Simulink在烟叶烘烤控制系统中的应用

王 涛，毛 岚，李生栋，张军刚，唐荣禄，王 靖

(1.云南省烟草公司曲靖市公司，云南 曲靖 655000；2.西南大学智能传动工程技术研究中心，重庆 400716)

0 引言

在整个烟草农业中烟叶烘烤占有至关重要的地位，烟叶最终的烘烤品质直接与其烘烤技术水平相关，也与烟农的收入挂钩[1]。温湿度的控制是影响烟叶烘烤过程中最关键的因素[2]，而传统的人工控制方法，存在技术水平不一，控制精度低，劳动强度大，经济性较差，质量不稳定等问题，一定程度阻碍了其规模化发展的进程。因此，利用现代计算机技术，通过智能化控制技术实现对烟叶烘烤的自动调节对于减轻劳动强度、提升控制精度、节约劳动成本等具有重要作用。[3]

烟叶的烘烤通常采用变黄期、定色期和烘干期三段式烘烤工艺[4]。在实际烘烤过程中，各阶段对温度和保温的时间各不相同，控制系统需要实时采集烤房内当前的温湿度值，将其与现有工艺曲线上对应的目标温湿度值进行数学运算，然后通过智能控制算法控制执行元件，最终实现温湿度快速稳定准确地调节。高质量的控制算法则也成为烟叶烘烤控制过程中品质保障的重要因素。

因此，本文设计了一种基于Simulink的烟叶烘烤温湿度控制系统，该系统通过OPC、Modbus和PLC的编程口协议将Simulink、组态软件、PLC、变送器等组件联结，实现了Simulink对PLC的直接控制，对于快速构建智能控制算法，实现烟叶烘烤的智能化控制，以及进一步研究优质烘烤工艺曲线具有重要支撑作用。

1 控制算法

烟叶的烘烤控制属于过程控制的范畴，主要目的是通过控制各种执行元件如加热器、除湿器和风机等，使烤房内温湿度数据朝着工艺曲线预设的方向快速、稳定、精准地调节，最终实现烟叶的高质量烘烤。实现目标的控制算法多种多样，其中以模糊控制、PID控制、模糊PID控制算法最为典型。

1.1 模糊控制

模糊控制是一种模仿人推理和决策将模糊控制规则通过条件语句描述出来的语言型智能控制方法。在实际应用中，因其不需要建立精确的数学模型，控制简单，便于设计等优点被广泛应用[5]。其基本组成如图1所示。

该控制方法首先将传感器采集到的数字量信号经过模糊化送入推理机推理后，再经解模糊化运算得到驱动控制量，最终通过硬件控制器操作执行元件实现温湿度智能控制。推理机部分主要由模糊控制参数和模糊控制规则组成，其中控制规则一般是由具有丰富理论和现场操作经验的专家总结归纳形成的经验逻辑，通常用“if条件，then结果”的形式来表现；模糊化是一种将精确输入数字量转化为模糊量的方法，一般可以通过将精确量转换为标准论域上的模糊子集或模糊单点集实现；解模糊与模糊化相反，即模糊量的精确数字化，可以通过最大隶属度法和重心法实现；解模糊后输出的数据可以是执行元件，如加热器的开度、电机的旋转角度等，最终都是通过PLC的模拟量输出、PWM脉宽调制、脉冲数量和方向等控制执行实现。

1.2 PID控制

PID控制是一种经典的控制方法，因其结构简单、可靠性强、鲁棒性好被广泛应用于工业过程控制，特别是可建立精确数学模型的确定性控制系统中，发展较成熟[6]。其系统结构如图2所示。

图2中，输入端r(t)为系统输入目标值，如烟叶烘烤工艺曲线中的目标温度和湿度值函数；y(t)为被控对象的相应输出，如烤房内实际的温湿度值；e(t)为系统偏差，即目标值与实际值的差值。系统根据该差值进行比例、积分、微分的综合运算得到系统输出值，从而控制执行元件运行，以缩小差值，实现温湿度快速、稳定、精确的调节。其数学模型为：

(1)

(2)

(3)

