果蔬食品膨化温度智能控制

钱雅楠，谢箭，许癸驹

重庆工程学院（重庆 400000）

近年来，中国农业产业结构出现大幅调整，果蔬种植业得到快速发展，中国果蔬产量位居世界之首[1]。中国果蔬食品的加工率较低，水果低于15%，蔬菜低于2%。果蔬食品的损耗率达35%，如此高的损耗率根本原因是果蔬产品的深加工水平较低。膨化食品是作为一种新型食品深加工方法，经过加压、加热处理，果蔬食品内部的组织结构发生变化，经过加工、成型而制成[2-3]。经过膨化后的食品口感清脆，能最大程度地保留食品营养价值，从而受到众多消费者青睐。

低温压差膨化是利用加热装置对果蔬物料进行加热，使得设备内部温度达到果蔬膨化要求的温度，并使得容器保持在一定压力，通过瞬间泄压的方式使得果蔬完成膨化。低压温差膨化温度控制通常采用传统PID控制方法，但低温压差膨化系统是一个非线性、时变性、时滞性的复杂系统，传统PID控制算法参数不具有自适应性，不能根据系统变化进行自适应调整[4-8]。

为提高系统温度控制精度、提高系统自适应性，在传统PID控制方法中引入模糊控制理论，利用模糊推理方法实现PID参数的在线自动调整，通过该控制方法提高果蔬膨化的生产效率，保证果蔬物料膨化质量。

1 低温压差膨化原理

低温压差膨化主要是在膨化罐以及真空罐中进行，膨化罐与真空罐通过阀门连接在一起。果蔬经过消毒清洗、切片等一系列外部操作后，将其进行干燥处理，放入膨化罐中，采用加热装置将膨化罐中的果蔬进行加热，膨化罐内部温度随着时间的推移而逐渐升高，温度的升高自然带动膨化罐中的压力也升高，果蔬体内的水分开始被逐渐蒸发；膨化罐中的温度和压力达到工艺设定的目标值，保持目标值一定时间后，打开连接膨化罐和真空罐的泄压阀进行泄压；膨化罐中的压力迅速下降，与此同时果蔬内部的水分也开始汽化，由于罐体中压力的作用，果蔬内部结构发生膨化，此时加热使得果蔬进行干燥，通过冷却系统将其进行冷却处理，便可得到膨化后的果蔬产品。

2 模糊PID控制器

由于膨化系统温度模型并不能准确建立，导致控制对象模型参数不确定，使得温控系统是一个时变、滞后的复杂系统，传统PID控制器参数固定不变，不能根据系统变化进行在线调整。模糊PID控制方法能够利用模糊理论实现PID参数的自动调整，可以满足变化系统对控制参数的不同要求[9-12]。

模糊PID控制器则根据膨化罐中温度偏差e和温度偏差变化率ec作为模糊控制器的输入量，进行模糊化处理。模糊PID控制器结构如图1所示。

图1 模糊PID控制器

如图1所示，模糊PID控制器的输出量ΔPi、ΔIi、ΔDi分别对应比例、积分、微分系数的修正量。相关表达式可描述为

式中：pi为比例系数初始值；ii为积分系数初始值；di为微分系数初始值；i=1，2，3。

可定义模糊控制器输入变量的论域为{-6，-4，-2，0，2，4，6}，控制器输出变量论域可定义为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。同时，输入和输出变量所对应语言值为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，可用{NB，NM，NS，ZO，PS，PN，PM}表示。输入变量和输出变量的隶属度函数都是三角形函数，其表达式可描述为

式中：a、b、c为三角形顶点，而且满足a＜b＜c。隶属度函数如图2所示。

图2 隶属度函数

3 控制系统硬件设计

果蔬膨化控制系统硬件结构如图3所示。硬件部分主要由DSP作为主控单元，外围由复位电路、上位机、按键等组成。TMS320LF2407A芯片作为DSP控制器24x系列的新成员，是TMS320C2000平台下的一种定点DSP芯片，也是TMSC2000家族中集成度高、性能最强的芯片，它与现存的24xDSP控制器芯片代码兼容，但是资源更加丰富、功能更强，其特点是：采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3 V，减小控制器的功耗，40 MIPS（百万条指令每秒）的执行速度使得指令周期缩短到25 ns，从而提高控制器的实时控制能力，片内有32 kB的Flash程序存储器，达1.5 kB的数据/程序RAM，544 B双口RAM（DRAM）和2 kB的单口RAM（SARAM）。

为实现控制系统的操作方便，能够完成膨化温度系统各参数的设定，在控制基板中引入显示基板，通过显示基板中的按键操作可以快速而高效地实现系统数据的初始化操作、数据在线显示以及系统故障代码查询

控制系统中硬件电路设有A/D转换电路，通过DS18B20对温度进行采集，并通过A/D转换电路实现温度模拟量和数字量的转换并将其传送到DSP中进行处理。该数字量经过算法计算出膨化罐中实际温度，该温度再与目标温度进行比较，在根据二者差值大小利用模糊PID算法进行实际计算，最后在通过模拟量输出单元控制加热装置进行加热还是停止加热，进而实现膨化罐中温度的自动控制。

图3 系统硬件结构

4 仿真分析

为验证设计的基于嵌入式DSP果蔬膨化温度模糊PID控制方法的合理性，在MATLAB中利用SIMULINK软件进行建模仿真分析，并分别对传统PID和模糊PID两种控制方法分别进行在线仿真分析，仿真曲线如图4所示。

图4 仿真曲线

由图4仿真曲线可以看出，模糊PID控制方法比传统PID控制方法控制效果明显要好，模糊PID控制方法使得温度控制系统具有较高的动态特性，超调量明显比传统PID控制的超调量小，且算法输出的调节时间更短，具有较好稳态品质，在稳定后期振荡也较小，从而使得温度控制精度也会相应提高。

5 结语

以果蔬膨化温度控制为研究对象，为解决膨化温度控制过程中因非线性、时变性、大时滞性等问题，在传统PID控制算法中引入模糊控制理论，通过模糊控制理论实现传统PID控制方法参数的自动调节，从而使得膨化温度控制具有自适应性，并介绍以DSP作为控制器的控制系统硬件结构。仿真结果表明，基于模糊PID的膨化温度控制方法具有更好收敛性，能够快速实现膨化所需温度，动态性能好。该控制方法对于提升果蔬食品膨化温度具有重要作用，能够显著提高果蔬膨化质量。