基于數(shù)字信號處理的發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)控制優(yōu)化

張麗華 董天飛 牛文昭

(赤峰工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，內(nèi)蒙古 赤峰 024005)

面食發(fā)酵制作過程繁瑣，耗時、耗力，各個步驟都會影響最后的發(fā)酵效果。將自動化技術(shù)與面食的發(fā)酵制作結(jié)合起來誕生了發(fā)面機，簡化了面食的發(fā)酵制作過程，具有比人工制作更好的效果。但在發(fā)面機整個發(fā)酵過程中，自動入料揉制面團時存在抖動幅度較大、難以控制等不足，需進行控制系統(tǒng)的優(yōu)化。

基于模糊積分控制[1]的發(fā)面機發(fā)酵系統(tǒng)采用非線性控制方法，不依賴于數(shù)學模型，對被控對象的參數(shù)變化不敏感，表現(xiàn)出極強的魯棒性，但在模糊控制域的劃分方面較為粗糙，無法實現(xiàn)高精度控制。基于BP控制[2]的發(fā)面機發(fā)酵系統(tǒng)的BP網(wǎng)絡(luò)可表示任意非線性函數(shù)，具有自適應(yīng)學習的特點，容錯性較好，可適用于復(fù)雜非線性系統(tǒng)，但在控制入料進程時的運行較為繁瑣，時效性較差。

文章擬提出一種基于數(shù)字信號處理的發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)控制的優(yōu)化方法。通過對發(fā)面機自動入料控制系統(tǒng)進行設(shè)計，從人機交互界面中進行面食發(fā)酵機械自動入料的人機交互和面板操作，優(yōu)化面食發(fā)酵機械自動入料的運行工況，設(shè)計基于DSP控制的面食發(fā)酵機械自動入料系統(tǒng)。采用誤差反饋控制算法進行面食發(fā)酵機械自動入料的控制算法設(shè)計，再進行面食發(fā)酵機械自動入料系統(tǒng)的硬件設(shè)計并進行仿真試驗分析，以驗證方法的系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度。

1 發(fā)酵入料系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架和功能器件組成

發(fā)面機自動入料控制系統(tǒng)主要包括總體設(shè)計構(gòu)架、功能模塊設(shè)計和控制算法設(shè)計。結(jié)合集成的信息處理器進行面食發(fā)酵自動入料系統(tǒng)的模糊控制設(shè)計等對發(fā)面機自動入料系統(tǒng)總體構(gòu)架進行設(shè)計，試驗方法優(yōu)化的入料系統(tǒng)功能器件組成如圖1所示。

總體設(shè)計構(gòu)架如圖2所示，采用PLC邏輯可編程芯片進行面食發(fā)酵機械自動入料過程中的模糊控制，通過對面食發(fā)酵機械自動入料控制的硬件模塊化開發(fā)，設(shè)計面食發(fā)酵機械自動入料系統(tǒng)的上位機模塊，采用集成的DSP信息處理器進行面食發(fā)酵機械自動入料系統(tǒng)的總線控制，采用ADSP21160作為核心處理器[3]進行面食發(fā)酵機械自動入料控制系統(tǒng)的集成信息處理和控制指令的收發(fā)轉(zhuǎn)換設(shè)計，用ISA/EISA/Micro Channel擴充總線進行面食發(fā)酵機械自動入料控制系統(tǒng)的控制指令加載。

1. 面粉量控制系統(tǒng) 2. 出口 3. 控制閥門 4. 電加熱膜 5. 發(fā)面裝置 6. 自動注水口 7. 酵母入料口 8. 攪拌裝置 9. 面粉入料口 10. 溫度控制器 11. 重量控制器圖1 自動入料系統(tǒng)功能器件組成Figure 1 Functional components of automatic feeding system

圖2 發(fā)面機系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架Figure 2 Overall design framework of the system

采用ADSP21160處理器系統(tǒng)作為面食發(fā)酵機械自動入料系統(tǒng)的主控芯片，結(jié)合DSP邏輯控制方法進行面食發(fā)酵入料的機械振動信息采集，主要采集物料的質(zhì)量信息、密度信息和入料的樣本屬性特征信息[4]，根據(jù)信息采集結(jié)果進行面食發(fā)酵機械自動入料系統(tǒng)的參數(shù)信息融合。如圖3所示，固態(tài)繼電器(SSR)采用的是半導(dǎo)體元件組裝而成的無觸點開關(guān)，自動入料系統(tǒng)的設(shè)計過程中，主電路將固態(tài)繼電器S12串聯(lián)與振動控制器直接連接在一起。該自動入料控制系統(tǒng)由兩個固定電阻(Rq1和Rq3)和一個可變電阻(Rq2)組成，可應(yīng)對不同環(huán)境的影響，通過改變可變電阻的電阻值改變控制程序中的標準值，增強其控制程序控制穩(wěn)定性。

