低糖猕猴桃果脯质量控制的研究(可编辑)

低糖猕猴桃果脯质量控制的研究(可编辑) 低糖猕猴桃果脯质量控制的研究 陵压料技大学 论文题目: 低糖猕猴桃果脯质量控制研究 学科门类:工学 一级学科:控制科学与工程 培养单位:电气与信息工程学院 硕士生:折娇 导师:张开生教授 年月..........................一二 : ???????????????????????????????????? ?????????? 低糖猕猴桃果脯质量控制研究 摘要 随着人们树立健康意识的同时,饮食习惯趋向于低糖低脂化。而 传统猕 猴桃果脯含糖量高,营养成分损失。同时,果脯制作的自动控制水 平较低, 基本都处于手工加工,生产过程难以保证质量。鉴于如此现状, 迫切需要对 猕猴桃果脯制作过程进行控制,提高产品质量。目前,自动控制技术迅速发 展与完善,在工业控制领域中得到了广泛的应用。将自动控制技术应用于果 脯制作生产环节,实现自动控制,具有重要的现实意义。为此设计一种基于 猕猴桃果脯主要制作设备蒸汽加热罐的温度控制系统,严格控制果脯含糖 量,提高果脯成品质量。 温控系统设计以微处理器为核心,由数字式温度传感 器采集蒸汽加热罐温度数据,送入微处理器中进行处理,最终由 波形输出,经/和?转换后控制执行机构,进而控制蒸汽加热罐。 人机交互接口当然是必不可少的一部分,系统选用矩阵式键盘和液晶 显示模块组成。此外,为方便硬件仿真,在硬件设计中还增加接口电 路。利用软件设计系统硬件原理图和。软件设计采用专 用开发软件.为开发环境,以语言为开发工具,结合模块化程序设 计思想,设计系统所有功能模块程序,实现系统配置、数据采集及设定值输 入、模糊控制、状态显示等功能,完成系统软件设计。 控制以其控制结构简单、技术成熟等特点,在工业控制的诸多领域 得到广泛应用,并取得良好控制效果。然而蒸汽加热罐温度控制系统是典型 的非线性大时滞系统,同时很难找到精确的数学模型,为此,传统的控制技 术通常很难达到较理想的控制效果。模糊控制不需要对被控对象建立精确的 数学模型,具有较好的稳定性、可靠性和鲁棒性,这些优点可以解决系统控 制中的难题。此外,模糊控制算法易于整定控制参数、调节迅速。因 此,系统通过对模糊控制和控制算法的分析后,选用模糊控制算 法为控制策略,设计了两输入三输出的模糊控制器,并详细介绍控制 器的设计过程。 最后利用软件分别对常规控制算法和模糊控制算法进 行了仿真。仿真结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,模糊控制实现了对控制参数的在线自整定,提高了系统响应速度,超调量小,抗干扰性能好,增强了系统工作的 稳定性和可靠性,满足了蒸汽加热罐温度控制系统的要求。 关键词:质量控制,嵌入式系统,,模糊,温度控制二 .. , . , . . , . , ,, , . 、嗄,, / / . . ?. , , . .. 删,. , ,, , ,,.. ? , ,. ,. , , , . .? , , , , ., , : , , 目录 摘要?..:。 目乏?.. 者论.. .课题研究的目的和意义 .选题背景. .温度控制系统的现状及发展前景.嵌入式系统.论文的主要内容 及结构安排。 模糊控制. .引言 . 控制? .. 基本概念?. ..数字控制. .. 控制器的优缺点? .模糊控制??. ..概苤?。 ..组成及控制原理??。 .模糊控制器设计 ..模糊原理. ..确定模糊结构?. ..建立模糊控制规则?。 ..模糊推理及解模糊化。 .本章小结??. 系统的硬件电路设计。 .系统的总体设计??... .温度检测电路.. ..温度传感器的选型?。 ..数字温度传感器?. .主控芯片选型. ..电源电路??...复位电路??.. .键盘处理电路? .显示电路??。 .保护电路设计 ..存储电路??.. ..报警电路??.. .输出控制电路. . 接口设计. .硬件抗干扰设计??.. .本章小结系统软件设计 . 集成开发环境简介??. .系统软件总体设计? .温度采集程序。 .显示程序.键盘处理程序。 .模糊控制运算程序??. .软件抗干扰设计.本章小结系统仿真与分析. 仿真软件? .系统仿真过程. ..常规控制系统响应曲线。 ..模糊.控制系统响应曲线 .系统抗干扰能力分析。 .实验数据分析. .本章小结 总结与展望致谢.. 参考文献 附录:蒸汽加热罐温控系统硬件实物图 攻读学位期间的科研成果原创性声明及关于学位论文使用授权 的声明 ?低糖猕猴桃果脯质量控制研究 绪论 .课题研究的目的和意义 猕猴桃因其鲜美的果肉、独特的口感而吸引着广大消费者。而长久以来,人们更看 重的是它得天独厚的营养价值,在医疗和保健等方面猕猴桃也有很高的应用价值,它富 含钙、钾、镁等多种矿物质元素,是营养密度最高的水果,因此又称“长寿果、“奇异 果/。经过多年的发展,猕猴桃资源的加工已经形成了产品特色,加工产品也越来越 多,产业飞速发展,市场前景十分广阔。作为猕猴桃产业中规模最大的省份陕西省,在 全国起步最晚,但是发展速度最快,由此取得的经济效益也是十分可观的。 然而猕猴桃不能较好地储存,在炎热的季节里更是难以保存,而此时正是猕猴桃收 获的季节,每年都会有大量的猕猴桃由于保管不善而腐烂,给果农们造成了极大的经济 损失。