基于模糊控制的南美白對(duì)蝦冰—低溫?zé)岜酶稍锟刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王國(guó)杰

母 剛1,2,3

霍 錦1,2

張 倩1,2,3

張國(guó)琛1,2,3

(1. 大連海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2. 大連海洋大學(xué)中新合作學(xué)院，遼寧 大連 116023；3. 遼寧省海洋漁業(yè)裝備專(zhuān)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心，遼寧 大連 116023)

據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，2019年中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量達(dá)5.08×107t，其中海水養(yǎng)殖產(chǎn)量為2.07×107t，占水產(chǎn)養(yǎng)殖的40.75%。生鮮水產(chǎn)品由于含水率高，增加了包裝、貯藏和運(yùn)輸成本，此外過(guò)長(zhǎng)的冷鏈也會(huì)降低品質(zhì)，而干燥加工是一種有效的貯藏方法[2-4]。與一般物料不同，水產(chǎn)品對(duì)溫度十分敏感，溫度過(guò)高會(huì)影響干燥品質(zhì)，溫度過(guò)低又會(huì)延長(zhǎng)干燥時(shí)間，增加干燥成本。為解決上述問(wèn)題，有學(xué)者[5]提出冰—低溫聯(lián)合干燥技術(shù)，即干燥過(guò)程中物料處于冰溫和低溫兩個(gè)溫度區(qū)間。該技術(shù)既可以快速去除被干燥物料中的水分，又可以抑制物料內(nèi)有害微生物的活動(dòng)及各種酶活性[6-7]，最大限度保留被干燥物料的色澤、外形及營(yíng)養(yǎng)成分[8-10]，適合于水產(chǎn)品的干燥加工。

冰溫干燥起步于日本，山根昭美等[11]將魚(yú)、面條等物料置于溫度為-1.5～0.0 ℃，濕度為40%的環(huán)境下干燥，并與傳統(tǒng)的20 ℃冷風(fēng)干燥進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)冰溫干燥在保持鮮度上效果良好。另有相關(guān)研究[12-14]表明，冰溫干燥產(chǎn)品在口感、復(fù)水率等方面較其他干燥方式有顯著優(yōu)勢(shì)。王豐[15]研發(fā)了一套冰溫微波真空干燥設(shè)備，通過(guò)真空環(huán)境中物料水分蒸發(fā)使溫度降至冰溫帶內(nèi)，而后利用微波輻射加熱物料使其脫水。厲建國(guó)等[16]在此基礎(chǔ)上，改用電加熱提供干燥所需熱量，并將真空干燥箱置于冷庫(kù)中，避免外界環(huán)境對(duì)干燥箱內(nèi)溫度的影響。但由于低壓環(huán)境中物料溫度變化加快，導(dǎo)致電加熱啟停頻繁，控制精度較低。倪超等[17]設(shè)計(jì)了以PC為上位機(jī)，PLC為下位機(jī)的全封閉熱泵干燥裝置監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫濕度控制。母剛等[18]設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的熱泵干燥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠自動(dòng)采集溫度、濕度和物料重量等參數(shù)。上述控制系統(tǒng)一定程度上提高了干燥效率與品質(zhì)，但在響應(yīng)速度、控制精度等方面仍存在不足。由于干燥過(guò)程是一個(gè)非線性、時(shí)變性、大慣性的復(fù)雜過(guò)程，難以建立其準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，傳統(tǒng)控制方式應(yīng)用受限，而模糊控制對(duì)于解決多變量非線性系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢(shì)[19-20]。張建鋒[21]利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和組態(tài)技術(shù)，設(shè)計(jì)了熱泵干燥裝置自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)用模糊解耦控制算法進(jìn)行推理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)干燥過(guò)程的溫濕度解耦控制。

文章擬在冰—低溫?zé)岜酶稍锵到y(tǒng)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)其控制系統(tǒng)，通過(guò)基于模糊控制策略的軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)干燥過(guò)程中溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，并根據(jù)環(huán)境參數(shù)在線調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)，精準(zhǔn)控制冰、低溫干燥箱溫度。通過(guò)對(duì)蝦干燥試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)備性能，以期為冰—低溫?zé)岜酶稍锵到y(tǒng)的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 冰—低溫?zé)岜酶稍锵到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

