1 引言
采用冷冻干燥方法得到的物品原有的化学、生物特性基本不变．易于长期保存．是一种优质的干燥方法，广泛应用于食品、生物制品、医药、化工、材料制备等各个领域。冷冻干燥过程对搁板温度实现实时、高精度的控制，可有效地保证冻千产品质量和批次的一致性．缩短冻干时间．降低能耗，有效节约成本。
目前．冷冻干燥机中的搁板温度控制基本上采用传统的比例积分微分(proportion integration diferentition，PID)控制方法。而PID控制中一个关键的问题就是PID参数的整定，传统的方法是在获取控制对象数学模型的基础上，根据某一原则确定参数。但是，受升华干燥过程的物料量、物料升华干燥速率、物料干燥程度、环境温度、真空度等各种因素的影响，其过程参数甚至模型结构均会随着物料品种、升华干燥时间和工作环境的变化而变化．控制系统对变化的跟踪性能较差。这就要求PID参数的整定不能依赖于对象数学模型，而是能够在线进行实时调整．以满足实时控制的要求。
本研究将模糊控制中的模糊推理思想和PID控制结合起来．在冷冻干燥机的搁板温度控制系统中采用模糊PID控制算法，以设定温度与实际温度之间的误差和误差变化率作为模糊推理机的输入．在搁板温度的控制过程中，对PID的3个参数进行在线整定，从而实现对冷冻干燥机的搁板温度实时、高精度的控制。
2 冷冻干燥过程及系统构成
真空冷冻干燥是将物料冻结到共晶点温度下，使物料中的水分变固态冰，然后在真空状态下进行干燥的方法。冷冻干燥过程主要包括物料冷冻、升华干燥、解析干燥等3个步骤。在每个步骤中．搁板所处的环境条件差异性大，因此，搁板温度控制的过程参数不确定。图1是冷冻干燥机的干燥腔示意图，在物料冷冻过程，搁板处于常压低温环境，物料为释放热量过程。在物料
干燥过程，搁板处于真空低温或真空常温环境，物料为吸收热量过程。图2是搁板加热控制示意图．是安装在搁板内部的加热器，控制器经过固态继电器控制加热器的加热时间．调节搁板温度。
3 模糊PID控制器的工作原理
模糊PID控制器由两部分组成．一是进行在线参数整定的模糊控制器．二是普通PID控制器．控制器的输入信号是搁板实际温度 ．输出信号是搁板加热时间t．如图3所示。控制器首先计算实际搁板温度 和设定搁板温度 的误差E(E= —Tf)和误差变化率EC(EC=aT,／△f)，并将它们作为模糊控制器和PID控制器的输人信号,。
3．1 数字PID算法
系统采用的位置式PID控制算法为：U(k)=K。 E( )+ ． T,E(k)+Kd (E(k)一E(k一1)) (1) 式中： 。、 、 分别为比例系数、积分系数、微分系数；E(k)、ΣE(k)、E(k)一E(k—1)分别为输入误差、误差累积、误差变化率EC；U(k)为输出控制量。、K，和Kd是由模糊控制器推理得到的控制参数，PID控制器的输出控制量u(k)就是模糊PID控制器的控制输出量，在本应用中为搁板的加热控制最小周期的次数，若U(k)>O，搁板加热器加热，若U(k)≤0，搁板加热器停止加热。
3．2 模糊控制器
误差E和误差变化率EC输入模糊控制器。将它们模糊化得到模糊输入量e和ec．再利用由专家和经验制定的模糊控制规则进行模糊推理，并解模糊得到模糊控制器的输出量。由于在线进行模糊推理和解模糊的计算量大．本系统事先离线计算得到模糊输出控制表，并存储于控制系统中，控制器根据e和ec查询模糊控制表获得 。、 ，和 ，达到控制过程中在线实时修改常规PID控制器。
4 模糊控制器的设计
4．1 输入语言变量
将温度误差E和误差变化率EC作为模糊控制器输入语言变量。E、EC的模糊集均为fNB，NS，Z，Ps，PB}，子集中元素分别代表负大、负小、零、正小、正大。当温度误差IEI>4时，系统不使用控制器控制，而直接控制加热器全功率加热或不加热；只当IEI<4时，启动控制器。因此确定E的论域为卜4，一3，一2，一l，O，1，2，3，4l。另外，确定EC的论域为f_3，一2，一l，0，1，2。3}。
4．2 输出语言变量
K 、K。和 作为模糊控制器的输出语言变量， 、 和的模糊集均为{Z，S，M，B}，子集中元素分别代表零、小、中、大。在正常的冷冻干燥过程．搁板温度控制在O时，误差控制在±l℃．应用常规PID控制器控制搁板温度，PID的控制参数、K 和 分别为l6、l0、lO，模糊PID的参数在此参数的基础上进行扩展，设定 。、 ．和 的论域分别为I1O，12，l4，l6，18，20，22l、{7，8，9，10，ll，l2，l3}、{7，8，9，l0，l1，l2，13}，、 ， 和 的论域经过如此确定后，清晰化计算所得结果不需要尺度变换就可直接使用。
4．3 确定模糊变量的隶属度
模糊变量E、EC、K。、K．和 的模糊集和论域确定后，须对模糊语言变量确定隶属函数。即所谓对模糊变量赋值，就是确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度。模糊变量 、EC、 、K 和 的隶属函数如图4—7所示。
4．4 建立控制规则