这就要求将鲜果及时加工成半成品,如制作成果酒、果脯等产品后,可弥补鲜食 供应期短的不足,且具有较好地耐贮性【:。其中果脯较其它产品 易保藏,实用方便,加 工成本低。 猕猴桃成熟后口感酸甜,味道极好,由猕猴桃为原材料而生产的果脯,依然保留鲜 猕猴桃的色香味和营养成分。猕猴桃果脯保存的时间都比较长,而且便于携带,很受各 年龄段消费者的追捧。此类产品的固有特色就是,以求拥有较好的保存时限故采用高含 糖量%~%来达到目的.】,这就使得传统果脯的含糖量过高。可是,随着对健康饮 食方面的学习与研究,人们达成共识,趋向于低糖低热量低脂化的产品成为饮食习惯的 共同点。传统的猕猴桃果脯制作工艺存在着很大的缺陷,受技术的制约只能将猕猴桃通 过长时间的蒸煮,然后阴干存放,这样在多次蒸煮过程中就会造成猕猴桃果肉里的大量 营养成分被极度破坏,同时避免不了增加果脯的含糖量,由此制成的果脯也不能较好地 保留有猕猴桃原本味道.】,同时,在猕猴桃果脯制作的实际操作中,众多加工企业普遍 采用手工加工较为粗糙的工艺手法,原材料的选取把关不严,添加剂的添加比例没有统 一 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 等原因,从而直接大大地降低了果脯的质量,导致果脯的需求量大打折扣【.。因 此,研究一些有效控制低糖猕猴桃果脯重要生产环节,是果脯当前需要急切解决的问题, 那样既可以保证产品质量,还能节省成本,为企业的发展开辟新的途径,也为增加果脯 的市场竞争力而做出应有的贡献【】。 综上所述,为了制作含糖量较低的果脯,首先就要对制作果脯的原材料进行严格把 关,然后对后期的果脯成品进行精确地处理,保证果脯加工的质量,切实为果脯制作提 供重要的技术依据及安全可靠的工艺控制方法,提高果脯制作的技术含量。本研究采用 嵌入式计算机系统依据模糊控制方法对猕猴桃果脯生产工艺进行控制,能达到较好地节陕西科技大学硕士学位论文 能降耗,事半功倍的效果,对指导成本低、性能可靠、实现自动监测控制的低糖果脯自 动化加工工艺,具有重要的现实意义。同时我国也是猕猴桃资源丰富的国家,如果能够 有效地提高猕猴桃果脯的生产技术,那么这将是一件功不可没的事情,对于发展我国的 水果种植和特色农产业必将产生较大的带动和促进作用。随着健 康饮食和科学技术的深 入研究,猕猴桃的开发潜力会不断被挖掘,人们也会逐渐认识到其独特的营养价值,产 业更为广阔的前景会随之开拓。 .选题背景 目前,猕猴桃果脯的生产工艺流程为下图?所示,总结其工艺流程现状为: 图.猕猴桃果脯生产工艺流程图 护色处理,这主要是为了保持猕猴桃在制作果脯的过程中能够很好地保持其原来 的色泽和亮度,这种处理方法多为化学处理,例如我们平时常见的苹果、香蕉等水果的 护色处理,都使用了天然的护色剂。但是在猕猴桃果脯制作的工序中还很少见。 烫漂处理,即将猕猴桃果肉经过高温快速进行热烫处理,使其内部营养成分能够 有效地保留,然后在经过漂洗处理,这样能够很大程度地改良果脯的成色,较好地防止 果肉的营养成分在果脯生产制作过程中产生大量破坏的现象。这个处理技术的核心就是 在非常短的时间里通过严格地控制温度和添加剂来进行操作。从文献来看,为防止酶促 褐变而采用的微波灭酶技术已经开始研究,因为没有深入实践的原因,目前其可操作性 较差、灭酶程度也难掌控还需要进一步优化处理工艺参划】。这些方面与传统热烫处理 还存在差距。 硬化处理,为了便于果脯的储存和运输,在果脯的生产过程中必须要将其进行硬 化处理。最常用的硬化处理方式就是根据果脯的质量、成色等选取与其相对应的硬化添 加剂,然后配以浓度合适的硬化液即可。 渗糖处理,这个环节的作用就是将果脯的含糖量降低,以适应人们现在的低糖生 活理念,一般情况下,随着果脯含糖量的降低,质量会随之受到影响,而且会变得不易 保存,这就要求我们寻求其它的处理技巧,在兼顾果脯含糖量比例的同时保障产品存放 时间。在研究中考虑替代部分蔗糖,常用的替代物有淀粉糖浆.。 烘干工艺,在很大程度上影响果脯的外观和品质的主要原因取决于其干燥时段的 低糖猕猴桃果脯质量控制研究 时间和温度参数,故严格控制干燥温度和时间也是一个非常重要的关键点,有研究表明, 将果脯在?温度烘烤左后可达到相对较好的情况】。目前在工艺生产流程方面, 生产商家所采用的方法基本一致。对于实现低糖猕猴桃果脯的难点是使得工艺自动化, 严格控制果脯制作中温度和时间,有效降低果脯含糖量。 从目前对猕猴桃果脯生产工艺流程研究中得知,在整个果脯制作中,其质量的关键 控制点包括:选料,硬化护色,烫漂,真空浸糖和烘干,其中硬化护色必须随时检查各 种试剂的浓度;在烫漂处理过程中,蒸汽式的漂烫处理明显占优势,原料与蒸汽接触过 程中仅产生少量凝结水,损失较少的果品原有营养成分。烫漂的关键是在最短的时间内 达到钝化酶的要求,如果温度过高或者过低都会使酶的活性大大降低,甚至没有效果, 否则过度加热又容易煮烂果片,有蒸煮味,且含糖量提高,影响质量【】;在真空浸糖环 节里,需要严格控制很多因素,目前在工艺方面,多数研究考虑替代部分蔗糖,寻找合 适的产品添加剂,可这些都难以较好地保证产品质量和延长保质期,所以必须要严格控 制此环节的加热温度和时间,杜绝较长时间的煮制,从各个方面 来降低猕猴桃果脯的含 糖量。由此得知,在猕猴桃果脯加工中,严格控制其反应液的温度与加热时间是控制果 脯成品质量的关键,通过对低糖猕猴桃果脯的制作设备蒸汽加热罐的温度控制方法研究, 严格控制含糖量,方可有效控制猕猴桃果脯质量【,.】