冰—低溫?zé)岜酶稍锵到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中，冰、低溫干燥室內(nèi)腔尺寸為350 mm×450 mm×450 mm，外層填充50 mm厚的巖棉作為保溫層，內(nèi)置4層物料托盤(pán)，門(mén)用密封條密封，兩側(cè)分別開(kāi)有150 mm×150 mm的風(fēng)道；離心風(fēng)機(jī)(上海應(yīng)發(fā)YY71-4)額定功率為250 W、轉(zhuǎn)速為1 450 r/min；通風(fēng)管道尺寸為200 mm×200 mm，采用1.5 mm厚的鍍鋅鋼板，外層用50 mm厚的橡塑保溫棉保溫；整機(jī)尺寸為3 000 mm×1 300 mm×1 700 mm。

該系統(tǒng)具有冰溫干燥和低溫干燥兩種模式，且可同時(shí)運(yùn)行，既能單獨(dú)進(jìn)行冰溫或低溫干燥，又能分階段進(jìn)行冰—低溫聯(lián)合干燥，提高了熱泵利用率與干燥效率。冰—低溫?zé)岜酶稍锵到y(tǒng)由工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3部分組成。

工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)是干燥系統(tǒng)的重要組成部分，干燥箱溫濕度調(diào)節(jié)所需的熱量和冷量均由其提供。工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)由壓縮機(jī)、輔助冷凝器、冷凝器Ⅰ、冷凝器Ⅱ、節(jié)流閥、蒸發(fā)器Ⅰ、蒸發(fā)器Ⅱ和其他制冷配件組成。其中，冷凝器Ⅰ和冷凝器Ⅱ提供干燥所需的熱量，多余熱量則由輔助冷凝器排出，以調(diào)節(jié)干燥箱溫度。系統(tǒng)采用兩級(jí)蒸發(fā)進(jìn)行降溫除濕，可使溫度快速達(dá)到物料冰溫帶內(nèi)。工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)有4個(gè)電磁閥，可以改變工質(zhì)流向?qū)崿F(xiàn)對(duì)工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)的調(diào)控。不同工況下，電磁閥的開(kāi)閉狀態(tài)及工質(zhì)流向關(guān)系如表1所示。

圖1 冰—低溫?zé)岜酶稍锵到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 不同工況下電磁閥狀態(tài)與工質(zhì)流向?

空氣循環(huán)系統(tǒng)由混合段、回風(fēng)段、冰溫送風(fēng)段和低溫送風(fēng)段組成。在風(fēng)道的混合段安裝有離心風(fēng)機(jī)，為冰、低溫干燥箱提供風(fēng)量。兩個(gè)干燥箱出口均安裝風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，通過(guò)改變其開(kāi)度控制干燥箱出口空氣的混合比。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 冰—低溫?zé)岜酶稍锟刂葡到y(tǒng)由PLC、觸摸屏、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和電源模塊組成。PLC是控制系統(tǒng)的核心，觸摸屏是人與機(jī)器對(duì)話的窗口。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器和DP-MODBUS網(wǎng)關(guān)組成。執(zhí)行系統(tǒng)由電磁閥、變頻器和風(fēng)機(jī)組成。電源模塊為各元件提供其額定的工作電壓。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2所示。

