自動控制系統(tǒng)在餐廚垃圾處理中的應(yīng)用

摘要：隨著城市化進(jìn)程的加快和人口的逐漸增加，餐飲業(yè)的發(fā)展如火如荼。與此同時，餐廚垃圾的產(chǎn)生量也呈現(xiàn)出快速上升的趨勢。據(jù)統(tǒng)計，全球每年產(chǎn)生的餐廚垃圾超過1.3億t，中國每年產(chǎn)生的餐廚垃圾超過2 000萬t，且年均增長率為15%。數(shù)量龐大的垃圾對環(huán)境和社會造成嚴(yán)重的影響，餐廚垃圾處理是當(dāng)今社會面臨的一個重要環(huán)境問題。本文結(jié)合自動控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用領(lǐng)域，分析自動控制系統(tǒng)在餐廚垃圾處理中的應(yīng)用，以提高處理效率和環(huán)境友好性。研究表明，自動控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對餐廚垃圾處理工藝的智能管理和優(yōu)化控制。

關(guān)鍵詞：自動控制系統(tǒng)；餐廚垃圾處理；優(yōu)化控制；環(huán)境友好

中圖分類號：X799.3；TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）03-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.03.010

Abstract： With the acceleration of urbanization and the gradual increase in population， the development of the catering industry is in full swing. At the same time， the generation of kitchen waste is also showing a rapid upward trend. According to statistics， over 130 million tons of food waste are generated globally each year， while China generates over 20 million tons of food waste each year， with an average annual growth rate of 15%. The large amount of garbage has a serious impact on the environment and society， and the treatment of kitchen waste is an important environmental problem facing today’s society. Based on the theoretical foundation and application fields of automatic control systems， this paper analyzes the application of automatic control systems in the treatment of kitchen waste， in order to improve treatment efficiency and environmental friendliness. Research has shown that automatic control systems can achieve intelligent management and optimized control of kitchen waste treatment processes.

Keywords： automatic control system; kitchen waste treatment; optimized control; environmental friendliness

餐廚垃圾處理中，傳統(tǒng)的填埋和焚燒處理方式效率低下。填埋處理會占用大量的土地資源，而且餐廚垃圾濕度高，容易引發(fā)滲濾液泄漏和產(chǎn)生臭味，對周邊環(huán)境造成污染。焚燒處理則會產(chǎn)生大量的二氧化碳和有害氣體，加劇溫室效應(yīng)和大氣污染。傳統(tǒng)處理方法無法充分利用餐廚垃圾的資源價值。餐廚垃圾含有大量的有機(jī)物質(zhì)，可以通過有效處理轉(zhuǎn)化為沼氣、有機(jī)肥料等再生資源，但目前大部分餐廚垃圾未能得到有效利用。傳統(tǒng)處理方法存在處理成本高的問題。填埋和焚燒處理方式需要大量的投資和操作成本，給政府和企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，有必要將自動控制系統(tǒng)應(yīng)用于餐廚垃圾處理領(lǐng)域，以提高處理效率，降低環(huán)境污染，充分將餐廚垃圾轉(zhuǎn)化為再生資源。

1 自動控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)

自動控制系統(tǒng)是由傳感器、執(zhí)行器和控制器組成的一種系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)輸入和輸出的自動調(diào)節(jié)。它綜合應(yīng)用電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和控制理論等，對諸多領(lǐng)域進(jìn)行監(jiān)測、控制和管理。傳感器用于獲取系統(tǒng)的輸入信號，也就是要監(jiān)測的參數(shù)，如溫度、壓力、濕度等。控制器通過信號處理和計算，根據(jù)系統(tǒng)的輸入信號和設(shè)定值，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，控制系統(tǒng)的輸出。執(zhí)行器將控制信號轉(zhuǎn)化為能量輸出，對系統(tǒng)的處理對象進(jìn)行控制，如閥門的開關(guān)、電機(jī)的調(diào)速等。