。文章就是以此为控制产品质量的依 据,将猕猴桃果脯含糖量降低,切实提高果脯质量。 .温度控制系统的现状及发展前景 在我们日常生产和生活中,温度是我们能够切实感觉到的,随着科学技术的不断发 展和人类各种需求的加大,人们对温度的控制研究也越来越重视,日常的生活离不开温 度控制产品,如空调、电冰箱、电热水器等。温度控制的重要性已经越来越受到人们的 广泛重视。于是便专门展开了对温度控制进行研究,从而成立了一套较为完善的温度控 制理论和体系。近几十年来,自动控制技术更多地运用于高新技术领域,具有更重要的 作用。 自动控制理论的发展阶段如下: 第一阶段始于上世纪四十年代,这个时期的特点是先设定定量, 然后仅仅依靠改 变一种变量来达到所需的要求,所以这个时期也被人称之为线性定常经典控制理论时期。 通常采用的分析方法有:传递函数、频率特性、根轨迹等.。主要通过反馈控制,构成 闭环控制系统,一般情况下,不超过两个变量。经典控制理论较好地解决单输入单输出 问题,以其经典的控制器及变形结构应用最为广泛,能够很出色地完成线性控制系 统中出现的一些问题。 第二阶段为上世纪六十年代至七十年代,这个时期统称为现代控制理论时期。现 陕西科技大学硕士学位论文 代控制理论以线性代数和微分方程为主要数学工具,以多变量为控制研究对象,形成了 以系统辨识、最优控制、自适应控制等为主要典型的理论基础【?】。研究方法主要采用状 态空间描述法,其建模方法不再局限于对象的物理特性,而是向~般化的参数估计与系 统辨识理论扩展。 现代控制理论与经典控制理论有着相似的数学模型,总结来看,首先都是通过控制 某个变量,然后通过改变其它变量来实现控制所需的目标,这种简洁直接的控制模式在 实际的生产生活中其实是非常理想化的。因为在实际的操作中,很多变量都认为极难掌 握和控制的,其变化是不明确的,不固定的,不具备典型的线性特征,所以这就对进一 步探寻更为精确地控制理论提出了艰巨的挑战。 第三阶段为上世纪七十年代末至今。鉴于经典控制理论和现代控制理论的缺点, 这个阶段的控制理论趋于人性化和智能化,它能够进行非线性的复杂的系统控制,着重 解决以实际情况中变量繁多且极具变化性的难题。随着科学技术的日益发展,控制系统 要求也越发苛刻,人们对系统的需求也显得越发的迫切,控制系统的智能化就这样被提 上了日程。近几十年来,研究控制领域的专家人员们开始探讨更智能的控制策略,将先 进的智能技术,与传统的控制理论相结合、发展,充分全面地利用人的经验知识去处理 应对复杂而且巨大的系统。 温度控制方式目前比较多,主要有以下几种,总结如下 控制器是依据控制原理制作的一种调节器,其构成的是闭环系统, 需要 不断地修改控制变量的误差,以实现连续的控制过程。其控制参数的得出是通过微积分 和控制比例的输入,经过连续的闭路循环计算得出。除控制以外,人们还研发出很 多更加智能化的控制方法,但是仍然被广泛地应用于诸多控制领域【’,归根结底,源 于其结构简单、方便实用、不需要精确的系统模型等其它控制器无法比拟的优势特点。 神经网络控制也是当前一种重要的人工智能技术,以其高度的非线映射,自组织 性,自学习和联想记忆等功能,使用大量简单的处理单元广泛连接形成复杂网络,拓扑 。人工神经网络根据事先定义好的学习规 结构算法各异,可对复杂的非线性系统建楔 则,优化各网络节点之间的权值,以使网络系统达到记忆、联想、归纳的目的。该算法 简单,当外界改变时,能及时反映,响应速度快,以达到较好地抗干扰能力?叼。 遗传算法是根据达尔文的进化论中的遗传原理来进行整体的择优计算方法,这个 算法的基本步骤为:首先通过传感器将温度进行测量、整合,然后 对得到的温度数据进 行转换,并将之作为一个定量输入计算机,再经过一定的数值设定之后得到相应的 数据,最后再将其进行输出。这种算法相比其它算法较为稳定,而且能够将数据进行精 密的计算,从而得到较高的精确度。 模糊控制不需要被控对象精确模型,仅根据操作人员的以往经验和直观判断来执 低糖猕猴桃果脯质量控制研究 行,比较容易应用?】。模糊控制理论是控制领域中有发展前途的一个分支,这是由于模 糊控制具有许多传统控制无法比拟的优点,不需要建立精确的数学模型,方法易于掌握, 使用较为方便,编制的程序短,所需存储器少,可靠性比较高。这些优势足以说明模糊 控制在控制系统中会有很高的应用价值。在年代期间,就有比较成功的典例在应用于 控制中。到了年代,模糊控制技术已得到认可与接受。然而,模糊控制的局限性主要体 现在:缺乏系统步骤,没有较完善的规则库,控制结构不明确。将线性控带与具有 智能性和非线性控制的模糊控制相结合,必会相互完善。由实践 证明可得,模糊自整定 它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性能,动态响应及时,上升时间快和超调量小的特点, 又具有控制器的动态跟踪品质和稳态精度。 目前市场上成型温度产品很多,广泛采用以单片机和为主芯片的测量仪器,这 些基本可以满足大多数工业控制等方面的实际应用。目前国内外都开始采用以 处理器为主的温度控制系统,这将是一个新的突破点,在此基础上,嵌入式系统能够很 好地建立、开发、运用,这对温度控制系统的研究提供了较好的先天条件。