2.1.2 硬件選型 選用CPU型號(hào)為313C-2DP的西門(mén)子PLC作為控制器，其內(nèi)置16個(gè)DI/DO接口，集成2個(gè)PROFIBUS DP通訊接口。觸摸屏型號(hào)為西門(mén)子Smart 700E，集成以太網(wǎng)接口。由于該 CPU未集成以太網(wǎng)接口，故配合ETH-MPI以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器(大連德嘉國(guó)際電子公司)使用。S7-300 PLC通過(guò)ETH-MPI以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為PROFINET(TCP/IP)以太網(wǎng)協(xié)議，使用RJ45雙絞線與計(jì)算機(jī)及觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。觸摸屏與計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)連接，方便安裝與通訊。使用DP-MODBUS協(xié)議轉(zhuǎn)換器(大連德嘉國(guó)際電子公司)對(duì)RS-485傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并向變頻器寫(xiě)入控制字。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變頻器型號(hào)為AS01-4W(韓國(guó)AY公司)，配備RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口，可由PLC程序控制，可調(diào)節(jié)功率為0.0～0.4 kW，滿足熱泵系統(tǒng)中離心風(fēng)機(jī)的功率要求；電磁閥選用進(jìn)出口直徑為10 mm的齊星電磁閥；溫濕度傳感器為RS-WS-2的RS-485型傳感器(建大仁科公司)，風(fēng)速傳感器選擇EE65系列傳感器(奧地利E+E公司)，傳感器參數(shù)見(jiàn)表2。風(fēng)速傳感器輸出信號(hào)為模擬量，不能直接與數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需使用 4～20 mA轉(zhuǎn)RS-485模塊(建大仁科公司)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.2 模糊控制策略

模糊控制是基于模糊集合理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理模擬人的思維方式，對(duì)難以建立數(shù)學(xué)模型的控制對(duì)象實(shí)施的一種智能控制方法。模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括模糊化、知識(shí)庫(kù)(數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù))、模糊推理和解模糊化4部分。

南美白對(duì)蝦干燥過(guò)程中，溫度是影響干燥效率及干品品質(zhì)的關(guān)鍵因素。圖3為冰溫模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，設(shè)冰溫箱溫度設(shè)定值為r(t)，傳感器檢測(cè)值為y(t)。模糊控制器采用“二維輸入一維輸出”結(jié)構(gòu)，如圖4所示。輸入量為設(shè)定值r(t)與檢測(cè)值y(t)的偏差e及偏差變化率ec。輸出量為風(fēng)機(jī)變頻器的工作頻率u，通過(guò)PLC向變頻器寫(xiě)入控制字以調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制冰溫箱溫度。

(1)

表2 傳感器技術(shù)參數(shù)

圖3 冰溫模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 模糊控制器結(jié)構(gòu)

式中：

r(t)——t時(shí)刻冰溫箱溫度設(shè)定值，℃；

y(t)——t時(shí)刻冰溫箱溫度檢測(cè)值，℃；

e(t)——t時(shí)刻溫度偏差，℃；

ec(t)——t時(shí)刻溫度偏差變化率，℃/s。

根據(jù)前期冰—低溫?zé)岜酶稍锬厦腊讓?duì)蝦試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定冰溫箱溫度偏差e與偏差變化率ec的基本論域分別為[-6,6]和[-3,3]，風(fēng)機(jī)工作頻率u的基本論域?yàn)閇-3,3]；輸入量模糊論域E、EC均為[-3,3]，量化因子分別為0.5和1.0，輸出量模糊論域U為[-3,3]，比例因子為1。輸入量和輸出量的模糊論域劃分為7檔，即{-3,-2,-1,0,1,2,3}，其語(yǔ)言模糊子集為{NB,NM,NS,ZE,PS,PN,PB}，簡(jiǎn)記為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}。

輸入量和輸出量的負(fù)大(NB)模糊子集采用z型隸屬度函數(shù)(zmf)，正大(PB)模糊子集采用s型隸屬度函數(shù)(smf)，其余模糊子集均采用三角形隸屬度函數(shù)(trimf)，如圖5所示。

模糊控制規(guī)則是總結(jié)有經(jīng)驗(yàn)的操作者或?qū)＜业目刂浦R(shí)經(jīng)驗(yàn)，制定出的模糊條件語(yǔ)句的集合，通常簡(jiǎn)寫(xiě)成一個(gè)表即模糊控制規(guī)則表。確定模糊控制規(guī)則的原則是使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動(dòng)靜態(tài)特性達(dá)到最佳。當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主；當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇控制量要防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點(diǎn)。通過(guò)Mamdani合成推理方法，采用“if A and B then C”的結(jié)構(gòu)模式，根據(jù)上述原則并結(jié)合前期冰—低溫?zé)岜眯阅芗案稍锕に囋囼?yàn)的手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)，得到49條模糊控制規(guī)則，如表3所示。

