基于模糊PID的烟叶烤房控制系统设计

论文摘要

烟叶烘烤是按照一定的烘烤工艺控制烤房内的温度和湿度条件,使烟叶受热失水,并在烟叶内部发生一系列的生理和生化反应,最终获得具有一定的颜色、香气和化学品质的成品烟叶的生产过程。在烤烟型香烟的生产中,烟叶烘烤过程是决定产品质量的关键环节。目前国内外对密集式烟叶烤房的自动化控制已经有了一定的研究,并出现了一些商业化的控制系统。但是这些控制系统大都基于传统的PID控制算法,无法解决烘烤系统的时变性和温湿度耦合的问题,控制精度不理想；此外这些系统在自动化程度和系统集散管理方面也不完善,仍然需要进行研究和改进。本文针对现有烟叶烤房温湿度控制系统中存在的问题,在系统规划、控制算法、硬件设计和软件设计上做出了一定改进：在系统规划方面,建立了基于无线通讯的局域网络,并引入系统集散管理软件,实现了集散花的生产监控和信息管理。通过建立集散管理系统,可以实时在线观测各个烤房的工作状态,并对烘烤生产过程进行数据记录,便于科学地分析管理整个生产流程。在这一过程中,针对多机轮询通讯方式存在滞后的问题,提出并实现了基于任务的串口通讯模式,提高了系统的反应速度。控制方法方面,通过对被控对象和生产流程的特点进行分析,找出了影响控制效果的原因在于系统的时变性和温湿度耦合。针对系统时变性的特点,将模糊技术引入烟叶烤房温湿度控制系统,结合PID控制形成了模糊自适应PID控制算法,提高了系统的鲁棒性和控制精度。针对系统中温湿度耦合的问题,通过分析常见的解耦算法,在系统中引入了基于前馈算法的解耦环节,实现了对温湿度的解耦,进一步提高了系统控制效果。系统仿真和生产实践的结果证明,使用模糊PID控制算法和解耦算法之后,烟叶烤房控制系统的控制效果明显优于原有系统,烟叶生产的合格率和优秀率都有大幅提升。硬件设计方面,完成了热电偶温度采集、加热与排湿控制输出、按键与显示、串口通讯等电路设计,并引入了一定的硬件抗干扰措施。软件设计方面,完成了单片机控制程序和系统集散管理程序,前者主要包括系统温度采集、键盘显示、模糊自适应PID控制、前馈解耦、串口通讯等子程序,后者包括串口收发、数据的图形显示、文件管理、历史数据查询等多个程序模块。生产实践证明,改进后的系统在控制精度,自动化程度和集成化程度方面都明显优于原有系统,烟叶的生产质量和生产效率具有显著提升,工人劳动强度得到了降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 烟叶烘烤生产现状
• 1.2.1 烟叶烤房的类型与特点
• 1.2.2 烟叶烘烤中存在的问题
• 1.3 问题分析与解决途径
• 1.3.1 烟叶烘烤质量低且不稳定
• 1.3.2 自动化程度低
• 1.3.3 系统集成化程度较低
• 1.4 论文的主要内容
• 1.5 本章小结
• 2 问题分析与算法研究
• 2.1 被控对象的研究与分析
• 2.1.1 密集式烟叶烤房
• 2.1.2 三段式烟叶烘烤工艺
• 2.1.3 被控系统的特点
• 2.2 模糊自适应PID算法研究与实现
• 2.2.1 PID控制算法
• 2.2.2 模糊控制算法
• 2.2.3 模糊自适应PID控制算法
• 2.2.4 模糊自适应PID算法的实现
• 2.3 解耦环节的研究与实现
• 2.3.1 常见解耦算法分析比较
• 2.3.2 前馈解耦控制原理
• 2.3.3 解耦补偿系数的确定
• 2.3.4 引入解耦环节的控制系统结构
• 2.4 算法验证
• 2.4.1 系统仿真验证
• 2.4.2 生产实践验证
• 2.5 本章小结
• 3 控制终端硬件设计
• 3.1 功能分析与整体规划
• 3.1.1 系统功能分析
• 3.1.2 硬件结构总体规划
• 3.2 微控制器的选取
• 3.3 温湿度检测电路设计
• 3.3.1 干湿球测湿度原理
• 3.3.2 温度测量电路的实现
• 3.4 控制输出电路设计
• 3.5 串口通讯电路设计
• 3.6 按键与显示电路设计
• 3.7 电源电路设计
• 3.8 硬件抗干扰设计
• 3.9 本章小结
• 4 控制终端软件设计
• 4.1 程序流程规划
• 4.1.1 控制软件设计原则
• 4.1.2 控制软件整体流程
• 4.2 温湿度采集子程序设计
• 4.3 模糊自适应PID算法子程序
• 4.4 解耦算法子程序
• 4.5 串口通讯子程序
• 4.6 抗干扰措施
• 4.7 本章小结
• 5 系统集散管理软件设计
• 5.1 系统集散管理软件构架
• 5.2 串口通讯模块设计
• 5.2.1 基于任务的串口通讯模式
• 5.2.2 任务式通讯模式的实现
• 5.2.3 Modbus通讯协议
• 5.2.4 串口通讯控件
• 5.2.5 串口通讯程序流程
• 5.3 数据库管理模块设计
• 5.3.1 建立数据表
• 5.3.2 数据操作的实现
• 5.4 界面设计
• 5.4.1 入口界面
• 5.4.2 单个烤房详情界面
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者介绍