相比通常 的单片机,处理器以其位的高速控制系统,控制精度明显提高,除此之外, 处理器在外形上大大地缩小了占用空间,不仅能够进行繁多的高速度的数据计算,还能 保持数据输入输出的及时性,具有很高的时效性,而其非常友好、容易操作的交互界面 . 也是其被广泛应用的原因之一。 温度控制器的发展:传感器方向,将来的温度传感器必定会融合新的测量原理及 技术,会拥有更广的测量温度范围,更为精确的测量结果。温度控制算法方向,随着 自动控制理论的不断完善以及技术的不断提高,更多先进的智能算法会应运而生,传统 的控制理论也会因此而更为丰富。控制器自身发展方向,未来的控制器将会根据人们 的需求向前发展,不会是仅仅限于特定的模式和功能,同时,随着人们生产生活的高速 发展,必将会变得越来越人性化、越来越科技化、自动化。 .嵌入式系统 目前,嵌入式系统已经逐步推广到社会的各个行业中,在近些年的发展变迁中,人 们充分享受着嵌入式技术的应用所带来的现代生活所带来的改变,同时嵌入式系统的影 响还在继续扩大,被广泛应用到包括国防、运输、航天、医疗等诸多产业中,也正是由 于嵌入式系统的应用,使得这些产业发生了翻天覆地的变化。关于嵌入式系统确切的定 义有很多说法,其中被广泛认同的是:嵌入式系统本质上其实是一种计算机系统,它的 核心是应用,面向的是特定的任务,可以适应系统各方面的要求,能够可靠地完成系统 任务,且体积、功耗均能达标,成本在可控范围内,软件和硬件均可裁剪。 从总体来说,软件和硬件是嵌入式系统组成的两个要褰,嵌入式系统的最重要的 陕西科技大学硕士学位论文 部分是嵌入式处理器,它和外围设备构成了嵌入式系统的硬件部分;低层驱动、操作系 统和应用程序共同组成了嵌入式系统的软件部分,低层驱动实现了嵌入式系统硬件和软 件之间的接口;操作系统用于实现系统的进程的调度和任务的处理;应用程序实现了系 统功能的应用。一个好的嵌入式系统的设计,应该以系统的稳定运行为前提,在此基础 上尽量使软硬件的设计更加精简,减小系统占用的体积,在保证系统性能实现的基础上 提高设计的效率。 由此总结,嵌入式系统的特征为: 专用性强 系统内核小 高实时性 系统精简 需要专用的那些工具和一定的应用环境来支持嵌入式的开发 将这个嵌入式的软件开发更加专业化,标准化 .嵌入式是“专用计算机应用系统,具有一般计算机组成的共性。从硬件来讲,根据 其目前发展状况可以分为: 微控制器 微处理器 片上系统 处理器 从软件层面划分,通常将此部分主要可以分为两大类:分时系统和实时系统。嵌入 式操作系统的利用会大大减少系统开发的时间,同时工作量也会随之增加,显然提高了 工作的效率,同时也提高了其应用软件的可移植性【】。 .论文的主要内容及结构安捧 本文设计了一种基于嵌入式技术的控制系统,实现对蒸汽加热罐中各个参数进程的 控制,从而有效调控猕猴桃果脯的含糖量,提高猕猴桃果脯质量。主要完成以下工作: 调研现行状况,分析研究低糖猕猴桃果脯工艺结构,了解国内外在温度测控方面 的研究现状和发展。 控制系统硬件设计,以为核心的蒸汽加热罐温度控制系统。 控制系统软件设计。为硬件的各个模块编制驱动程序。 温度模糊控制器的设计,运用对其进行仿真,分析仿真结果。 控制系统整体调试。 本论文的结构安排如下: 低糖猕猴桃果脯质量控制研究 第一章绪论,主要介绍课题的目的、意义及背景,温度控制系统的现状和发展趋势, 安排本文的主要工作。 第二章控制系统算法的研究,着重介绍模糊控制算法原理及控制器设计。 第三章控制系统硬件设计,详细介绍温度控制系统各模块的组成,包括数据采集、 键盘输入、显示模块和输出控制模块。 第四章控制系统软件设计,基于.集成开发平台而进行的,采用模块化思想, 依据系统所要完成的任务,设计包括主模块、温度检测模块、模糊控制算法模块、键盘、 显示和报警模块。 第五章运用软件仿真,分析结果。 第六章结论及展望,介绍论文研究过程中得出的重要结论,指出不足和今后工作的 方向。 陕西科技大学硕士学位论文低糖猕猴桃果脯质景控制研究 模糊控制 .引言 低糖猕猴桃果脯的主要生产设备蒸汽加热罐,从之前的叙述中,可以得知,在控制 猕猴桃果脯质量中,主要为降低其果脯的含糖量,其关键点为严格控制重要环节的反应 液的温度和时间。经分析,得出其控制系统包括:数据采集部分、控制决策部分和控制 输出部分。这是一个较为复杂的系统,各个环节对于系统性能的影响都相当重要。经过 大量资料分析和实践总结中,可以得到温度加热装置即可相当于是一个自平衡能力的系 统,系统特性可以用表达式二阶系统纯滞后环节来概括,而且如果这个系统的振荡频率 较小,通过系统的反复验证和公式演算,它可以视作一个一阶惯性系统。 因此,在平时的研究和操作中通常将一阶惯性滞后函数.作为一个用来对温度 控制系统的运算模型。 等 .对象的静态增益; .对象的时间常数; . 。 .对象的滞后时间。 特性参数对被控对象的输出影响为: 表示静态增益,表示输入的变量对其输出的影响大小,它是不受被控量的改 变而改变。 是一个时间常数,越小,响应曲线的调节时间越小,表征系统惯性的一个重 要参数。 . 控制 .. 基本概念 在现在各种控制系统中,控制技术占了极高的份额,无论是在生产还是研发领 域,都有着很广泛的应用。究其原因是因为稳定性能好、可操控性强、便于在实际的操 作中进行各个数据的设定。因此,控制在很多控制系统中都会见到它的身影。一般 来说,控制的运作原理为:首先通过计算得到输出的数据与所需要进行控制目标设 定标准值之间的偏差,再依次通过控制回路中的比例单元、积分单元、微 分单元的各个运算环节之后实现对被监控对象进行控制拍。