圖5 隸屬度函數(shù)

為了滿足工程上的使用要求，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)在Matlab軟件上對(duì)模糊控制器進(jìn)行仿真，得到如圖6 所示輸出變量曲面。每個(gè)坐標(biāo)表示一個(gè)模糊變量，坐標(biāo)軸范圍即為模糊論域。當(dāng)輸入量偏差E和偏差變化率EC均為-3時(shí)，輸出量U為-3，與表3的結(jié)果一致。

根據(jù)表3的模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理后得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合，需要對(duì)其進(jìn)行解模糊化處理才能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)采用面積重心法(centroid)進(jìn)行解模糊化處理。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 控制流程 通過(guò)冰—低溫?zé)岜酶稍锟刂葡到y(tǒng)對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使物料在適宜的環(huán)境中進(jìn)行干燥，保證水產(chǎn)品干品品質(zhì)。圖7為冰—低溫?zé)岜酶稍锵到y(tǒng)控制流程圖，開(kāi)機(jī)運(yùn)行后系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括 Modbus協(xié)議初始化，外設(shè)I/O區(qū)刷新和中間繼電器清零等；通過(guò)人機(jī)界面設(shè)定干燥物料所需的環(huán)境參數(shù)；利用傳感器采集干燥箱內(nèi)部溫度和濕度數(shù)據(jù)，并傳輸給S7-300 PLC；經(jīng)模糊控制程序運(yùn)算得相應(yīng)的控制信號(hào)，控制電磁閥、變頻器等部件執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，調(diào)節(jié)冰、低溫干燥箱的溫度參數(shù)，為干燥物料提供適宜的干燥環(huán)境。

表3 模糊控制規(guī)則表

圖6 輸出變量曲面

2.3.2 數(shù)據(jù)通訊 系統(tǒng)使用的協(xié)議為Modbus-RTU通訊協(xié)議，用到的功能碼主要為03H和06H，其中 03H用來(lái)讀取溫濕度傳感器的數(shù)值，06H用來(lái)寫(xiě)入變頻器的頻率。配置DP-MODBUS協(xié)議轉(zhuǎn)換器作為 Profibus從站，同時(shí)作為Modbus主站。為確保與各傳感器之間正常通訊，需設(shè)定其波特率和校驗(yàn)碼與 Modbus從站設(shè)備一致。根據(jù)傳感器出廠默認(rèn)參數(shù)，設(shè)置系統(tǒng)通訊參數(shù)為8N1，即8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，1位停止位，波特率為9 600 bit/s。

2.3.3 人機(jī)界面 人機(jī)界面包括歡迎界面、監(jiān)測(cè)界面、設(shè)置界面和報(bào)警界面。圖8為部分界面圖。使用WinCC Flexible軟件對(duì)Smart700IE觸摸屏進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。監(jiān)測(cè)界面顯示冰、低溫干燥箱溫濕度和風(fēng)速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并設(shè)置有跳轉(zhuǎn)按鈕實(shí)現(xiàn)與各個(gè)子界面切換。設(shè)置界面包括溫濕度數(shù)值的實(shí)時(shí)曲線顯示、溫度設(shè)定和頻率設(shè)定。風(fēng)機(jī)頻率有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，手動(dòng)控制是在調(diào)試過(guò)程中可通過(guò)加減按鈕調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)工作頻率；自動(dòng)控制則是通過(guò)程序自動(dòng)設(shè)定風(fēng)機(jī)的工作頻率。

