禽蛋工業(yè)化腌制溫度控制方法設(shè)計

陳艷芳

(河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000)

0 引言

在腌制禽蛋中[1-2]，傳統(tǒng)腌制方法的腌制周期太長，春秋季需要40～50天，即使夏季也需要20～30天。相關(guān)研究表明，禽蛋腌制過程中食鹽主要成分NaCl會從腌制液逐漸滲透到禽蛋內(nèi)部，導(dǎo)致禽蛋內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分含量發(fā)生變化。為改善禽蛋腌制品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，可考慮改進禽蛋腌制方法，如控制腌制溫度，使用食品添加劑、脈動壓技術(shù)和超聲波技術(shù)等[3-4]。其中，食品添加劑會影響禽蛋口感而且不符合健康飲食理念；超聲波技術(shù)容易造成禽蛋破裂而且設(shè)備成本比較高。考慮到腌制溫度是影響NaCl滲透速率的關(guān)鍵因素，溫度可以直接影響禽蛋的腌制周期和質(zhì)量。因此，選用恒溫控制方案，既可以保持傳統(tǒng)腌制口感又可以縮短腌制周期，同時設(shè)備成本比較低，大多數(shù)生產(chǎn)廠家都可以接受。

所謂恒溫腌制就是在腌制過程中使用恒溫裝置確保腌制缸溫度基本保持穩(wěn)定。對于恒溫控制系統(tǒng)，普遍使用PID控制算法，該算法在面對非線性、時變性等問題時很難取得比較理想的控制效果。隨著智能控制理論不斷發(fā)展、完善，其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛[5-8]。本文將滑模控制算法應(yīng)用到禽蛋腌制溫度控制系統(tǒng)，以解決溫控系統(tǒng)的非線性、滯后性等問題，并進行仿真和試驗研究。

1 禽蛋工業(yè)化腌制溫度控制系統(tǒng)

所設(shè)計的禽蛋腌制系統(tǒng)主要包括腌制裝置、加熱系統(tǒng)、管道系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。各個模塊有機結(jié)合、按需工作，可實現(xiàn)腌制液內(nèi)外循環(huán)控制、溫度控制等。其中，腌制裝置由腌制房和配液池組成，可完成腌制液的濃度檢測和更換；管道系統(tǒng)由不銹鋼管道、水泵和電池閥等元件組成。本文以加熱系統(tǒng)為研究對象，以自制禽蛋腌制裝置為試驗平臺，該平臺搭載腌制箱、電加熱爐、溫度傳感器和調(diào)壓模塊等。通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)整個腌制裝置的溫度控制，禽蛋腌制裝置溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 禽蛋腌制裝置溫度控制系統(tǒng)

如上所述，以禽蛋腌制裝置中的電加熱爐為被控對象，利用調(diào)壓模塊實現(xiàn)電加熱管工作電壓的調(diào)節(jié)，改變電加熱管功率，進而調(diào)整爐水溫度；通過換熱器調(diào)節(jié)腌制裝置內(nèi)部腌制液的溫度。由分析可知，在電加熱爐水溫變化到腌制液溫度變化中，明顯存在一個滯后環(huán)節(jié)。除此之外，爐水溫度調(diào)節(jié)具有一定的非線性，因此需要選用智能控制算法解決非線性和滯后性等問題。

2 恒溫控制器設(shè)計

禽蛋腌制過程溫度控制系統(tǒng)可使用非線性微分方程進行描述，即

(1)

K為靜態(tài)增益；T為時間常數(shù)；τ為滯后常數(shù)；x(t)為t時刻系統(tǒng)輸出值；u(t-τ)為t-τ時刻溫控系統(tǒng)輸入控制量。

(2)

定義溫度偏差e(t)為

e(t)=r(t)-x(t)

(3)

r(t)為設(shè)定溫度；x(t)為實際溫度。

本文選用積分型滑模面函數(shù)[9-10]，即

(4)

c1為常數(shù)且滿足c1>0。上述滑模面函數(shù)的一階微分表達式可描述為

(5)

同理，二階微分表達式可描述為

(6)

(7)

進一步，滑模面函數(shù)的三階微分表達式為

(8)

結(jié)合式(7)可得

(9)

