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金银花微波干燥的模糊控制

文章来源:www.wbptw.com   作者:阿达森微波干燥设备   发布时间:2018-10-22 16:26   浏览次数:

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  为了实现对金银花(Lonicera japonica)微波干燥过程中的参数控制,提出了将模糊控制策略应用到微波干燥设备智能控制中,实现干燥过程的温度和湿度间的解耦和精确控制。利用MATLAB的模糊逻辑工具箱设计了二输入二输出的模糊控制器,并用MATLAB中的SIMULINK对该控制系统进行仿真。仿真结果表明,应用模糊控制后控制过程的平稳性好,控制效果较为理想。经试验验证,该智能控制系统工作稳定、性能可靠,控制精度高,保证了干燥质量,降低了干燥能耗,干燥后物料的含水率和理想值非常接近,实现了微波干燥设备的自动化和智能化。

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  金银花(Lonicera japonica)为忍冬科植物,性味甘寒,具有清热解毒、疏散风热的功能,用于痈肿疔疮、喉痹、丹毒、热毒血痢等病症。其主要有效成分为有机酸类和黄酮类化合物。现代药理研究表明,金银花具有抑菌、抗病毒、抗炎解热、抗氧化、降血脂和降血糖等作用。金银花在医药、保健、食品等领域的消费量逐年增加,市场供不应求。但金银花在干燥过程中会产生霉变,霉变会影响金银花的干燥质量,如感官和绿原酸的含量,所以干燥工艺非常重要。目前,金银花的微波干燥工艺已经比较成熟。在微波干燥金银花的过程中,温度和湿度对于干燥时间和最终品质具有重要影响,在金银花微波干燥设备的研制过程中,如何实现对温度和湿度的控制是实现对金银花干燥质量控制的重要手段。

  微波连续干燥金银花过程参数控制主要包括:干燥腔内金银花的温度、干燥腔内的湿度以及出口金银花的含水率等。温度控制主要是控制分布在每个干燥腔内的微波磁控管的输出功率,若温度高则降低磁控管的输出功率,反之则增加。湿度控制主要是控制每个干燥腔上方的排湿风机的转速,若干燥腔内湿度大则增大排湿风机的转速,反之则降低。出口金银花的含水率控制主要是控制整个干燥过程中输送带的带速,若出口金银花的含水率高于理想值则降低输送带的带速,反之则增大。总的来讲,微波连续干燥金银花过程中涉及到的控制因子较多,而且这些参数之间相互影响,尤其是干燥过程中温度和湿度存在强耦合关系,整个干燥过程是一个非线性、时变、参数耦合以及大滞后的复杂过程。因此,难以建立精确的干燥过程数学模型,要实现干燥过程的精确控制比较困难。

  关于干燥过程的控制,国内外很多学者进行了大量研究,设计了一种干燥机模型预测控制器,能使出口物料的含水率控制精度到±0.7%;研究者分别将模糊控制和PID控制应用于流化床干燥试验,结果表明,模糊控制的控制特性比PID控制好,而且模糊控制器的结构比PID控制器简单。把智能控制应用在粮食干燥中。但已有研究中控制对象都能建立精确的数学模型,而且控制目标单一,控制参数少,参数之间没有耦合,针对这种情况本试验提出在环形微波连续干燥机控制中采用模糊控制技术来实现金银花干燥过程的自动化控制。

  1 环形微波干燥设备的结构与工作原理

  1.1 结构

  环形微波干燥机由进料箱、干燥腔、输送装置、控制系统和机架等组成。4个干燥腔串联在一起,每个干燥腔内均安装1个微波磁控管,金银花输送带由变频电机驱动穿过相互串联的4个微波干燥腔。在每个干燥腔上安装1个红外温度传感器、1个湿度传感器。在进料口和排料口各安装1个水分传感器。微波连续干燥机结构如图1所示。

  


  图1 环形微波干燥装置整体结构

  1.2 工作原理

  环形微波干燥机工作原理:金银花从进料口落到输送带上,输送带在电机的驱动下,穿过相互串联的微波干燥腔,在每个干燥腔内金银花受到微波加热作用,温度升高,同时金银花中的水分向外蒸发,在排湿风机的作用下,干燥腔内的水蒸气不断被排到腔外,被干燥后的金银花从出料口排出。在干燥过程中,湿度传感器和温度传感器不断采集各个干燥腔内的湿度和温度,水分传感器采集金银花的水分含量,将这些信息输送到控制系统,从而控制磁控管的输出功率、排湿风速和输送带的运行速度,调节干燥腔的温度和湿度以及干燥时间,保证物料干燥品质和干燥效率。

  2 模糊控制系统设计

  2.1 参数模糊化

  微波干燥过程中温度和湿度存在耦合关系,干燥过程难以控制、干燥品质低。为了实现温湿度的解耦,设计了模糊控制算法。输入量是温度偏差Et(设定温度与实测温度的差)、湿度偏差Eh(设定湿度与实测湿度的差)。输出量为加热控制量Ct和排湿控制量Ch,Ct最终量化为微波发生器的输出功率,Ch最终量化为排湿风机的转速。Kt1、Kt2、Kh1、Kh2为量化因子,Ut、Uh为最终控制输出量。模糊控制器结构如图2所示,采用三角形交叉隶属函数,双输入双输出。

  


  图2 模糊控制器结构

  输入量和输出量的语言描述为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},其中NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。输入语言变量偏差:设温度偏差Et的基本论域为[-5℃,5℃],湿度偏差Eh的基本论域为[-25%RH,25%RH]。量化论域:设Et的量化论域为{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5},Eh的量化论域为{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}。Et的量化因子Kt1=5/5=1,Eh的量化因子Kh1=5/25=0.2。

  2.2 模糊控制规则

  在模糊控制器中,为实现对Tc和Hc的控制,则需找出Tc、Hc与Et、Eh的关系,根据控制经验可以得到该系统的模糊控制规则表如表1所示。

  3 性能试验

  以含水率为75%的新鲜金银花作为试验材料,在不同的控制条件下对干燥过程中温、湿度进行仿真。干燥系统的初始温度值为30℃,初始相对湿度值为50%,温度设定值为60℃,相对湿度设定值为70%。2种不同控制装置即风机是由变频器控制,加入模糊控制器控制系统。温度和湿度仿真结果如图3、图4所示。可以看出,曲线1波动幅度大,温湿度耦合严重,在达到温湿度设定值时抖动较厉害,极不稳定;曲线2相对曲线1控制效果有明显的改进,温湿度能够解耦,能够实现温湿度的精确控制,在达到设定值时也较平稳,控制效果更好。

  表1 系统模糊控制规则表

  


  


  图3 温度仿真曲线

  


  图4 湿度仿真曲线

  4 小结

  本试验提出了一种金银花干燥温湿度的模糊控制方法,该方法针对干燥过程的要求实现控制策略,MATLAB仿真结果表明该模糊控制方法稳定、可靠,提高了温湿度的控制精度。将仿真结果应用于金银花的环形微波干燥设备中,实现了干燥金银花过程中温湿度精确控制,提高了物料干燥过程控制的智能化程度,具有很高的实用价值。

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