基于干擾觀測器PID茶飲生產的溫度穩定控制

王云龍 朱雙杰 孫嘯

（滁州學院 安徽省滁州市 239000）

隨著茶飲行業的蓬勃發展。為了茶飲生產質量，茶飲生產過程中，對溫度的控制精度一直提出較高的要求[1]。而萃取是茶飲生產中的重要環節，為了萃取時溫度穩定，傳統的PID 控制策略使用較廣泛，但萃取時總是達不到理想的狀態，控制過程中屢屢出現超調量大，收斂時間長、不穩定的缺點[2]。

除茶飲生產中，萃取罐還應用于植物、中草藥、食品等領域[3]。由于萃取罐應用性較強，是非線性系統，未知變量也較多等特點，故對萃取罐的各種控制舉措也層出不窮。針對萃取罐存在的未知變量，文獻[4]構造了雙線性狀態空間系統的狀態觀測器，有效的抑制了噪聲；由于萃取罐溫度加熱不均勻，文獻[5]設計一種大容量分層輻射微波萃取裝置，解決了該問題；文獻[6]通過利用萃取液回收單元,實現萃取液和萃取物的分離以及萃取液的循環利用，提高萃取物的使用價值。文獻[7]通過改造多通道可回收型中試亞臨界流體萃取裝置，改善了萃取能力。針對鐠/釹(Pr/Nd)萃取過程元素組分含量難以在線實時檢測的現狀，文獻[8]引入加權相似度準則和局部模型更新策略,提出一種基于改進即時學習算法，結果表明該算法具有精度高、實時性好等優點。文獻[9]利用超聲輔助固相技術，解決了固相萃取技術無法低濃度復雜體系的高效精準和可控分離的現狀。文獻[10]通過建立萃取過程模擬的Elman 網絡模型，保障產品所需純度。文獻[11]通過對萃取精餾的節能設計，在擾動情況下，萃取效果依然能快速恢復到擾動前水平。

為了能緩解茶飲業萃取不穩定的情況，本文在設計觀測器罐數學模型的基礎上，建立了基于干擾觀測器補償的PID 控制系統的仿真模型，并對基于干擾觀測器PID 算法和傳統PID 算法分別進行了溫度控制仿真實驗，結果驗證基于干擾觀測器PID 算法對萃取罐溫度控制更有效，由于干擾觀測器跟蹤干擾并及時補償[12]，使整個系統收斂時間縮短、穩定度高、抗干擾性能較好。

1 萃取罐工作原理

萃取罐由罐體、攪拌電機、罐體過濾網構成，在夾層的底部有冷凝水排水口，夾層底部有冷凝水排水口。萃取罐裝置如圖1 所示。

圖1：萃取罐

在制作茶飲過程中，萃取罐在進行萃取時，將茶飲制作（本次實驗所用的是菊花）所需的原料放置在罐內水中進行攪拌萃取，同時通過罐體夾層（內通蒸汽）進行加溫，溫度達到一定值時，萃取一段時間。當萃取完成后，萃取液通過管道引出，殘渣由過濾網截留、清除。整個萃取的溫度可以通過罐體夾層冷凝水排水口的排水流量大小或夾層蒸汽流量大小來決定。

2 觀測器設計

設計觀測器為：

首先對觀測器的穩定性進行分析：

定義Lyapunov 函數為：

假設干擾d為時變信號，很小，當取k1較大值時，有，將式（1）（2）.代入式（4），得：

通過采用觀測器對d 項進行有效的觀測，從而實現補償[5]。加入補償后的控制律為：

其中u0為PID 控制。

3 基于干擾觀測器PID萃取罐溫度控制設計

基于干擾觀測器PID 溫度控制由三部分組成，分別是PID 模塊，觀測器模塊、被控對象模塊（萃取罐）。

由圖2 知基于干擾觀測器PID 溫度控制原理：首先由設定值x 與輸出值y 進行減運算，得到的偏差進入控制器經過PID 算法，輸出值u；觀測器模塊跟蹤被控制對象狀態的輸出信號，然后進行總擾動進行估計，其中Z1 是總擾動的估計，Z2 是Z1 補償u 后的總值。最后觀測器的總估計補償PID 控制器的輸出，從而對被控對象萃取罐的溫度進行控制。