系统在不同的E和EC时．人们总结了对P[D参数的整定基本规则如下：
(1)当误差 较大时，为加快系统的响应速度。应取较大的 ；同时，为了避免系统微分饱和，应取较小的 。为了防止系统响应出现较大的超调，产生积分饱和．应该取K,-0。
(2)当误差暇l和IECI适中时． 为了使系统具有较小的超调， 同时须保证系统的响应速度， 、K 的取值要大小适中，要取较小 。。
(3)当误差lEl较小时，为使系统具有良好的稳态性能，应取较大的 。、K；同时，为避免系统在设定值附近振荡．且考虑系统的抗干扰性能，当旧CI小时， 可取大些；当旧Cl大时． 可取小些。
按照以上PlD参数整定规则，可以得出 。、K 和 的自调整规则，如表l、表2、表3。
4．5 求取PID参数
假定系统某时刻误差、误差变化率E、EC已知．首先对E、EC进行模糊化得到模糊变量e、ec，模糊化运算采用单点模糊集合，则相应的输入量模糊集合分别为：?U 、f1 x=round(E) ( ／o ≠r0und(E) ， 、u f1 x=round(EC) c( to ≠mund(EC) 现在根据e、ec就可求出K。、K 和 。以求 。为例说明推理方法，根据表1，可写出每条控制规则，如第1条可写为：R1：if E=NB and EC=NB then K。=B e、ec对应于该规则隶属度的计算方法为：“PI(c。) “NB ^ NBEc 同理，可求出关于K 的其他所有规则的隶属度“ (c。) (i=1，2，? ，n)，清晰化采用加权平均法，则K 的计算公式为： ， (cP)×c = — — — — — 一 )
冷冻控制系统的软件包括A／D转换、真空采集、数据显示、数据保存、按键扫描、模糊PID计算、控制输出、定时器中断等子程序。其中模糊PID计算的程序流程如图9所示根据模糊化E、EC所得结果查询模糊控制表获得PID参数、 ， 和K ，PID计算结果为加热器最小加热时长20 ms的次数Ⅳ。图10显示2Oms定时器每中断1次，控制量Ⅳ减1。在输出控制中判断，v的数值：若N>0，则控制搁板加热；若N-0．则控制搁板不加热。因此．在每个控制周期．搁板的加热时间为Ⅳ×20ms模糊PID 计算开始求误差
(2) l堡塑
其中，n为有关 所有规则的条数，c 为第i条规则中K 所取模糊集合的中心值。同理，K 、 的计算公式为：
Ml (Ci)xCh
K
．
=』 — — 一 (3)
、
uI (c )
j l
占
“ (cd)xCD
d= — — — 一 (4)
、．1
uD (c d)
l I
离线计算E、EC在各种组合下的 、 ，和 值，组成控制表保存在控制系统的存储器中。系统根据E、EC实时从控制表中获取 、 。和K ，在线调整PID控制参数。
5 控制器的硬件设计
图8为实际应用的冷冻千燥机控制系统的硬件构成图。主控制器采用STC89C58，支持在线系统编程，内含32 KB的程序存储空间和512 B的RAM。AD7705为双通道、内带增益放大器的模数转换器，搁板温度传感器检测到的信号不需外围前置放大电路就可直接传送给AD7705。数据锁存器74LS377和驱动器ULN2803共同组成搁板加热电路中固态继电器的驱动。EEPROM 数据保存器AT24C512、按键扫描器ZLG7290、真空度变送器、复位芯片MAX810、RS232转换芯片MAX232及图形液晶显示器等是为满足冷冻控制系统要求而需要的器件。
6 控制器的软件设计
冷冻干燥机控制系统的软件包括A／D转换、真空采集、数据显示、数据保存、按键扫描、模糊PID计算、控制输出、定时器中断等子程序。其中模糊PID计算的程序流程如图9所示根据模糊化E、EC所得结果查询模糊控制表获得PID参数、 ， 和K ，PID计算结果为加热器最小加热时长20 ms的次数Ⅳ。图10显示2Oms定时器每中断1次，控制量Ⅳ减1。在输出控制中判断，v的数值：若N>0，则控制搁板加热；若N-0．则控制搁板不加热。因此．在每个控制周期．搁板的加热时间为Ⅳ×20ms.
7 控制效果
将冷冻干燥机的搁板空载置于室温环境中，控制搁板温度在30℃ ，搁板温度控制情况及控温误差如图11所示。将搁板空载置于冷冻干燥机的冷阱中，维持冷阱制冷，运转真空泵让冷阱腔为真空状态，此时搁板处于低温、高真空环境中．控制搁板温度在30℃ 时搁板温度控制情况及误差如图12所示 搁板处于环境条件差异较大的环境中，控制搁板在同一温度，取得了基本一致的满意效果。
8 结束语
在冷冻干燥过程中，由于受到各种因素的影响，搁板的过程参数随着干燥时间和工作环境的变化而变化，常规的PID方法控制搁板温度较难取得满意效果。本研究将模糊控制算法与常规PID控制器相结合构成模糊PID控制器。在控制过程中，模糊PID控制器根据系统的实际状态实时调整PID参数，使冷冻干燥过程中搁板温度获得了满意的控制效果。众多经验也表明．采用模糊PID算法可使控制系统的静态性能和动态性能得到改善，其静态和动态控制特性均优于常规PID，系统响应迅速，在平衡点附近振荡小，抗干扰能力强。
标签：
