新鮮果蔬食品消毒清洗劑模糊PID智能控制

張詩淋

沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院（沈陽 110045）

新鮮果蔬中含有豐富的維生素、微量元素及纖維素等營養(yǎng)，是生活中必不可少的重要食物來源[1-2]。隨著生活水平的提高，人們對食品質(zhì)量越來越重視，衛(wèi)生方便的果蔬包裝也日益受到消費者青睞，越來越多的消費者開始生食果蔬，因此對于新鮮果蔬的清洗、包裝、保鮮等工藝提出越來越高的要求，保障食用者的健康安全[3-4]。

新鮮果蔬經(jīng)過去皮、切塊等初加工，容易被微生物污染，從而使得食品質(zhì)保期變短，甚至直接變質(zhì)，對于果蔬加工企業(yè)經(jīng)濟損失巨大[5]。清洗作為新鮮果蔬生產(chǎn)加工過程中的重要環(huán)節(jié)，清洗的目的是將果蔬表面的微生物、污泥、農(nóng)藥殘留去除，同時利用具有殺菌功能的清洗劑抑制微生物繁殖，進而避免由微生物引起的果蔬食品變質(zhì)，延長果蔬運輸和保存時間。

果蔬清洗劑主要有含氯離子的消毒劑、二氧化氯、過氧化氫等。其中，次氯酸消毒液制作簡單、成本低，且能夠有效清除部分農(nóng)藥殘留，在果蔬清洗中被廣泛應(yīng)用[6]。次氯酸濃度越高，消毒液消毒性能越高，但如果次氯酸過高就會導(dǎo)致氯殘留超標，對于消費者身體健康具有一定危害，因此需要對清洗液中氯酸根濃度進行精準控制，避免其超標或者過低。對于次氯酸濃度控制，主要采用PID自動調(diào)節(jié)方式，但該控制方式不具有自適應(yīng)能力，而制備系統(tǒng)又是一個復(fù)雜、波動性強的系統(tǒng)，使得PID控制系統(tǒng)控制下的濃度和pH的精度并不理想?；谠诳刂葡到y(tǒng)中引入模糊控制方法，通過模糊控制規(guī)則實現(xiàn)PID參數(shù)的在線自整定。試驗數(shù)據(jù)表明該控制方法能夠得到高精度的次氯酸根濃度和pH，能夠有效清洗果蔬，同時防止部分離子超標。

1 次氯酸制備方法

次氯酸溶液暴露在外部易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生分解，且pH越低越容易發(fā)生分解，無法長久存儲，故只能在使用時進行調(diào)配，通常是在清洗水中添加次氯酸鈉溶液以及酸性物質(zhì)進行調(diào)配。

次氯酸制備系統(tǒng)如圖1所示，主要由過濾池、清洗池、加熱泵、循環(huán)泵、檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、次氯酸鈉溶液和檸檬酸溶液組成。消毒水在循環(huán)水泵的帶動下在清洗池內(nèi)進行循環(huán)流動，并經(jīng)過過濾池對其中的固體雜質(zhì)進行粗過濾，完成消毒水的初步清理過濾。清洗水在循環(huán)過程中清洗劑會不斷流失，因此需要對清洗劑進行補充。循環(huán)泵將清洗劑循環(huán)起來，檢測單元的傳感器對清洗池中的清洗劑的氯離子濃度和pH進行檢測，并將檢測結(jié)果輸送到控制單元中，控制單元再將其與目標值進行比較，大于目標值時則補充水進行稀釋，小于目標值時則補充次氯酸鈉溶液或補充檸檬酸溶液，并通過PID自動控制方法控制加液泵和水泵的頻率，從而使得清洗液中的氯離子濃度和pH保持在目標值。

圖1 清洗液制備系統(tǒng)