根據(jù)自動控制系統(tǒng)的工作流程，傳感器對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，將系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電信號，傳輸給控制器；控制器對傳感器信號進(jìn)行處理和計算，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號；控制信號經(jīng)過執(zhí)行器轉(zhuǎn)化為能量輸出，對系統(tǒng)進(jìn)行控制，再經(jīng)過傳感器監(jiān)測，循環(huán)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制。自動控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)主要包括控制理論、信號處理理論、計算機(jī)技術(shù)等。控制理論是自動控制系統(tǒng)的核心理論，包括經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制等。經(jīng)典控制理論主要包括比例-積分-微分（PID）控制、根軌跡法、頻域法等，適用于線性、時不變系統(tǒng)的控制。現(xiàn)代控制理論則包括狀態(tài)空間法、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，適用于非線性、時變系統(tǒng)的控制。信號處理理論主要用于傳感器信號的提取、濾波和特征提取等[1]。

2 自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 自動控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

自動控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，不僅提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，還降低人工成本和能源消耗。在工業(yè)生產(chǎn)中，很多過程需要精確的控制，如化工、制藥、冶金等。自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)輸入信號和設(shè)定值，實(shí)時調(diào)節(jié)流量、溫度、壓力等參數(shù)，保證工藝過程的穩(wěn)定性和一致性。自動控制系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)和精確控制，減少人為干擾和誤操作的可能性，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在機(jī)械制造過程中，自動控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備的自動化控制和監(jiān)測，提高操作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2.2 自動控制系統(tǒng)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

目前，自動控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)中。工業(yè)生產(chǎn)和城市生活中產(chǎn)生的廢水含有大量污染物，對環(huán)境造成很大的破壞。自動控制系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測廢水的pH、濁度、污染物含量等參數(shù)，并根據(jù)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)和要求，自動調(diào)節(jié)廢水處理的工藝參數(shù)，如濃度、流量、反應(yīng)時間等，實(shí)現(xiàn)廢水的凈化和處理。自動控制系統(tǒng)能夠提供精確的控制和監(jiān)測，有效減少廢水對環(huán)境的污染。工業(yè)排放、交通尾氣和燃煤等活動會導(dǎo)致大氣污染，對人體健康和環(huán)境造成嚴(yán)重影響。自動控制系統(tǒng)可以監(jiān)測大氣中的污染物濃度、溫度、濕度等參數(shù)，并自動調(diào)節(jié)燃燒設(shè)備、排氣系統(tǒng)和除塵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和工藝參數(shù)，減少污染物的排放和濃度，保護(hù)大氣環(huán)境和人體健康。能源的消耗和排放是造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)的重要原因。自動控制系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測能源的消耗情況和效率，智能調(diào)節(jié)設(shè)備的運(yùn)行模式和能源利用方式，減少能源浪費(fèi)和污染物排放。

3 自動控制系統(tǒng)在餐廚垃圾處理中的應(yīng)用

3.1 餐廚垃圾處理工藝流程

餐廚垃圾處理是城市生活垃圾處理的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的處理方法往往采用堆肥或填埋等方式，但這些方法存在一些問題，如處理周期長、產(chǎn)生臭味等。為了提高處理效率和環(huán)境友好性，自動控制系統(tǒng)被引入餐廚垃圾處理中，實(shí)現(xiàn)自動化和智能化的處理。餐廚垃圾處理工藝包括收集、運(yùn)輸、處理和資源回收等環(huán)節(jié)，一般流程如圖1所示。

餐廚垃圾需要通過專門設(shè)置的容器進(jìn)行收集。這些容器通常配備傳感器，可以實(shí)時監(jiān)測垃圾的填充情況，當(dāng)容器中的垃圾達(dá)到一定量時，系統(tǒng)將自動發(fā)出信號，通知相關(guān)部門進(jìn)行收集。收集完畢，餐廚垃圾通過運(yùn)輸車輛運(yùn)送至處理廠。在運(yùn)輸過程中，自動控制系統(tǒng)通過傳感器和全球定位系統(tǒng)（GPS）等技術(shù)，可以實(shí)時監(jiān)測車輛的位置，確保垃圾能夠及時、安全地運(yùn)輸?shù)教幚韽S。到達(dá)處理廠后，餐廚垃圾進(jìn)入處理環(huán)節(jié)。自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)垃圾的種類和數(shù)量，智能地調(diào)節(jié)處理設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。例如，對于濕度較高的垃圾，系統(tǒng)可以通過控制加熱設(shè)備的溫度和時間，將垃圾中的水分揮發(fā)掉，從而減少垃圾的體積和質(zhì)量。同時，系統(tǒng)還可以對處理過程中產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行凈化，減少環(huán)境污染[2]。