圖7 控制流程圖

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)材料與儀器

3.1.1 材料及主要儀器

南美白對(duì)蝦：市售；

冰—低溫?zé)岜酶稍镅b置：自研；

真空干燥箱：DZF型，上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司；

電子天平：JA3003型，上海精科天平儀器廠；

便攜式測(cè)色儀：4500S型，美國(guó)Hunter Lab公司；

電子數(shù)顯卡尺：SF2000型，桂林廣陸數(shù)字測(cè)控有限公司；

數(shù)顯恒溫水浴鍋：HH-4型，國(guó)華電器有限公司。

3.1.2 對(duì)蝦預(yù)處理 參照王偉華等[22]的方法。預(yù)處理后對(duì)蝦質(zhì)量為(6.04±0.24) g/尾，并按(90±3) g/袋將其保存于自封袋中備用。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 空載試驗(yàn) 分別使用PID控制和模糊控制兩種方式調(diào)節(jié)冰溫干燥箱和低溫干燥箱溫度至-2，20 ℃。溫濕度采集點(diǎn)位于冰、低溫干燥箱入口處，采樣周期為1 min。

圖8 人機(jī)界面

3.2.2 干燥試驗(yàn) 設(shè)定冰溫干燥箱溫度為-2 ℃，低溫干燥箱溫度為20 ℃。將預(yù)處理后的南美白對(duì)蝦分為5組，每組用量1袋，分別進(jìn)行冰溫干燥、低溫干燥、聯(lián)合干燥1 (冰溫干燥至含水率60%轉(zhuǎn)為低溫干燥)、聯(lián)合干燥2 (冰溫干燥至含水率50%轉(zhuǎn)為低溫干燥)和聯(lián)合干燥3 (冰溫干燥至含水率40%轉(zhuǎn)為低溫干燥)。

3.2.3 含水率測(cè)定 根據(jù)GB/T 5009.3—2016將南美白對(duì)蝦干燥至恒重。按式(2)計(jì)算對(duì)蝦含水率[23]。

(2)

式中：

Wt——t時(shí)刻物料含水率，%；

mt——t時(shí)刻物料質(zhì)量，g；

m0——干燥前物料質(zhì)量，g；

W0——物料初始含水率。

3.2.4 色度差測(cè)定 取南美白對(duì)蝦樣品5只，用色度儀測(cè)定并記錄其干燥前后的L*,a*,b*，并按式(3)計(jì)算南美白對(duì)蝦的色度差。

(3)

式中：

ΔE*——干燥前后的色度差；

ΔL*——干燥前后的黑白度差；

Δa*——干燥前后的紅綠度差；

Δb*——干燥前后的黃藍(lán)度差。

3.2.5 收縮率與復(fù)水率測(cè)定 取南美白對(duì)蝦樣品5只，用電子數(shù)顯卡尺測(cè)量其干燥前后蝦頭后部最厚部位尺寸。取干燥后南美白對(duì)蝦樣品5只，稱重，將其置于600 mL沸水中10 min，于篩網(wǎng)上瀝干水分，稱重。分別按式(4)和式(5)計(jì)算收縮率、復(fù)水率。

(4)

(5)

式中：

r——對(duì)蝦收縮率，%；

v——干燥前蝦頭后部尺寸，mm；

v0——干燥后蝦頭后部尺寸，mm；

Rf——對(duì)蝦復(fù)水率，%；

mf——對(duì)蝦復(fù)水后質(zhì)量，g；

mg——對(duì)蝦復(fù)水前質(zhì)量，g。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 溫濕度控制效果 由圖9可知，空載試驗(yàn)中冰、低溫干燥箱初始溫度為 16.6 ℃，模糊控制下冰溫干燥箱溫度達(dá)到目標(biāo)值時(shí)用時(shí)約20 min，低溫干燥箱溫度達(dá)到目標(biāo)值時(shí)用時(shí)約 17 min。由表4可知，穩(wěn)態(tài)后模糊控制下冰溫干燥箱溫度為-2.5～-1.7 ℃，最大溫差0.8 ℃，與PID控制下最大溫差1.5 ℃相比，波動(dòng)范圍縮小了46.7%；模糊控制下低溫干燥箱溫度為20.3～ 21.4 ℃，最大溫差1.1 ℃，較PID控制下最大溫差2.6 ℃縮小了57.7%。綜上，與PID控制相比，模糊控制縮小了冰、低溫干燥箱穩(wěn)態(tài)下溫度波動(dòng)范圍，穩(wěn)態(tài)性能和控制效果得到改善。穩(wěn)態(tài)后冰溫箱濕度范圍為52.7%～55.9%，低溫箱濕度范圍為14.2%～15.9%。

