果蔬食品膨化溫度智能控制

錢雅楠，謝箭，許癸駒

重慶工程學(xué)院（重慶 400000）

近年來，中國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大幅調(diào)整，果蔬種植業(yè)得到快速發(fā)展，中國果蔬產(chǎn)量位居世界之首[1]。中國果蔬食品的加工率較低，水果低于15%，蔬菜低于2%。果蔬食品的損耗率達35%，如此高的損耗率根本原因是果蔬產(chǎn)品的深加工水平較低。膨化食品是作為一種新型食品深加工方法，經(jīng)過加壓、加熱處理，果蔬食品內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，經(jīng)過加工、成型而制成[2-3]。經(jīng)過膨化后的食品口感清脆，能最大程度地保留食品營養(yǎng)價值，從而受到眾多消費者青睞。

低溫壓差膨化是利用加熱裝置對果蔬物料進行加熱，使得設(shè)備內(nèi)部溫度達到果蔬膨化要求的溫度，并使得容器保持在一定壓力，通過瞬間泄壓的方式使得果蔬完成膨化。低壓溫差膨化溫度控制通常采用傳統(tǒng)PID控制方法，但低溫壓差膨化系統(tǒng)是一個非線性、時變性、時滯性的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID控制算法參數(shù)不具有自適應(yīng)性，不能根據(jù)系統(tǒng)變化進行自適應(yīng)調(diào)整[4-8]。

為提高系統(tǒng)溫度控制精度、提高系統(tǒng)自適應(yīng)性，在傳統(tǒng)PID控制方法中引入模糊控制理論，利用模糊推理方法實現(xiàn)PID參數(shù)的在線自動調(diào)整，通過該控制方法提高果蔬膨化的生產(chǎn)效率，保證果蔬物料膨化質(zhì)量。

1 低溫壓差膨化原理

低溫壓差膨化主要是在膨化罐以及真空罐中進行，膨化罐與真空罐通過閥門連接在一起。果蔬經(jīng)過消毒清洗、切片等一系列外部操作后，將其進行干燥處理，放入膨化罐中，采用加熱裝置將膨化罐中的果蔬進行加熱，膨化罐內(nèi)部溫度隨著時間的推移而逐漸升高，溫度的升高自然帶動膨化罐中的壓力也升高，果蔬體內(nèi)的水分開始被逐漸蒸發(fā)；膨化罐中的溫度和壓力達到工藝設(shè)定的目標(biāo)值，保持目標(biāo)值一定時間后，打開連接膨化罐和真空罐的泄壓閥進行泄壓；膨化罐中的壓力迅速下降，與此同時果蔬內(nèi)部的水分也開始汽化，由于罐體中壓力的作用，果蔬內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生膨化，此時加熱使得果蔬進行干燥，通過冷卻系統(tǒng)將其進行冷卻處理，便可得到膨化后的果蔬產(chǎn)品。

2 模糊PID控制器

由于膨化系統(tǒng)溫度模型并不能準(zhǔn)確建立，導(dǎo)致控制對象模型參數(shù)不確定，使得溫控系統(tǒng)是一個時變、滯后的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)固定不變，不能根據(jù)系統(tǒng)變化進行在線調(diào)整。模糊PID控制方法能夠利用模糊理論實現(xiàn)PID參數(shù)的自動調(diào)整，可以滿足變化系統(tǒng)對控制參數(shù)的不同要求[9-12]。

模糊PID控制器則根據(jù)膨化罐中溫度偏差e和溫度偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入量，進行模糊化處理。模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模糊PID控制器