采用ADSP21160作為核心處理器進行面食發(fā)酵機械自動入料系統(tǒng)的集成信息處理和控制指令的收發(fā)，采用嵌入式的交叉編譯方法進行面食發(fā)酵機械自動入料系統(tǒng)的上位機通信，采用VIX總線控制技術(shù)實現(xiàn)面食發(fā)酵機械自動入料系統(tǒng)的總線集成控制[5]，包括面食發(fā)酵機械自動入料的信息采集模塊、AD信息輸出轉(zhuǎn)換模塊、上位機通信模塊、邏輯自動控制模塊和人機交互控制模塊等，發(fā)面機系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)[6]模塊如圖4所示。

圖3 自動發(fā)酵系統(tǒng)設(shè)計原理Figure 3 Design principle of automatic feeding system

圖4 發(fā)面機系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)模塊Figure 4 Functional structure module of the system

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 信息采集模塊

設(shè)定發(fā)面機自動入料系統(tǒng)控制信息采集的動態(tài)范圍為-22～+25 dB，采用ISA/EISA構(gòu)架模式進行發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)的總線開發(fā)設(shè)計，設(shè)計發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)的總線傳輸協(xié)議，在ARM嵌入式微處理器環(huán)境下進行發(fā)面機自動入料系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換和信息采集[7]，構(gòu)建發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)的智能控制平臺，信息采集模塊如圖5所示，其中對應(yīng)英文為器件型號。

圖5 信息采集模塊Figure 5 Information acquisition module

2.2 AD轉(zhuǎn)換模塊

AD轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)對發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)的控制信息采樣和數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，采用Flash、RAM、SOC作為發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)控制的嵌入式調(diào)度，采用ADSP-BF537BBC-5A實現(xiàn)發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)控制總線設(shè)計，結(jié)合嵌入式的ARM進行發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)的總線輸出控制設(shè)計[8]。在信息集成處理模塊中實現(xiàn)發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)控制的智能信息處理和人機交互設(shè)計，AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計如圖6所示。

2.3 邏輯自動控制模塊

邏輯自動控制模塊是整個系統(tǒng)的核心控制終端，在嵌入式環(huán)境下進行發(fā)面機自動入料控制系統(tǒng)的程序加載，采用邏輯PLC控制方法進行發(fā)面機自動發(fā)酵的自適應(yīng)控制，在ZigBee組網(wǎng)協(xié)議中進行發(fā)面機自動入料控制，構(gòu)造發(fā)面機自動入料控制的總線編譯控制器，在節(jié)能控制過程中實現(xiàn)發(fā)面機自動入料控制和人機交互，采用ISA/EISA構(gòu)架模式進行發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)的邏輯自動控制設(shè)計，在信息集成處理模塊中實現(xiàn)發(fā)面機自動入料控制的智能信息處理，邏輯自動控制模塊如圖7所示。

圖6 AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計Figure 6 AD conversion module design

2.4 人機交互控制模塊

人機交互控制模塊實現(xiàn)發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)的人機交互設(shè)計功能，采用APLC21160邏輯處理器芯片作為發(fā)面機自動入料控制的數(shù)字處理芯片，通過DSP發(fā)送發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)控制指令，在PLC中進行發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)控制系統(tǒng)的總線控制和接口轉(zhuǎn)換，在執(zhí)行器中進行發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)的控制指令收發(fā)轉(zhuǎn)換，結(jié)合嵌入式的ARM進行發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)的入料感應(yīng)控制設(shè)計，通過LCDDMA、LPC3600進行發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)的中央控制，得到人機交互控制模塊的硬件設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)。在嵌入式的ARM環(huán)境下構(gòu)建發(fā)面機自動入料控制指令傳輸協(xié)議，結(jié)合集成DSP高速信息處理器進行發(fā)酵機自動發(fā)酵系統(tǒng)的硬件集成設(shè)計，得到系統(tǒng)的集成設(shè)計電路圖如圖8所示。

