ZHANG Wan-jing， LIU Chang-rong， LI Gang

（Huaian Vocational College of Information Technology， Huaian 223003， China）

Abstract：In order to improve the degree of automation of cold meat acid treatment， solve existing problems such as nonlinear， large delay and large inertia， a cold meat acid automatic control system based on the feedback loop control and PID control technology is developed， and the PID control algorithm is optimized， thus realizing the automatic monitoring and precision controlling of the environment parameters such as the temperature， the humidity and the wind. The research result shows that the control system optimized by PID algorithm has fast dynamic response， strong robustness， high accuracy， small overshoot and strong anti-interference capacity， which has good control effect and can meet the processing requirements of cold meat acid removal.

Key words： PID； algorithm optimization； cold meat； acid removal； control system； feedback loop

排酸肉，又叫冷鮮肉，是活牲畜屠宰经自然冷却至常温后，将两分胴体送入冷却间，在一定的温度、湿度和风速下将肉中有害的新陈代谢产物最大限度地分解挥发掉，同时改变肉的分子结构和酸碱度，增加肉的鲜味和营养，提高口感，有利于人体的吸收和消化。

排酸肉是现代肉品卫生学及营养学所提倡的一种肉品后成熟工艺，在发达国家几乎达到了100%的市场占有率。针对目前排酸冷却间中的手动或半自动控制的弊端，设计了一种基于PID改进算法的鲜肉排酸控制系统，它能自动检测和精准控制冷却间中的温度、湿度、风速等参数，使排酸处理在最适宜的环境条件下，降低了劳动强度，提升了鲜肉品质[1]。

1 PID控制算法

1.1 PID控制原理

PID是比例（Proportion）、积分（Integration）、微分（Differential）控制，又称PID调节，主要包括三个部分：测量、比较和执行。其控制原理就是将被控对象的期望值与实际测量值相比较，利用这个偏差来执行调节控制，纠正系统的响应，PID控制原理如图1所示，图中x（t）为被控对象输入的期望值，y（t）为被控对象输出的实际测量值[2]。

PID控制的输入e（t）与输出u（t）的关系为：

[ut=KPet+1TI0terdr+TDdetdt+u0] （1-1）

式中：KP为PID控制的比例放大系数；TI为PID控制的积分时间常数；TD为PID控制的微分时间常数；e（t）为PID控制的输入信号，它等于期望值x（t）与测量值y（t）之差；u（t）为PID控制的输出信号；u0为PID控制在偏差e（t）=0时的输出信号。

1.2 PID参数整定

PID控制中的参数相互独立，不同的取值对控制系统的影响不同：比例环节中KP的取值合适时，会加快系统的响应速度，提高系统的调节精度，不合适时会导致超调；积分环节中TI的取值合适时，会消除稳态误差，不合适时会导致积分饱和现象；微分环节中TD的取值合适时，会改善系统的动态性能，不合适时会延长系统的调节时间。

因此，PID参数整定是控制系统设计的核心，它根据被控过程的特性确定PID控制的比例放大系数KP、积分时间常数TI和微分时间常数TD的大小。现采用工程整定方法中的临界比例法进行PID控制参数的整定，步骤如下：

（1） 预选择一个足够短的采样周期让系统工作；

（2） 仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；

（3） 通过公式计算得到PID控制的比例放大系数KP、积分时间常数TI和微分时间常数TD。

1.3 PID算法优化

由于上述PID控制算法对系统而言，快速性、精确性和稳定性不佳，现用求和代替积分、后向偏差代替微分对算法进行优化。优化算法过程如下：

（1） 对公式（1-1）进行离散化。

令[ut≈uk]，[et≈ek]，[0terdr≈Tj=0kej]，[detdt≈ek-ek-1T]，

式中，T为采样周期，k为采样序号，则t[≈]kT。需要注意的是，在上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。公式（1-1）离散化后为