在实际系统进行运算 时,由于它的构造比其它的系统更为灵巧快捷,所以在具体的控制系统里它只需要对其 陕西科技大学硕士学位论文 中的一些线性组合进行监视、运算即可。 下图.为常规原理图。 图一常规原理图 线性组合上述偏差量的比例、积分和微分环节后, 得出控制规律可 以表示为: . 砸砟卜毒印丁 其中:?; .控制器的比例系数; 一.控制器的积分时间; 一控制器的微分时间。 控制器各个环节的作用如下所述: 比例环节调节 随时反映控制对象的偏差信号郇,引入比例环节进行调节,并且 精确、高速地将 其控制量进行调控。这个环节的目的是使之前输入与目标间的差值不断地减小,它的调 节幅度大小完全由这个差值的大小来决定。最终的处理结果具有很高的及时性,但是不 可避免的还是会存在一定的误差。 在调节的过程中,的值与控制结果的误差是成反比例的,也即越大,那么最 后的控制结果误差就会越小。但是,的值不能无限地增大下去,这样会导致整个控制 系统发生振荡,从而使得系统整个工作性能降低,稳定性变差。由此而知,比例系数 恰到好处的选择对于一个控制系统来说是非常重要的,那样才能取得过渡时间短,稳态 温差小而又稳定的效果。 积分环节调节 比例环节目的是尽量地减少偏差,而在积分环节则是为了进一步减少静态误差。它 的调节作用是由时间常数来实现的,作用大小与成反比例,时间常数变大,积分环 节的调节能力就越小。由于积分的滞后特点,所以在实际的操控中时间常数的选取设定 也是至为重要的,如果时间常数太小那么必然会引起整个控制系统的振荡,从而使其稳 低糖猕猴桃果脯质量控制研究 ’ 定性大大降低。 微分环节调节 介于上面的比例环节和积分环节中,随着比例系数和积分时间常数的不断增大、减 小系统就会出现振荡,变得较为不稳定这一现象,为此引入了微分调节环节。通过调节 作用后,系统就会变得更加稳定、动态响应更加快速。它的作用效果与偏差的大小成比 例。通过微分环节,可以预测出控制系统的变化趋势,从而得出系统各个变量间的差值 的变化方向,便于及时对其参数进行设定。但是也存在一定的局限性,当调节作用下系 统的稳定性提高时,它本身也会变得经不起干扰。尤其是随着微分常数的增大,调 节力度加强,同时也会引起振荡。 ..数字控制 微处理器在进行数据的运算时必须要求是数字量。而在数字控制系统中,刚开始采 集到的数据是连续时间信号,那么这就要求对采集到的连续时间信号进行采样、量化处 理,从而得到数字量。而这些数据的处理是在微处理器里进行的,不论是积分运算,还 是微分运算,只能用数值计算去逼近。以下便是两种典型数字控制算法运算方式:。 增量式控制算法 增量式控制算法简单来说是运用两个数据的差值,来进行算法设计。在控制器 进行两次数据运算之后会得到两个结果,增量式控制算法的差值恰为这两个结果的 相减数值,由于不确定二者的大小关系,在进行相减运算的时候有可能会出现负值,这 反倒对于需要增量情况的控制来说是非常合适。这时候,根据增量式控制算法就会 很好地解决这个问题。在增量式算法中,当采样的周期很小的时候,对于的积 分就能够用和来代替,这样就有了以下的算法公式: ? ??口?/ 一一 .】一???????????。。。。。?一 曲 一 式中,一采样周期。 将式.、代入式,将描述连续时间算法的微分方程变为描述 离散时间算法的差分方程,算法为: 协, 啾?扣吾扣和妒州, 或 材七.?/ 式中,为采样序号,繁兰,,,?;:第次采样的计算机输出值;:第陕西科技大学硕士学位论文 次采样时刻输入的偏差值;【一第次采样时刻输入的偏差值;为积分系数, /啊;‰为微分系数,喝厂。 由.式可得: ”七 』七一?】七一【七一一七】口七缸七一】 在式.中,代表增量式控制算法,输出增量是通 过第次采样经过一系列的分析计算得到的控制量。在此,就能得出的运算结果 不仅与三个环节中的比例系数、积分系数、微分系数有关而且还与比例系数环节中 测量得到的偏差值有关系。这时,只需要将控制系统中的采样频 率固定,那么一旦确定 了、、‰,使用前三次的测量值偏差,即可得出控制量的增量。 位置式控制算法 这是以一系列的采样时刻点代表连续时间,综合公式.和,可得离散 式表达式为: “七‘七??『睾七一七一 工 . :七圭/声心型羊业 在上面各式中, 毛:竽,毛下 、分别为第.和第时刻计算机处理得到的差值,为采样周期, 为采样序号,,??。从这个公式中可以知道,位置算法与控制器的过去紧 密相关的,它的输出是通过对变量进行不断地叠加,每次的输出结果都需要通过 前一次的输出结果来算出。 通过之前分析增量式和位置式的运算式,两者相比而言,增量型不需要累 加,误差小,精度高,而且输出为控制量的增量,容易实现手动到自动的切换。因此在 微处理器中,常采用的就是增量式控制算法。 .. 控制器的优缺点 控制器的优点:控制器可以通过设定参数来得出输出值,其参数的设定 与调整都极其容易,而且在操作过程中要求很低,在大多数的控制系统中它都能进行很 好地运算。在控制系统中,它的使用已经很普遍。控制器适合于很多差异性很大的对 象,结构灵活、、,适应性强。控制的局限性表现在冽: 低糖猕猴桃果脯质萤控制研究 控制只能确定闭环系统的少数主要的零极点。 算法简单也决定了控制比较适合单输入输出系统,在大滞后等系统中,必 须多个控制器组合方可取得较好的效果。 