一种陶瓷坯体烘干控制系统设计

常燕臣，曾 艳，王震生

(唐山工业职业技术学院，唐山 063299)

0 引言

在陶瓷生产过程中，坯体烘干[1]是一个非常重要的过程,目前坯体烘干技术有热风烘干、烘干炉烘干等。相对于其他技术而言，热风来源丰富，价格便宜，热风烘干控制系统机械结构简单，易于维护[2]。在热风烘干过程中，系统主要控制对象为坯体的含水率，其工艺过程主要分为三个阶段：1）预热阶段；2）恒温干燥阶段；3）降温干燥阶段。在每个阶段中，温、湿度控制是影响坯体质量的关键因素，其中温度变化主要受加热器影响，而湿度变化主要由除湿装置进行调节改变，因此热风烘干控制系统的本质是一个温、湿度控制系统[3]。

温湿度控制系统具有强时变性、强耦合性等特点，数学模型较难建立。采用经典PID(Proportion Integration Differentiation）控制可以满足控制要求，但参数整定过程较为困难，且一组整定参数只能适用于较小控制领域。如此一来，一些新的先进控制思想被引入到温湿度控制中，以寻求建立更精确系统模型，如模糊PID控制[4,5]，模糊控制[6]，预测控制[7]等。在本文中，考虑到控制系统温湿度参数响应速度，及系统的稳态性能的问题，选用鲁棒性较强的广义预测控制算法进行研究与应用。同时对系统进行解耦，使解耦后的温湿度系统演变成了两个独立的单输入、单输出系统，继而与预测算法相结合，形成一个完整的控制系统。

此外，对控制过程具体实现进行研究，为提高预测算法实际应用时的高效性，系统在以S7-1200PLC为核心控制器的基础上，选用STM32处理器进行算法处理，同时设计上位运行监控系统，以便对系统工作状态进行实时监控。

1 控制方案设计

1.1 控制系统分析

热风烘干过程是通过加热、降温、减压，或其他能量传递的方式使物料的湿气水分产生挥发、升华，最终达到使湿分与物料分离的目的，控制系统的控制对象本质为系统温度和湿度[8]。系统结构如图1所示，其基本原理为：通过风机将热源周围的空气加热，并借助引风机将热风吹送到干燥房，之后利用旋风筒的旋转离心力及散风机构，将热风热量均匀的散发在物体的表面和周围，最后通过温湿度传感器检测干燥房内的温湿度变化，并与工艺设定值进行对比，以便结合控制器实现对加热装置和除湿装置的自动调节，使干燥房内温湿度值快速响应系统目标设定值，进而达到快速、准确烘干目的。在此过程中，当坯体湿度较大时，需要借用排潮装置即排潮风机与排潮风门的配合往外抽湿的方式进行除湿，但需要注意的是在除湿过程中，温度会受到影响而下降。同样，加热调节器在进行增温控制时，坯体的湿度也会发生变化。因此，热风烘干的控制系统具有以下特点：温、湿度控制指标的强耦合性，大时延特性，分布不匀称，时变特性和多干扰性。

图1 陶瓷坯体热风烘干控制系统结构示意图

在热风烘干系统中控制对象温度和湿度具有严重的耦合关系，需在应用控制算法前对系统进行解耦处理。目前，已有很多种解耦方法，如模糊解耦控制[9]，自适应解耦控制[10]等，但针对本系统控制参数特性，使用常规的解耦策略需要很多复杂的算法模型，计算量很大，为了使多变量控制系统能够长期、安全有效的运行，本文引入了一种将绝对湿度作为中间转换变量的方法,以使温度和湿度信号进行有效解耦[11,12]。

在热风烘干控制系统中，如果忽略控制过程的管路效应，使旋风筒和引风机的速度保持恒定值，那么系统可被简化为由加热装置、除湿装置和烘干房组成。基于此可建立温湿度调节控制模型如图2所示，其中温度T和相对湿度h1为系统输出变量,加热调节器A1和除湿调节器A2为系统的输入变量。