如果將式(9)代入式(8)，就可以得到滑模變結(jié)構(gòu)控制的三階微分動態(tài)方程[11-13]，即

(10)

(11)

定義中間控制量為υ，其是關(guān)于控制量u的函數(shù)，即

(12)

式(11)移項，則有

(13)

(14)

其中，控制律增益β1>0、β2>0且可使三階以下滑模面函數(shù)全部為0。

3 仿真和試驗

3.1 仿真分析

為驗證所述方法的有效性，本文首先對系統(tǒng)進行仿真研究。采用階躍響應(yīng)法實現(xiàn)系統(tǒng)模型的辨識，禽蛋腌制溫控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可描述為

(15)

作為對比，本文分別采用三階滑?？刂坪统Ｒ?guī)PID控制對腌制溫控系統(tǒng)進行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。由仿真結(jié)果可以看出，采用所述三階滑?？刂扑惴扇〉帽容^理想的控制效果。與常規(guī)PID控制相比，該算法在穩(wěn)定性、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間等方面均具有一定優(yōu)勢。

圖2 仿真結(jié)果

3.2 試驗研究

進一步地，本文進行了相關(guān)試驗研究，禽蛋腌制裝置選用華中農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計的鋼混結(jié)構(gòu)咸蛋快速腌制系統(tǒng)，如圖3所示。腌制系統(tǒng)選用接觸式溫度變送器，具體型號為STH-TF型，分布在腌制裝置的3個溫度變送器處，取其平均值作為禽蛋腌制液實際溫度。電加熱爐內(nèi)液體測溫選用同型號溫度變送器，分布在水箱上、中、下3個部位，取其平均值作為熱水實際溫度。

圖3 禽蛋快速腌制系統(tǒng)

工藝流程可描述為：準備新鮮禽蛋，照檢、洗蛋并晾干；在配液池中添加濃度為19%的食鹽水；將禽蛋放入腌制房并關(guān)閉密封門；將食鹽水注入腌制房；加熱腌制房內(nèi)食鹽水并保持在某個溫度；抽樣檢查[14]。

在同一環(huán)境下，1號腌制裝置采用三階滑?？刂扑惴ǎ?號腌制裝置采用常規(guī)PID控制算法。腌制液初始溫度均為19 ℃，設(shè)定溫度為25 ℃；試驗持續(xù)20 min，每隔2 min記錄1次數(shù)據(jù)；系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，在第7 min引入擾動，探究溫控系統(tǒng)的抗干擾能力。部分試驗數(shù)據(jù)如表1所示，試驗數(shù)據(jù)波形如圖4所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)(部分)

由圖4可以看出：

圖4 試驗數(shù)據(jù)波形

a.采用三階滑模控制的1號腌制裝置，會比采用常規(guī)PID控制的2號腌制裝置提前2 min到達穩(wěn)定狀態(tài)。

b.三階滑?？刂频纳仙龝r間為2 min，超調(diào)量為1.2%，調(diào)節(jié)時間為5 min；而采用常規(guī)PID控制的上升時間為3.5 min，超調(diào)量為4%，調(diào)節(jié)時間約為7 min。

c.受到擾動影響后，三階滑模控制會更快地恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。

常規(guī)PID控制在處理非線性、滯后性等問題時，其局限性非常明顯，超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時間長。而三階滑?？刂撇粌H可以適應(yīng)被控對象的不滯后性、非線性以及干擾因素，而且能夠避免常規(guī)滑?？刂频亩秳訂栴}，因此其收斂速度快、超調(diào)量比較小。整體來說，采用三階滑?？刂疲缰茰囟葧悠椒€(wěn)，溫度調(diào)節(jié)更加迅速，溫差比較小，實際溫度和設(shè)定溫度之間的偏差小于0.5 ℃。

4 結(jié)束語

以禽蛋腌制過程溫度控制為研究對象，通過設(shè)計一種三階滑模變結(jié)構(gòu)溫度控制器，解決了禽蛋腌制過程溫度不恒定的問題。所述恒溫腌制裝置既可以保證禽蛋口感，又可以縮短腌制周期。但是，所述控制算法實現(xiàn)過程比較復(fù)雜，需要使用ARM、DSP、PC機等控制器，很難在PLC中實現(xiàn)。下一步，可考慮簡化算法實現(xiàn)步驟，提高其適用性。