果蔬食品膨化溫度智能控制

錢雅楠，謝箭，許癸駒

重慶工程學院（重慶 400000）

近年來，中國農業產業結構出現大幅調整，果蔬種植業得到快速發展，中國果蔬產量位居世界之首[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，經過加壓、加熱處理，果蔬食品內部的組織結構發生變化，經過加工、成型而制成[2-3]。經過膨化后的食品口感清脆，能最大程度地保留食品營養價值，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，使得設備內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PID控制方法，但低溫壓差膨化系統是一個非線性、時變性、時滯性的復雜系統，傳統PID控制算法參數不具有自適應性，不能根據系統變化進行自適應調整[4-8]。

為提高系統溫度控制精度、提高系統自適應性，在傳統PID控制方法中引入模糊控制理論，利用模糊推理方法實現PID參數的在線自動調整，通過該控制方法提高果蔬膨化的生產效率，保證果蔬物料膨化質量。

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，果蔬體內的水分開始被逐漸蒸發；膨化罐中的溫度和壓力達到工藝設定的目標值，保持目標值一定時間后，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，與此同時果蔬內部的水分也開始汽化，由于罐體中壓力的作用，果蔬內部結構發生膨化，此時加熱使得果蔬進行干燥，通過冷卻系統將其進行冷卻處理，便可得到膨化后的果蔬產品。

2 模糊PID控制器

由于膨化系統溫度模型并不能準確建立，導致控制對象模型參數不確定，使得溫控系統是一個時變、滯后的復雜系統，傳統PID控制器參數固定不變，不能根據系統變化進行在線調整。模糊PID控制方法能夠利用模糊理論實現PID參數的自動調整，可以滿足變化系統對控制參數的不同要求[9-12]。

模糊PID控制器則根據膨化罐中溫度偏差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控制器結構如圖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分別對應比例、積分、微分系數的修正量。相關表達式可描述為

式中：pi為比例系數初始值；ii為積分系數初始值；di為微分系數初始值；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都是三角形函數，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。隸屬度函數如圖2所示。

圖2 隸屬度函數

3 控制系統硬件設計

果蔬膨化控制系統硬件結構如圖3所示。硬件部分主要由DSP作為主控單元，外圍由復位電路、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CMOS技術，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，片內有32 kB的Flash程序存儲器，達1.5 kB的數據/程序RAM，544 B雙口RAM（DRAM）和2 kB的單口RAM（SARAM）。

為實現控制系統的操作方便，能夠完成膨化溫度系統各參數的設定，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系統數據的初始化操作、數據在線顯示以及系統故障代碼查詢

控制系統中硬件電路設有A/D轉換電路，通過DS18B20對溫度進行采集，并通過A/D轉換電路實現溫度模擬量和數字量的轉換并將其傳送到DSP中進行處理。該數字量經過算法計算出膨化罐中實際溫度，該溫度再與目標溫度進行比較，在根據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，進而實現膨化罐中溫度的自動控制。

圖3 系統硬件結構

4 仿真分析

為驗證設計的基于嵌入式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具有較高的動態特性，超調量明顯比傳統PID控制的超調量小，且算法輸出的調節時間更短，具有較好穩態品質，在穩定后期振蕩也較小，從而使得溫度控制精度也會相應提高。

5 結語

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PID控制算法中引入模糊控制理論，通過模糊控制理論實現傳統PID控制方法參數的自動調節，從而使得膨化溫度控制具有自適應性，并介紹以DSP作為控制器的控制系統硬件結構。仿真結果表明，基于模糊PID的膨化溫度控制方法具有更好收斂性，能夠快速實現膨化所需溫度，動態性能好。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量。