图2 温湿度模型

由于在控制过程中，加热器只影响温度,不影响绝对湿度，而除湿器则直接同时影响温度和湿度。鉴于此，输入和输出之间的关系可表达为T=f1(A1,A2)，h1=f2(A1,A2)。但是，烘干房内的温度与绝对湿度之间并无直接关联，两者之间也不存在相互影响，故可利用绝对湿度h2与加热器A1无关这一特点来进行解耦处理，即可将控制相对湿度h2转化为控制绝对湿度h2进行处理,如此可解除相对湿度和温度之间的耦合问题。解耦后系统变为如图3所示。

图3 系统解耦框图

系统关系式为：

根据实际系统反应和系统阶跃响应曲线估算出：

很明显，系统经过分解之后，转化为温度和湿度两个独立的控制系统。如此一来，多变量控制系统就转化为两个独立的单输入、输出控制系统，为后期控制算法的选择与应用提供了良好的前提条件。

2 改进的广义预测算法

热风烘干系统解耦合后可看出温湿度模型都为典型的受控自回归积分滑动平均模型（Controlled Auto-Regressive Integrated Moving Average，简称CARIMA），可采用直接选择广义预测算法[13]进行控制，但常规广义预测算法计算量较大，且控制时域选取范围受限，在这里选择了一种改进的直接广义预测算法来进行控制[14]。相较于普通的直接广义预测算法，本文所用的预测算法主要在传统的直接广义预测算法基础上改进了以下三个方面：

1）对模型进行在线辨识校正时，将递推极大似然估计与遗忘因子递推最小二乘法结合，形成了一种改进的递推极大似然参数估计方法，从而解决控制参数与噪声干扰紧耦合时参数估计变慢的问题。

2）在迭代过程中，采用共轭梯度求最优解的方法求最优控制律，从而大大降低了计算量，扩大了预测时域和控制时域选取范围，增加系统的稳定性。

3）为解决系统快速性与超调这一固有矛盾，在t时刻，利用t+1时刻的最优控制对t时刻最优结果进行修正，则可在较短的时间内达到设定值，可以一定程度上减小超调量。

具体而言，考虑如下模型：

其中，A(z-1)、B(z-1)和C(z-1)是后移算子z-1的多项式

{u(t)}和{y(t)}分别表示被控对象的输入和输出，Δ=1-z-1表示差分算子，{ω(t)}是互不相关的零均值噪声序列。令θ＝，则在系统控制中需要辨识参数，根据要求，改进的广义预测控制算法步骤如下：

1）输入控制时域Nu、控制加权常数λ、滤波多项式T(z-1)等参数及参数估计算法中α和遗忘因子ρ的初始值和单位阵I。

2）置k=0，P(t)=α2I，θˆ (t)=0；

3）利用改进的最大似然估计算法辨识控制器参数E、E、S，其中S为引入的滤波多项式中的参数，E和E为引入Diophantine方程中的参数

4)将所得结果代入式

并利用共轭梯度的迭代方法求得最优解。

5）之后采用以下两式求得t时刻的控制量

求得t时刻的控制量u(t)。

6）为了减小超调量，对t时刻的控制量进行修正，得到实际控制量

7）置t=t+1，返回步2）。

3 整体控制方案与系统仿真

系统通过解耦后与改进的广义预测控制算法相结合，形成一种新的控制方案，如图4所示。

图4 系统温湿度控制框图

在本系统中，先控制湿度H=G22(S)A2，得到的除湿调节器A2作为前馈加到温度系统中,则温度控制过程就变为T-G12(S)A2=G11(S)A1。因此，结合本系统控制过程，系统整体控制的步骤为：第一设定好温、湿度的控制参数；第二采样得到系统当前的温度和相对湿度，并根据转换关系得到温度和绝对湿度；第三根据给出的相对湿度给定值和温度参数利用改进的广义预测算法计算出除湿调节A2。第四根据温度给定值参数，利用改进的广义预测算法计算出加热调节器A1。最后返回至第二步，取下个时刻的温、湿度参数，继续循环控制。