出于上述原因,可分析得出,在满足跟踪调整输入值的同时,常规控制器 将无法较好地完成抗干扰性能的抑制。 .模糊控制 ..概述 在日常的生产生活中,在一些较为简单和线性定常系统的控制问题中,控制系 统都能够很容易的解决问题。在控制系统的设计中,不论是否运用经典的控制理论还是 现代的智能控制技术,首先都要将所想要达到的目标转化为一个很好地以便于展开研究 的数学模型。然后在此基础之上,通过确定输入变量,设定参数,去寻找生产过程控制 规律,根据其方可设计出较好的控制系统。然而,在实际的操作中,被控对象模型是很 难建立。那么这时候采用模糊控制就能够很好地解决上述的难题,是绕开建立准确的数 学模型的方法之一。 模糊数学于年作为一门新的数学学科诞生, ..发表《模糊集合论》 一文后,还写下许多有关模糊专家系统等论文,给模糊控制理论的研究打下了良好的基 础。随后,模糊理论和应用研究越来越地被人们所关注,年,第一家关于模糊控制 技术的公司在美国成立,它的模糊控制主要是基于语言进行的开发与研究。 最初,模糊控制大多是用于机器人控制、人体技能检测、工程中和航空等领域。 年,欧洲率先将模糊控制理论用于锅炉加热和蒸汽机的控制中, 由此便展开了模糊控制 系统的研究,并在随后的发展中开始应用于交通信号控制和无人驾驶等各个方面。日本 是将模糊理论和技术应用较深入研究的国家,模糊软件和实用化产品得到迅速发展,硕 果累累。比如应用于地下铁路运输系统、自来水净化、钢铁流程和医学等众多方向都出 现模糊控制的身影,作为热门技术,不断地推向新的高峰期。而在我国模糊控制起步较 晚,但其发展速度是极其可观的,如今,我国的模糊控制已经在诸如天气测量、农牧业 生产、交通建设等领域有了可喜的成就。 究其缘由,模糊控制最初出现是因为人们长期生产生活中的经验结晶。它是人们进 行模糊选择时的一种启发产物。由此可知,模糊控制是建立在人类思维模糊性基础上的 ~种控制方式,它是以模糊集合理论、模糊语言规则与模糊逻辑推理为基础的一种计算 机数字控制方法,它不需要精确的公式来表示传递函数或状态方程,而是利用具有模糊 性语言的控制规则来描述控制过程。在模糊控制中,其中许多的规则是通过专家们在实 际的操作中积累的经验,模糊控制的基本思想为:通过编程来实现计算机对人们的经验陕西科技大学硕士学位论文 等进行模仿的过程,从而使之达到所预期的效果【】。模糊控制属于智能控制范畴,是一 种典型的非线性控制。 ..组成及控制原理 图为模糊控制结构框图,从中可以看到模糊控制器为模糊控制的中央部分。根 据编程来实现的模糊控制器运行流程为:首先,微处理器经过模数转换,将数据转为数 字输入量,然后经过采样器得到采样后的控制量,这个控制量视之为精确值,最后将预 先设定好的数值与之进行比较从而得到一个用来输入到模糊控制器的输入变量误差信 号。误差信号经过模糊处理之后就会得到一个模糊量。此时如果将定义为误差信号模 糊集合的一个子集,模糊输出控制量定义为,模糊控制规则为,则根据推理得出: : . ?。??’’。????????????。? 筷期控翻嚣 图.模糊控制结构框图 缸 模糊控制理论的产生是在控制理论不断地发展向较高层次的结果,它的出现综合了 各个科学领域的理论经验,是一个有着很强科学理论性的技术。~般模糊控制系统的基 本构造可以用图.来说明,从图中看出,模糊控制也有着与计算机控制相似的构造【冽。 它主要由以下四个部分组成: 模糊控制器 作为模糊控制的核心,它可以进行输入数据的模糊化处理,经模糊规则运算、模糊 推理决策及非模糊化处理。 输入输出接口 模糊控制的输入输出接口包括模数转换电路和数模转换电路。模数转换的作用是将 通过传感器采集到的信号进行数字化转换,相反地,数模转换用以将模糊控制器输出的 数字化数据转换为模拟信号,只有这样才能控制执行器正常运行。 广义对象 主要指所需要控制的对象和执行机构,常用的执行机构有电磁阀、气动调节阀等。 测量装置 这就是数据采集模块,即传感器模块,在这里,检测被控对象的参数经过传感器转 换,由非电量转换为电量信号,并将其作为输入信号。 低糖猕猴桃果脯质鬣控制研究 由上分析,模糊控制器的设计过程需要以下四个步骤来实现: 首先,通过传感器采集得到被控变量,然后将其进行信息的各种转换处理之后, 将之与事先设定好的量进行比较,从而获得温度偏差信号值; 通过模糊控制器将中的偏差信号值进行模糊化处理; 通过模糊规则及推理运算,从而得出控制量; 将控制量经过精确化处理,得到精确输出量。 通过上面的分析可以得出模糊控制器与常规的差异所在,即模糊控制器不需要 建立被控对象精确的数学模型,它对模型的建立没有常规那么苛刻,所以它能够很 好地处理控制过程中出现的一些非线性和时变性问题。但是,它也并不完美,仍存在一 些局限: ?精度不太高,由偏差、偏差变化率及控制量论域的量化等级所导致,虽然可以通 过不断增加所有论域的量化等级细分来解决,但这样势必会导致控制器运行量过大而出 现运行速度慢、时间长等一系列问题。 ?在模糊控制中,量化因子和比例因子的各个参数选择也是相当不易的,主要由于 其有限的选择,一旦参数设定出现了偏差,那么整个控制系统也就很难保证准确性和稳 定性。 ?容易产生振荡,如查询表结构不合理,或者是因子选择不当,都会引起系统振荡。 为了解决上述的问题,根据人们的研究总结,提出了模糊.控制算法。顾名思义, 这种算法是综合了模糊控制与控制的优点设计出来的。