2 模糊PID控制

傳統(tǒng)PID控制方法簡單易實現(xiàn)，在各種工業(yè)控制中被廣泛使用，但傳統(tǒng)PID控制自適應(yīng)能力差，不能根據(jù)系統(tǒng)變化進行自適應(yīng)控制。模糊控制理論可針對系統(tǒng)變化情況制定出一定規(guī)則，通過編程將規(guī)則嵌入到PID控制算法中，從而實現(xiàn)PID控制的自適應(yīng)性。采用模糊PID控制算法對氯離子濃度和清洗液pH進行控制，控制原理如圖2所示。該控制方法是一個閉環(huán)反饋控制，通過設(shè)定的目標值與反饋值之間的偏差對輸出進行調(diào)整，通過模糊控制理論實現(xiàn)PID參數(shù)的在線調(diào)整，以獲得較好的控制效果。

通過模糊加權(quán)平均法可以求出清洗劑中氯離子濃度、pH誤差及誤差變化率的加權(quán)值[7-8]。

經(jīng)過模糊化處理后可以得到PID參數(shù)的增量值。

由此可以得到PID參數(shù)經(jīng)過自適應(yīng)調(diào)整后的參數(shù)。

將PID數(shù)學(xué)模型離散后，可以得到第k個采樣點的控制值[9-10]。

為進一步提高系統(tǒng)的控制精度，在PID控制器中引入模糊控制理論，假設(shè)系統(tǒng)誤差為e、誤差變化率為ec。

模糊子集為

輸入量e、ec及輸出量ΔKp、ΔKi、ΔKd的量化因子為

系統(tǒng)控制量的輸入和輸出變量采用梯度函數(shù)作為隸屬函數(shù)。

圖2 模糊PID原理

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)硬件核心為松下AFPX-C60R PLC，并通過適配器擴展模擬量采集模塊，通過氯離子傳感器、pH傳感器、溫度傳感器，將模擬量傳送到AD8模擬量采集模塊中。以HAKKO觸摸屏作為系統(tǒng)的人機交互，并通過DA2塊對變頻器進行控制，從而調(diào)節(jié)加液泵轉(zhuǎn)速，進而實現(xiàn)加液量的調(diào)節(jié)。

松下AFPX-C60R系列PLC擁有32點輸入和18點輸出，該款PLC擴展能力強，運算速度快，并擁有PID自動調(diào)節(jié)指令。采用模擬量采集模塊FP0-AD8對模擬量進行采集，該模塊能夠同時采集8路模擬量，該模塊采集精度高，有較強的抗干擾能力，為提高控制系統(tǒng)控制精度提供基礎(chǔ)保證。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.2 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件主要包括PLC程序和TP觸摸屏程序編寫，采用FPWIN GR編程軟件對PLC進行程序編寫，采用梯形圖語言進行程序編寫，程序流程如圖4所示。

圖4 軟件流程

4 試驗分析

為驗證所述清洗劑氯離子濃度控制系統(tǒng)的有效性，對清洗劑中氯離子濃度進行仿真分析，仿真曲線如圖5所示。

由仿真曲線可以看出，采用傳統(tǒng)PID控制時，清洗劑中氯離子濃度出現(xiàn)較大波動，且超調(diào)量比較大，收斂速度較慢。采用模糊PID控制方法時，能夠以較快速度進行收斂，穩(wěn)定性較高，超調(diào)量較小。模糊PID控制方法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制方法，對于提高果蔬清洗劑品質(zhì)具有重要作用。

圖5 仿真曲線

5 結(jié)語

以新鮮果蔬食品清洗劑為研究對象，為解決清洗劑中氯離子濃度和pH控制精度的非線性問題，結(jié)合模糊控制理論和PID控制算法設(shè)計一種智能控制方法。通過模糊控制理論實現(xiàn)PID參數(shù)的在線自適應(yīng)調(diào)整。仿真結(jié)果表明，模糊PID控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)控制對象的快速控制，穩(wěn)定性明顯高于傳統(tǒng)PID控制方法，在使用清洗劑清洗果蔬食品后能夠有效控制果蔬表面氯元素殘留。