KP、KI、KD分别表示比例增益、积分增益和微分增益。这3个参数在系统的控制中发挥着不同的作用：比例增益越大，控制趋于目标值所需的时间越短，但太大则会出现系统震荡；积分增益是伴随着误差而存在，它的主要作用是让系统的动态响应趋于缓慢，直接影响着系统的稳定；微分增益则与偏差变化相关，起着超前调节的预见性作用，消除偏差增大的趋势。合理分配三者的参数，对于PID控制的性能发挥极为重要。

1.3 复合控制算法

烤房温湿度的大延迟问题决定了单一依靠PID控制的方法较难实现温湿度的快速稳定调节。为此出现了多算法相结合的复合式控制算法，如模糊PID的复合控制方法，通过偏差值及其微分值进行模糊逻辑推理动态调整PID的参数，有效弥补PID调节过程中不足[7]，其控制结构如图3所示。

2 控制系统平台的搭建

Simulink是一种可视化系统建模和仿真工具，具有涉及领域广、算法模块多、操作灵活等优势，被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计中。同时，对于各种时变系统，如通信、控制、信号处理等，通过其自带的交互式环境和模块库组合配置，可以便利地实现系统的设计、仿真、执行等任务。在该烟叶烘烤温湿度控制系统中，Simulink主要用于控制算法的实现和实时系统的运行测试。组态软件主要用于与Simulink的OPC通信，以间接控制PLC操作执行元件，从而实现温湿度调节的功能；组态软件同时也兼具数据监控和报警显示的功能，当控制系统出现异常情况时可以及时报警[8]。PLC作为控制平台的数据采集和输出控制部分，主要用于温湿度数据的采集和执行元件控制。其系统结构如图4所示。

2.1 数据采集

烤房内温湿度数据的采集方式多样，常见的主要是通过AD转换和通信传输。AD转换一般还需要经过数据量转换，将采集到的数字量数据变换为实际的温湿度值。该烘烤控制系统的温湿度数据的采集主要通过变送器实现，可以直接通过Modbus rtu协议将实际的温湿度数据传输至PLC的内部寄存器，以便组态软件实时读取和监控。

2.2 数据互联

实现Simulink与组态软件的OPC实时通信使得Simulink用于实时烟叶烘烤温湿度控制具有了现实意义。OPC作为工业控制领域的技术规范和标准，在MATLAB工具箱OPC Toolbox中已有了支持。该设计中可以直接通过调用模块中的OPC Read/Write功能，实现组态软件中数据的读写操作。该系统使用力控组态软件提供的实时数据库支持OPC标准，通过参数配置即可实现温湿度数据和被控制数据的Simulink互联。

2.3 系统控制部分的实现

该平台的软件控制部分主要集中在Simulink环境中，可以直接通过添加模块的方式将OPC、PID、Fuzzy等功能模块组合并配置参数即可实现基本的温湿度控制功能。

硬件控制执行部分主要由三菱PLC实现，该PLC集成了基本的IO输入输出、模拟量输入输出、高速脉冲输出、Modbus通信和编程口通信等功能。可以通过协议直接读取变送器传输的温湿度值，可以与力控组态通过编程口协议实现通信，可以通过PWM或模拟量输出实现风机的速度调节等，在满足该控制系统需求的同时也留足了余量，当后期功能更新，控制变量更丰富时，也可以根据实际需求，扩展内部寄存器和IO口数量。

2.4 组态的设计

力控组态软件在该控制平台中不仅提供了OPC通信功能，还提供了实时数据的监控、异常报警以及历史数据记录等功能。用户通过编写适宜的组态界面，观察当前烤房内温湿度值、执行元件状态等数据，当系统出现故障时，也能通过报警设置迅速定位故障源，以便工作人员能迅速排除故障。

3 结语

该烟叶烘烤控制系统平台的搭建，可以让研究人员在实际实验过程中，只需要专注控制算法的优化更新，而不需要在硬件结构上花费太多人力物力。不仅大大提高了实验效率，而且对于进一步结合Simulink构建更完善的烘烤控制算法、探索更优质的烘烤工艺具有支撑作用。