根据系统的整体控制框图和响应估算结果，可得出温湿度的仿真模型，如图5所示。由于温度和湿度系统的时延和时间常数相差较大，因此采用不同的采样周期进行控制。

图5 温湿度系统仿真模型

温度系统为：

在湿度系统中，时延是2分钟，时间常数是1.5分钟。假如采样周期TSH取1分钟，那么相应的控制参数选择应为：N1H=1，N2H=5，NuH=1，即通过改进的广义预测控制算法，每隔1分钟更新一次A2值。在温度系统中，时延取5分钟，采样周期TST为2分钟,控制参数相应取为N1T=1，N2T=10，NuT=1，令，则由当前的A2值算出T2=G12(S)A2(t)，之后每隔2分钟更新一次A1值。仿真结果如图6和图7所示。进一步，将温度的采样周期改为5分钟，控制参数相应取为N1T=1，N2T=5，NuT=1。实验结果如图8和图9所示。

图6 当TST为2min时，系统温度控制曲线图

图7 当TST为2min时，相对湿度控制曲线图

图8 当TST为5min时，系统温度控制曲线图

图9 当TST为5min时，相对湿度控制曲线

很明显，采样周期设置对结果影响较大，但系统的温湿度指标在不同时间内都可以稳定在一定范围之内，由此可以验证控制方案的可行性。

4 系统平台搭建

为了实现控制算法控制系统的现实应用，搭建了一种陶瓷坯体热风烘干系统的控制平台。该平台以S7-1200PLC为核心控制器，如图10所示，同时采用STM32处理器对温湿度信号进行运算处理，利用RS485通讯模式实现STM32处理器与S7-1200PLC实现数据通讯。此外，为了便于对系统工作状态进行实时有效运行监控，及对工艺操作参数进行在线修改，还增加了西门子系列SIMATIC精简系列面板KTP700Basic型工业触摸屏作为运行监控载体，以实现对目标值的快速、精准响应。

图10 硬件平台构件图

根据系统结构图，对系统硬件进行选型，结果如表1所示。

表1 系统硬件选型

4.1 STM32处理器电路设计

在本系统中为了使温湿度控制得到有效控制，使用了STM320F103RBT6，通过RS485端口与S7-1200型PLC之间实现通讯。该电路主要由STM32驱动电路、温湿度采集电路、通信驱动电路、显示电路、键盘模块和电源电路构成。整个电路供电由DV5V转DC3.3V的电源电路负责；在STM32驱动电路中，PA0、PA1引脚复用功能ADC12作为信号采集端，PB10、PB11引脚复用功能作为与PLC实现RS485数据通讯端。温湿度传感器输出需要经过转换处理，主要应用的元器件为RCV420精密电流环接收器芯片。通信驱动电路主要应用了MAX485芯片实现STM32与S7-1200PLC的RS485通讯模块之间的标准通讯，如图11所示。

图11 STM32外围电路图

4.2 运行监控系统设计

运行监控系统设计如图12所示，主要通过采用SIMATIC精简系列面板KTP700 Basic型工业触摸屏来实现，该触摸屏通过Profinet与PLC实现通讯。具体操作界面包括以下内容：欢迎界面、主界面（主要实现系统的启动、停止、复位等操作运行指示功能）、温度曲线监控界面（包括温湿度显示曲线、当前温湿度值）、历史温度曲线界面、温湿度参数整定界面、系统手动控制界面等，全方位实现系统参数据的设定、监控、修订、报警信息提示、不同阶段数据的查询和下载及系统运行曲线监控显示等功能，同时为了保证设备运行稳定、安全、可靠，在主界面中设定了权限，对不同操作人员的权限实施限制，保证系统的稳定运行。

图12 监控运行系统的构建

将设计的系统温湿度运算STM32处理器、S7-1200PLC核心控制器、监控运行系统HMI三者进行融合，经过调试研究，该平台搭建方案具有可行性，满足控制系统的控制要求。

5 结语

本文研究了陶瓷坯体烘干中的热风烘干控制系统，首先分析了控制系统的目标（温度和湿度）和特点，之后设计了此系统的控制方案，即先利用一种通过绝对湿度求相对湿度的解耦方式把温湿度耦合控制系统分解成了两个独立的控制系统，然后用改进的直接广义预测算法进行处理，通过仿真研究表明，所设计的控制方案是具有可行性。此外，结合控制系统要求，对控制过程的具体实现进行了平台搭建。所构建平台以S7-1200PLC为核心控制器，结合STM32处理器与上位机监控HMI等设备，以实现对系统的整体调试。目前，系统已基本调试成功，但算法的实时性方面仍有提升的空间。