3.2 自動控制系統(tǒng)的建模與仿真

為了實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾處理的自動化和智能化，要建立相應(yīng)的自動控制系統(tǒng)。這就需要深入了解餐廚垃圾處理工藝的特點(diǎn)，掌握自動控制系統(tǒng)的建模與仿真方法，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。餐廚垃圾處理工藝具有明確的輸入和輸出。輸入主要包括餐廚垃圾的種類、數(shù)量和狀態(tài)等信息，輸出則包括處理后的產(chǎn)物和廢物等。建立數(shù)學(xué)模型時，要確定哪些因素對工藝的影響最為關(guān)鍵，并選擇合適的變量。

餐廚垃圾處理過程涉及多個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都有特定的處理要求和技術(shù)參數(shù)。比如，在垃圾處理環(huán)節(jié)，濕度、溫度和時間等因素會影響處理效果；在資源回收環(huán)節(jié)，要根據(jù)垃圾的特性進(jìn)行分類和分離。因此，每個環(huán)節(jié)需要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來描述其處理過程。對于垃圾處理環(huán)節(jié)來說，常見的數(shù)學(xué)模型包括質(zhì)量平衡方程、熱平衡方程、水分平衡方程等。以濕度為例，可以建立方程來描述其變化過程，如式（1）所示。通過對垃圾處理過程的各項(xiàng)流量和速率進(jìn)行測量和監(jiān)控，可以獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而分析濕度變化。類似地，對于其他環(huán)節(jié)，可以根據(jù)具體情況建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

式中：W為垃圾的濕度；t為時間；Qin、Qout和Qeuap分別為進(jìn)入垃圾處理裝置的濕垃圾流量、流出垃圾處理裝置的干垃圾流量和垃圾中水分的蒸發(fā)速率。

在建模過程中，要合理選擇模型的參數(shù)，并進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整。為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性，可以利用仿真軟件對建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過與實(shí)際數(shù)據(jù)的對比分析，可以進(jìn)一步優(yōu)化自動控制系統(tǒng)的設(shè)計。為了實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾處理的自動化和智能化，要建立準(zhǔn)確的自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。通過對餐廚垃圾處理工藝的特點(diǎn)進(jìn)行分析，選擇合適的參數(shù)進(jìn)行建模，可以為餐廚垃圾處理的自動化控制提供有效的理論支持。仿真驗(yàn)證可以為自動控制系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供指導(dǎo)。這將有助于提高餐廚垃圾處理的效率和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[3]。

4 結(jié)語

自動控制系統(tǒng)在餐廚垃圾處理中的應(yīng)用為環(huán)境保護(hù)提供一個創(chuàng)新的解決方案。隨著人工智能技術(shù)的引入，餐廚垃圾的收集、分類、處理和資源化利用全過程實(shí)現(xiàn)自動化控制，提高處理效率和環(huán)境友好性。該系統(tǒng)不僅可以減少人工操作，降低勞動成本，還極大地減少能耗，降低廢棄物的產(chǎn)生量。

參考文獻(xiàn)

1 劉 宇.基于PLC的餐廚垃圾處理設(shè)備控制系統(tǒng)研究[J].自動化博覽，2014（2）：84-87.

2 高東明，馬建行，周 磊，等.基于PLC的餐廚垃圾破碎機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2022（2）：133-137.

3 萬松峰，潘少陽.小型智能餐廚垃圾處理設(shè)備溫控系統(tǒng)的設(shè)計[J].機(jī)械管理開發(fā)，2023（9）：73-74.

收稿日期：2024-01-18

作者簡介：付源（1983—），女，黑龍江黑河人，碩士，工程師。研究方向：固體有機(jī)廢棄物處置。