考虑到模糊控制器通常以误 差和误差变化为输入变量,类似常规控制器的作用,由线性控制理论可知,积分作 用可以消除稳态误差,它充分继承了二者的优点。在现有的控制系统设计中,模糊. 控制结构有切换方式,即分别运用模糊控制与控制来实现不同的模块控制,当一个 模块需要模糊控制时只需要进行切换即可。另外一种常用方法是在控制中引入模糊 控制技术,实现各个参数的修正与运算。在上述的方法中,采用模糊控制和控制切 换时,切换条件很难确定。而采用参数自校正模糊控制结构时,系统需要根据不同 的运行状况去自适应地调整的控制参数即可。 .模糊控制器设计 ..模糊原理 在控制系统中,只要设定了它的比例参数、积分参数鼬、微分参数就能 控制被控对象。事实上,常规在运行过程中是不具备参数在线调整设定功能,这样 就大大地影响控制效果。而模糊的出现非常好地解决了这个问题,它能够随时 根据输入偏差和偏差变化率,应用模糊理论来矫正上述三个参数值,这样就使得控制对 陕西科技大学硕士学位论文 象具有良好的动、静态性能,加之它的构造也容易实现。综合考虑后,在系统的设计中, 将模糊算法应用于低糖猕猴桃果脯制作流程中来控制蒸汽加热罐的温度,控制器结 构图如图.所示。 由于温度的滞后性较强,而且惯性也大,这样就对其数学模型的建立提出挑战,再 加上在低糖猕猴桃果脯加工中,不同处理液体、不同温度及不同 处理时间下,加工出来 的产品质量是不同的,再者生产工艺环境中周围的干扰较大,为稳定控制生产流程,故 采用模糊自整定方法进行控制系统控制器的设计。 图模糊控制器的结构? ..确定模糊结构 在模糊控制器的设计中,需要综合考虑选择适合的输入、输出语言变量以及隶属度 函数,这些对于模糊控制器的性能有很大影响。通常,根据输入变量个数,一般将模糊 控制器分为一维、二维和三维形式。根据模糊控制器的构造分析,随着模糊控制器的维 数的增大,系统的控制精度会变的越高。但是,随着维数增加的同时,基于模糊合成推 理的控制算法的运算量就会变得更庞大,在计算的过程中也增加了负担。目前,通常采 用的是二维模糊控制器,由于严格地反映受控过程的输入变量动态特性,因此控制效果 要比一维形式的好。在本系统设计中,将蒸汽加热罐温度偏差与其偏差变化率?作 为模糊控制器的输入变化量,的三个参数修正值?、?、?‰则为其控制器的 输出变量。语言变量、基本论域、模糊子集、模糊论语和量化因子见表所示。 表.输入输出关系变量表低糖猕猴桃果脯质量控制研究 确定好模糊控制器的输入输出关系变量表后,建立隶属度函数,模糊集合用隶属度 函数来描述,本文选用三角形曲线,主要由于其所决定的形状简单,计算量小。同时, 模糊控制效果的好坏与隶属度函数的形状没有太大的关系,故被广泛使用。.三角形隶属 函数描述如下式所示,参数和确定三角形的“脚,而参数确定三角形“峰。 一 二一 一 ? 口一口一 二一图和是运用编辑器建立的蒸汽加热罐的型模糊控制器,其输 入输出隶属度函数曲线,是在环境下,根据输入输出关系变量而建立的三角形曲 线图。 ?‘??? 圆斓 舀卤 圆 图输入隶属度函数曲线 图.输出隶属度函数曲线陕西科技大学硕士学位论文 ..建立模糊控制规则 确定模糊结构后,需要设计控制规则,也就是模糊控制算法,这个过程实际上 就是将操作者在控制过程中的实践经验加以总结,归纳成一句句由模糊语言所组成的集 合。模糊控制规则一般都用条件语句来加以描述,在本课题中,若蒸汽加热罐的温度高 于设定值时,则加大减温水量。差值越大,减温水量增加得越多。若蒸汽加热罐低于设 定值,则减少减温水量,差值越大,减温水量减少得越多。若蒸汽加热罐温度高于设定 值并且有升高的趋势,则稍微多加一些减温水;若升高的趋势较慢甚至呈下降趋势,则 少加一些减温水。 在不同的和下,比例、微分、积分三个参数会有不同的整定情况,以下便是针 对不同的和变化时对控制器的参数进行调整的要求。 如果蒸汽加热罐中的温度与设定的数值之间偏差较大时,增大逐渐减少二者 间的差值,尽快消除偏差,同时可以适当的减小瞄,以避免偏差过 大而引发的微分过饱 和。此时,通常取,防止系统响应出现较大的超调。 当和都处于可以微调状态时,还是需要尽量去减少系统的超调,此时,需 要将、和硒都取小一些的量,‰的取值大小适中就好,此值对系统的影响比较大。 如果变小,这时候为了提高系统的稳定性需要将和的取值增大,而硒 的值也要进行适当的增加。如果出现?偏大的情况,这时候就要将‰慢慢地减小,以 保持系统的稳定性。 根据上述在不同偏差及偏差变化下对参数的要求,并且对操作人员的实际操作 进行详细分析可以设计模糊控制器的规则。从包含的条规则中分析得到的系统规则表 和曲面图如下图.所示。 ;黪主鳓。三鳓 图 。确.规则曲面图 :规则曲面图:规则曲面图:规则曲面图 戗、、 石戗七 : : : ? 低糖猕猴桃果脯质量控制研究 ..模糊推理及解模糊化 。模糊推理是根据模糊逻辑来进行的,它的方法有很多。在将模糊变量向精确过程变 换的时候,需要涉及到变量的清晰化,即非模糊化,它可以看作模糊空间到清晰空间的 一种映射【】。目前常用的去模糊方法有:最大隶属度法、重心法等。 最大隶属度法 选取其中隶属度最大的元素,并将其作为控制量输出,所选择的元素’应满足: 比“‘之比” 其中’为模糊子集中隶属度最大的元素。在所求得范围内,若多个元素一起存在最 , 大隶属度值,则取平均值作为精确控制量。 