圖2：基于干擾觀測器PID 萃取罐溫度控制框圖

4 基于干擾觀測器萃取罐溫度控制硬件布局

依據干擾觀測器PID 萃取罐溫度控制設計，對現實中的萃取罐溫度控制進行硬件布局，如圖3 所示。

圖3：基于干擾觀測器萃取罐控制硬件布局

萃取罐溫度控制采用閉環回路控制，萃取罐為被控對象，萃取管溫度為被控變量，冷水流量大小為操縱量，控制器采用下載基于干擾觀測器的PID 控制程序的PLC模塊。首先溫度檢測器采集萃取罐的溫度，測量值通過PLC 控制程序運算后，輸出值來控制冷水閥門的開度大小，從而控制萃取罐溫度的高低。

5 仿真實驗分析

在Matlab 仿真軟件平臺上。為了驗證基于干擾觀測器PID 控制效果，利用軟件平臺上的PID 模塊和S函數搭建了，PID 萃取罐溫度控制與基于干擾觀測器的PID 萃取罐溫度控制系統的仿真模型。進行了兩組對比實驗，對比試驗1 是在PID 調節參數相同情況下，PID控制與基于干擾觀測器PID 控制；對比實驗2 是PID 最優控制與基于干擾觀測器PID 控制，仿真結果如下。

圖4 為了驗證干擾觀測器的抗干擾功能，和干擾觀測器PID 的調節能力，因此圖4 中的a，和b 實驗中PID 控制器的調節參數大小均相同。

圖4：PID 調節參數相同對比（第1 組對比）

第一組對比實驗仿真實驗結果表明：

（1）從圖4 中的a 和b 圖可知，在收斂過程中，基于干擾觀測器PID 萃取罐溫度控制系統相比于傳統PID 控制系統響收斂時間更短，超調量明顯小于傳統PID 溫度控制器。

（2）當系統添加干擾和負載時，因觀測器對干擾的補償，故基于干擾觀測器的PID 萃取罐溫度控制系統相比于傳統PID 控制器抗干擾性能更強，穩定性更好，魯棒性更高。

（3）基于干擾觀測器PID 萃取罐溫度控制系統穩定值與溫度設定值之間的余差比傳統PID 溫度控制系統要小。

（4）觀測器對擾動具有跟蹤作用，彌補了傳統PID 控制的缺點，使干擾補償更為準確，增強烈系統的調節能力。

在第二組對比仿真實驗中，圖5 中的c 采取的是PID 最優參數控制，d 采用的基于干擾觀測器的PID 參數控制。由第二組對比實驗得出表1 結果。

表1：第二組對比仿真結果表

圖5：PID 最優控制與基于干擾觀測器PID 控制對比（第2 組對比）

根據表1 可知，PID 控制器在用最優參數情況下，它的余差、收斂時間、超調量仍比基于干擾觀測器PID控制的效果差。據此進一步說明基于干擾觀測器的PID控制抑制干擾的性能優于PID 控制。

6 結論

由于傳統PID 控制的萃取瓶溫度抗干擾能力差、溫度收斂時間長，在傳統PID 控制器基礎上設計了觀測器與PID 控制器相結合的仿真模型，并對它們做了對比實驗，實驗表明基于干擾觀測器的PID 萃取瓶溫度控制系統具有較強的魯棒性，收斂性以及抗干擾性。

在實際生產中，會存在一些不確定干擾、不可測的干擾。故本文所采用的方法可幫助操作人員完成溫度控制，保證生產的穩定和高效。在實際使用時，應根據現場環境首先調節PID 參數，再取增加干擾觀測器，對于干擾觀測器參數改變幅度范圍不能過大，以免影響生產。