3.3.2 對(duì)蝦干燥效果 由圖10(a)可知，冰溫干燥、低溫干燥和聯(lián)合干燥均能有效降低南美白對(duì)蝦含水率。其中，低溫干燥對(duì)蝦至目標(biāo)含水率用時(shí)最短為22 h，是因?yàn)榈蜏馗稍锝M在5組試驗(yàn)中平均溫度最高(20 ℃左右)。冰溫干燥用時(shí)最長(zhǎng)，干燥76 h后含水率仍為23.46%，并且很難下降，是由于冰溫干燥箱環(huán)境濕度過(guò)高(52.7%～55.9%)導(dǎo)致對(duì)蝦吸濕和解吸平衡，因此有必要進(jìn)行冰—低溫聯(lián)合干燥進(jìn)一步降低其含水率。冰—低溫聯(lián)合干燥中，冰溫干燥至含水率為60%，50%，40%分別用時(shí)10，20，36 h，由冰溫干燥轉(zhuǎn)換為低溫干燥后干燥速率明顯提高，同樣物料中水分由內(nèi)向外遷移受溫度影響。溫度越高，物料內(nèi)外溫差越大，越有利于水分的擴(kuò)散[24]。此外，不同干燥模式下干燥速率均為初期快而后逐漸下降，這是因?yàn)楦稍锼俾适芸諝庀鄬?duì)濕度與物料含水率差值的影響。干燥初始階段，空氣相對(duì)濕度與物料含水量差值較大，有利于物料內(nèi)水分的擴(kuò)散。隨著干燥的進(jìn)行，物料含水率降低，二者之間差值變小，減緩了水分?jǐn)U散的速度[25]。

圖9 溫濕度變化曲線

表4 不同控制方式下干燥箱溫度

圖10 干燥效果

由圖10(b)可知，聯(lián)合干燥1和聯(lián)合干燥3干燥前后對(duì)蝦的色度差最小，較大程度地保存了對(duì)蝦的色澤，可能是由于各種酶的活性和微生物活動(dòng)減小，避免了對(duì)蝦中不飽和脂肪酸氧化和表面發(fā)黃。影響收縮率的主要因素是干燥過(guò)程中肌纖維的收縮使得物料組織結(jié)構(gòu)塌陷，由圖10(c)可知，聯(lián)合干燥2的對(duì)蝦組織結(jié)構(gòu)變化最小；而影響復(fù)水率的主要因素是干燥產(chǎn)品的內(nèi)部孔隙度，孔隙度越大復(fù)水率越高，聯(lián)合干燥1的復(fù)水率最高。

4 結(jié)論

針對(duì)冰—低溫?zé)岜酶稍锬厦腊讓?duì)蝦過(guò)程中非線性、大慣性和時(shí)滯性等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于模糊控制的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，具備冰溫干燥、低溫干燥和冰—低溫聯(lián)合干燥3種運(yùn)行模式，以滿足不同干燥需求。試驗(yàn)表明，基于模糊算法的控制系統(tǒng)可使干燥箱溫度快速達(dá)到冰、低溫干燥所需溫度，穩(wěn)態(tài)后溫度波動(dòng)小，控制精度高。冰—低溫聯(lián)合干燥既能快速有效地去除對(duì)蝦中的水分，又能保留對(duì)蝦的色澤，且在收縮率與復(fù)水率方面有一定優(yōu)勢(shì)，適合南美白對(duì)蝦的冰—低溫自動(dòng)化干燥加工。由于試驗(yàn)中的干燥品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)較少，后續(xù)可從質(zhì)構(gòu)、感官、微觀結(jié)構(gòu)等方面綜合評(píng)價(jià)對(duì)蝦干燥品質(zhì)，為進(jìn)一步的應(yīng)用與推廣提供更為充分的數(shù)據(jù)支撐。