[uk=KPek+TTIj=0kej+TDTek-ek-1+u0] （1-2）

（2） 将k-1带入公式（1-2）中得到

[uk-1=KPek-1+TTIj=0k-1ej+TDTek-1-ek-2+u0]（1-3）

（3） 令[?uk=uk-uk-1]，将式（1-2）减去式 （1-3）并化简得到

[?uk=KPek-ek-1+TTIek+TDTek-2ek-1+ek-2] （1-4）

（4） 令[q0=KP1+TTI+TDT]，[q1=-KP1+2TDT]，[q2=KPTDT]，则公式（1-4）简化为：

[?uk=q0ek+q1ek-1+q2ek-2] （1-5）

采用以上PID算法优化，一旦利用临界比例法确定了KP、TI、TD的值，只需要使用前3个时刻的偏差值e（k）、e（k-1）、e（k-2）由式（1-4）或式（1-5）就可以求出控制输出信号增量△u（k），PID算法优化的流程图如图2所示。

2 排酸控制系统

2.1 系统总体结构

由于排酸控制中的温度、湿度、风速是非线性、大延时并且难以建模，传统的PID控制方法并不能达到理想的控制效果，故采用PID优化算法来提高系统的稳定性和控制的精确性。

排酸处理需要将屠宰后的畜胴体在24小时内降为0～4℃[3]，并在湿度为80%～95%，风速为0～3m/s的冷却处理间中进行长时间的排酸，该过程依畜禽种类不同和温度不同所经历的时间也不同，普通环境下，从屠宰完到成熟好[4]，猪肉需要3～5小时，羊肉需要5～7小时，牛肉需要10～14小时。排酸控制系统如图3所示，该系统主要由CPU控制器、液晶显示、键盘输入、传感器检测和自动执行机构等组成。

2.2 实验与分析

为了检测系统的工作性能，将系统安装在鲜肉排酸处理冷却间进行试验，采用普通PID算法和PID改进算法时的温度、湿度和风速控制曲线分别如图4、图5、图6所示。

从图中可以看出，排酸控制系统采用PID算法优化后的温度、湿度、风速控制精度高、稳态性好[5]。

3 结论

根据鲜肉排酸处理的要求，提出了一种鲜肉排酸自动化控制系统的设计方案，系统结合反馈回路控制技术和PID控制技术，并对PID控制算法进行优化，从而实现对排酸冷却间中的温度、湿度和风速等环境参数进行自动监测和精准调节[6]。研究结果表明：PID算法优化后的控制系统动态响应快、鲁棒性强[7]、稳态精度高[8]、超调量小[9]、抗扰动能力强，具有良好的控制效果，能够满足鲜肉排酸处理的要求[10]。

参考文献：

[1] 刘佳东，余群力，李永鹏.宰后冷却牦牛肉排酸过程中肉用品质的变化[J].甘肃农业大学学报，2011，46（2）：111-114.

[2] 申超群，杨静.温室温度控制系统的RBF神经网络PID控制[J].控制工程，2017，24（2）：361-364.

[3] 曹芝，敖日格乐，王纯洁，等.不同品种及排酸对育肥牛肉嫩度影响的研究[J].大连海洋大学学报，2012（13）：8-10，180.

[4] 谢程炜，诸永忠，王道营，等.3个品种鸭肉排酸成熟后脂肪酸组成的比较[J].江苏农业科学，2013，41（7）：231-234.

[5] 葛洪央，陈军章，葛新锋.饲料烘干机的自适应模糊PID控制[J].江苏农业科学，2017，45（9）：202-204.

[6] 石成成，孙瑜徽.基于PID算法适于水族箱恒温控制系统设计[J].电脑知识与技术，2017，33（13）：252-253，257.

[7] 李文华，牛晓靖，张建卓.污水处理中溶解氧的模糊PID控制[J].江苏农业科学，2015，43（1）：362-364.

[8] 赵文龙，黄寻.基于遗传计算模糊PID的数字随动系统设计[J].实验室研究与探索，2017，36（6）：62-67.

[9] 徐咏，邬超鹏，谭海锋，等.基于空调控制器的模糊PID控制算法研究与应用[J].电脑知识与技术，2018，14（9）：269-272.

[10] 谢翌冬，肖卫民，康大成，等.一种基于生物阻抗的冷鲜猪肉新鲜度检测方法研究[J].南京农业大学学报，2016，39（5）：845-851.

【通联编辑：梁书】