如圖1所示，模糊PID控制器的輸出量ΔPi、ΔIi、ΔDi分別對應(yīng)比例、積分、微分系數(shù)的修正量。相關(guān)表達式可描述為

式中：pi為比例系數(shù)初始值；ii為積分系數(shù)初始值；di為微分系數(shù)初始值；i=1，2，3。

可定義模糊控制器輸入變量的論域為{-6，-4，-2，0，2，4，6}，控制器輸出變量論域可定義為{-3，-2，-1，0，1，2，3}。同時，輸入和輸出變量所對應(yīng)語言值為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，可用{NB，NM，NS，ZO，PS，PN，PM}表示。輸入變量和輸出變量的隸屬度函數(shù)都是三角形函數(shù)，其表達式可描述為

式中：a、b、c為三角形頂點，而且滿足a＜b＜c。隸屬度函數(shù)如圖2所示。

圖2 隸屬度函數(shù)

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

果蔬膨化控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。硬件部分主要由DSP作為主控單元，外圍由復(fù)位電路、上位機、按鍵等組成。TMS320LF2407A芯片作為DSP控制器24x系列的新成員，是TMS320C2000平臺下的一種定點DSP芯片，也是TMSC2000家族中集成度高、性能最強的芯片，它與現(xiàn)存的24xDSP控制器芯片代碼兼容，但是資源更加豐富、功能更強，其特點是：采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3 V，減小控制器的功耗，40 MIPS（百萬條指令每秒）的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到25 ns，從而提高控制器的實時控制能力，片內(nèi)有32 kB的Flash程序存儲器，達1.5 kB的數(shù)據(jù)/程序RAM，544 B雙口RAM（DRAM）和2 kB的單口RAM（SARAM）。

為實現(xiàn)控制系統(tǒng)的操作方便，能夠完成膨化溫度系統(tǒng)各參數(shù)的設(shè)定，在控制基板中引入顯示基板，通過顯示基板中的按鍵操作可以快速而高效地實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的初始化操作、數(shù)據(jù)在線顯示以及系統(tǒng)故障代碼查詢

控制系統(tǒng)中硬件電路設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換電路，通過DS18B20對溫度進行采集，并通過A/D轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)溫度模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換并將其傳送到DSP中進行處理。該數(shù)字量經(jīng)過算法計算出膨化罐中實際溫度，該溫度再與目標(biāo)溫度進行比較，在根據(jù)二者差值大小利用模糊PID算法進行實際計算，最后在通過模擬量輸出單元控制加熱裝置進行加熱還是停止加熱，進而實現(xiàn)膨化罐中溫度的自動控制。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

4 仿真分析

為驗證設(shè)計的基于嵌入式DSP果蔬膨化溫度模糊PID控制方法的合理性，在MATLAB中利用SIMULINK軟件進行建模仿真分析，并分別對傳統(tǒng)PID和模糊PID兩種控制方法分別進行在線仿真分析，仿真曲線如圖4所示。

圖4 仿真曲線

由圖4仿真曲線可以看出，模糊PID控制方法比傳統(tǒng)PID控制方法控制效果明顯要好，模糊PID控制方法使得溫度控制系統(tǒng)具有較高的動態(tài)特性，超調(diào)量明顯比傳統(tǒng)PID控制的超調(diào)量小，且算法輸出的調(diào)節(jié)時間更短，具有較好穩(wěn)態(tài)品質(zhì)，在穩(wěn)定后期振蕩也較小，從而使得溫度控制精度也會相應(yīng)提高。

5 結(jié)語

以果蔬膨化溫度控制為研究對象，為解決膨化溫度控制過程中因非線性、時變性、大時滯性等問題，在傳統(tǒng)PID控制算法中引入模糊控制理論，通過模糊控制理論實現(xiàn)傳統(tǒng)PID控制方法參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，從而使得膨化溫度控制具有自適應(yīng)性，并介紹以DSP作為控制器的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，基于模糊PID的膨化溫度控制方法具有更好收斂性，能夠快速實現(xiàn)膨化所需溫度，動態(tài)性能好。該控制方法對于提升果蔬食品膨化溫度具有重要作用，能夠顯著提高果蔬膨化質(zhì)量。