圖7 邏輯自動控制模塊設(shè)計Figure 7 Design of logic automatic control module

圖8 系統(tǒng)的集成設(shè)計電路圖Figure 8 Integrated design circuit diagram of the system

3 控制算法設(shè)計

在上述進行發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架和功能模塊設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)的控制算法設(shè)計，采用模糊反饋自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制的方法進行面食發(fā)酵機械自動入料系統(tǒng)的自動控制設(shè)計，構(gòu)造專家系統(tǒng)進行入料過程中的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，得到調(diào)節(jié)系數(shù)[9-10]：

(1)

調(diào)節(jié)發(fā)面機入水隔網(wǎng)定向角度，采用非線性時變補償?shù)姆椒?，得到面食發(fā)酵機組件結(jié)構(gòu)控制模型表示為：

usw=-Ksat[S(t)/μ]/(λgx+gθ)。

(2)

確定不同規(guī)格發(fā)面機自動發(fā)酵的密度，初始通量調(diào)節(jié)的不等式：

(3)

確定發(fā)面機自動入料的線性補償規(guī)則，在相同運行壓力條件下，得到自適應(yīng)控制律為：

(s2+λxs+αx)λex(s)+(s2+λθs+βθ)eθ(s)=λ(s+1+λx)ex(0)+(s+1+λθ)eθ(0)。

(4)

發(fā)面機自動發(fā)酵的條件轉(zhuǎn)移概率密度分布函數(shù)為：

H(s)=D[sI-Am]-1I。

(5)

在運行壓力增長的條件下，采用多通道加權(quán)控制的方法，得到流體密度調(diào)節(jié)誤差收斂于：

(6)

確定補償規(guī)則，根據(jù)截面幾何形狀，得到發(fā)面機自動入料的流體控制模型方程為：

(7)

式中：

Km——流體密度,g/cm3；

δ——入料流體流速,m/s；

θ——進水隔網(wǎng)偏移角度(其中sinθp=θp，cosθp=1),(°)。

使用上述算法進行發(fā)面機自動入料的自動控制，提高發(fā)面機自動入料的優(yōu)化控制能力，達到優(yōu)化發(fā)面機自動發(fā)酵控制系統(tǒng)。

4 仿真試驗

4.1 控制性能

為了驗證試驗方法在實現(xiàn)發(fā)面機自動入料控制中的性能，進行仿真試驗，并對結(jié)果進行分析。設(shè)置面食發(fā)酵機械自動入料控制的載頻為120 Hz，低頻轉(zhuǎn)換頻率為10 Hz，發(fā)面機的電機輸入電壓為100～220 V，時鐘電平輸出μ=4π×10-7H/m，控制指令的調(diào)頻幅度在4 V以內(nèi)，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，將試驗方法與基于模糊積分控制和基于BP控制方法進行發(fā)面機自動入料控制。由圖9可知，試驗方法進行發(fā)面機自動入料控制的自適應(yīng)性較好，且控制性能較穩(wěn)定，試驗方法具有良好的控制性能。

圖9 發(fā)面機自動入料的控制性能曲線Figure 9 Control performance curve of automatic feeding of dough machine

4.2 控制誤差

由表1可知，試驗方法進行發(fā)面機自動入料控制在不同迭代步數(shù)下的誤差均低于基于模糊積分控制和基于BP控制方法，說明試驗方法具有高精度控制性能。

表1 控制誤差值對比結(jié)果Table 1 Error comparison of three methods after iteration

5 結(jié)論

針對發(fā)面機發(fā)酵時入料過程中揉制面團的抖動幅度較大導(dǎo)致入料控制性能差的問題，提出一種基于數(shù)字信號處理的發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)控制的優(yōu)化方法。針對自動發(fā)酵系統(tǒng)中的自動入料系統(tǒng)，通過實現(xiàn)面食發(fā)酵入料的自動配置和優(yōu)化配比控制，設(shè)計集成信息處理和收發(fā)轉(zhuǎn)換的控制指令，通過對系統(tǒng)的信息采集模塊、AD信息輸出轉(zhuǎn)換模塊、上位機通信模塊、邏輯自動控制模塊和人機交互控制，完成自動入料系統(tǒng)的優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，試驗設(shè)計的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于基于模糊積分控制和基于BP控制的方法，且入料控制誤差在迭代500次時僅為0.1%，表現(xiàn)出良好的控制精度，提高了面食發(fā)酵機自動入料系統(tǒng)的控制能力，增強了發(fā)面機自動發(fā)酵系統(tǒng)的整體性能，保證了后續(xù)發(fā)酵的效果。研究的不足之處在于受實驗平臺和試驗條件的限制，驗證試驗指標不夠全面，以后會在研究中加強系統(tǒng)模塊的細化，為相關(guān)研究領(lǐng)域提供參考。