重心法 重心法是因为此计算方法类似于重心的计算,故称之为重心法。是计算输出量模糊 集中各元素与其隶属度的乘积后相加,然后计算此值对于隶属度 和的平均值。也是一种 常用的清晰化方法。对于有个输出量化级数的离散域情况有: ?%‖% ? 掣一 ?珥 式中,%.精确化输出量;.输出变量,珥.模糊集隶属度函数。 重心法具有更平滑的输出推理控制,相比最大隶属度法,它比较全面地反映了各个 控制信息,缺点是运算量较大【,,。在实际的控制过程中,输出论域的元素不多的情况下, 重心法可以很好地进行反模糊化。本系统中选用推理法,即..重心 法。假设模糊控制的前提为“ ”,由此可得到推 ,且模糊控制规则为“ 理结果为:~‰而‰眦% 根据式.的综合推理结果可得最终推理结论如下所示: . %? 式中八表示,取最小,表示,取最大。 建立好上述模糊推理后,模糊控制表中的每一个模糊条件语句都可以给出相应的模 糊推理结论,最后根据模糊推理结论计算输出量。则可以计算出, 在不同的偏差和偏差 变化率时,三个参数所调节的输出值。由此可以计算出?、和?‰ 的模糊控 制器的查询表,下表.,.,分别是、和?的模糊控制表。 陕西科技大学硕士学位论文 表?模糊控制表 哟 石 . 乏 也之以之之乏弓弓 ,乏 乏乏乏乏,,、 之 巧 石巧击 石 表?模糊控制表石 乏 乏之 石石 之 之之之 乏 石石石乏乏之之 乏 低糖猕猴桃果脯质量控制研究 表.??模糊控制表 击 击 弓 石 ;弓 石石乏 乏 也之乏之之之乏 乏 乏 乏 弓乏之之 之乞之之乏 , 之以乏之乏以 ‘ ? 乏? .本章小结 本章从控制对象引出的对其控制方法的研究,先描述了控制器的基本概念,各 环节的作用,由此引出控制器要通过计算机实现的数字控制算法,并分析了控 制器的优缺点。接下来介绍了模糊控制,阐述其基本原理,概括了模糊控制算法的实现 步骤,分析了优势与缺陷,综合分析后,提出了模糊.控制,详细介绍本系统中控制 器的设计流程,得出模糊控制表,以便查询。 陕西科技大学硕士学位论文 系统的硬件电路设计 .系统的总体设计 系统硬件设计能满足蒸汽加热罐控制系统所要求的功能: 实时监控猕猴桃果脯制作中各环节的参数。 人机交互。 须有可供数据传送的接口和便于其它扩展应用所需的空间。 图.为温度控制系统的总体设计图。从设计图中可以看到系统是以微控制 器为中央处理器,通过温度采集、/转化、报警、存储、电源、复 位、键盘、显示等 模块来进行数据输入、处理、输出的智能化控制。 系统启动时,温度采集模块的传感器会将蒸汽加热罐的内部温度及时检测出来,并 且将此数据通过显示模块显示出来,从而实现温度的实时监控。另外通过键盘输入 所需要达到的适宜温度的数值即理想温度,这样将由温度采集模块得到的数值与之进 行比较之后就会得出实际温度与理想温度间的差值,这个差值经过模糊自整定控制 算法计算,最后通过/转化模块进行数据转换,转换后的输出信号对蒸汽罐中的温度 实施控制,这样就能根据参考值进行加热罐的升降温。也可以通过手操器的手动、自动 切换手动调节气动薄膜阀,进而达到对蒸汽加热罐温度的控制。报警模块的作用是将实 际温度与我们设定好的理想温度进行比较,如果实际温度值超过了预先设定好的理想温 度值就会发出报警,这样就能实现加热罐温度的实时监视。同时,检测到的温度数据在 储存模块进行保存,便于在以后的研究中应用和分析。 图系统总体设计图 低糖猕猴桃果脯质量控制研究 .温度检测电路 ..温度传感器的选型 在工业控制系统中,采集温度数据的传感器是一个非常重要的器件,系统精确性衡 量的重要指标就体现在对温度传感器的选取。因此在传感器的选取上也要做到兼顾系统 的运行和整体各个模块的协调。因制作时所采用材料的不同,温度传感器分为半导体温 度传感器、热敏电阻传感器、热电阻、热电偶传感器等不同的类型。其中,热电偶传感 器和热电阻传感器的测温范围都很广,可以工作在高温场合下,但是体积比较大,成本 高很多。热敏电阻传感器是运用了电阻的特性,但它的非线性缺陷要求在运用之前要对 其进行线性处理。相比之下,半导体传感器融合了半导体特有的优点,它能够快速、准 确地采集数据,而且它的集成度高、体积小,所以一直被广泛使用。 根据输出信号方式的不同,一般将温度传感器分为模拟温度传感器、数字温度传感 器和一般在数字电路中才使用的逻辑温度传感器。从模拟温度传 感器中输出的为模拟 数据,首先要进行模数转换才能输入到温控处理器中处理。从输出方式来分类,数字式 温度传感器有单线和多线输出等形式,多线式输出的传感器功能更强,使用更广。随着 通信技术的提高,出现单总线制,将地址线、数据线、控制线三线合为一根信号线,允 许在这根信号线上挂接数百个测控对象。每个芯片都烧写了固定的编码,可以被唯一地 区分识别出来,提高了系统的抗干扰和可靠性。 通过以上各种不同性能的温度传感器综合分析比较,在本系统中选用了单总线数字 温度传感器。这种传感器不仅灵活、而且稳定,最主要的是它能够有效防止 干扰,使用方便简单操作,在多种温控系统中得到了较为广泛的应用,相比其它温度传 感器,它的性能和在开发过程中的简易、智能化及其便于入手是选择它的主要原因。 ..数字温度传感器 是基于进行改进的一种智能化温度传感器,它是由美国半导体公 司开发研制出来的。它的最大特点是将/转换器、储存器以及半导体温敏 器件经过充分的整合,整体集成在电路芯片中,这样在传感器的 输出终端我们就能得到