CN105242535A - 微波干燥食品自适应控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一套食品加工微波干燥过程的自适应控制系统，系统根据自动记录干燥过程中的加热功率和加热时间、食材的重量、干燥的温度、干燥之前与之后食材的湿度、干燥时间等数据，并进行自动计算处理，然后，自动控制微波干燥的加热时间与加热功率，达到优化干燥过程、控制产品质量的目的。该系统包括微波干燥食品、数据采集通道、神经网络辨识模块、自适应功率控制模块。采用微波干燥自适应控制方法，可自动控制加热功率及调节微波干燥的时间，实现对干燥室内的温度，以及食品的含水量实现精确的控制。既可根据环境条件改变而改变控制器的参数，又可进行鲁棒控制抵抗外部干扰，通过调节功率，减小温度变化的速率。

Description

微波干燥食品自适应控制系统

技术领域

本发明涉及一种微波干燥食品的自适应控制系统，属于轻工业控制领域。

背景技术

传统热空气干燥通常涉及化学预处理和干燥温度保持,热空气干燥由于干燥时间长和表面过热,出现颜色暗淡,味道损失和复水能力下降的问题。冷冻干燥生产的产品质量高,但是成本高,干燥生产能力有限。真空干燥是另一个可行的方法,尤其适合食品容易热损害，如水果和蔬菜。然而,在真空过程需要加热,因为低压状态,使得热能的转移到工作负载变得很困难。大多数传统真空烘干机依靠传导传热的热板,缓慢且难以控制,需要一个大的表面积,因此,传统的真空干燥具有较高的操作和安装成本。为了防止大量的质量损失,实现快速、有效的脱水,从而促进了微波加热食品干燥的使用。

微波干燥迅速,比传统热空气干燥具有均匀和能效高特点,近年来，新型的微波干燥热处理技术快速发展，包括热风干燥、真空干燥、冷冻干燥等，它具有较高的干燥率、较低的能耗以及干燥食品较好的质量等特点。微波真空干燥作为一个潜在的方法来获得高质量的干燥的食品,包括水果,蔬菜和谷物。微波真空干燥结合微波加热和真空干燥的优点,真空赋予的低温、快速传质结合微波加热，快速能量转移的产生非常迅速,因此它有可能提高能源效率和产品质量。微波真空干燥技术已经成功应用于一些水果和谷物的干燥。

食品物料的干燥取决于被干燥物料中热量和质量的传递特性，因此对食品物料干燥过程中水分和温度的了解对于干燥过程的设计以及产品的质量控制是十分重要的。而干燥生产过程中在线检测水分含量及物料内部温度比较困难，为了达到辅助干燥器的设计、优化干燥过程、控制产品质量的目的，通常需要建立干燥过程的数学模型，并借助模型对干燥过程进行分析、预测、判断。由于实际的微波干燥过程系统各种不确定性因素的影响，使得设计者难以获得干燥系统对象在较大工作范围内的精确模型描述；许多过程特性参数难以测量，具有多种操作约束条件，存在较多干扰，过程不可逆转和难以采取补救措施等特点，使微波干燥过程的控制存在很大的难度，因此在微波干燥过程中研究和推广应用各种有效的先进检测控制策略十分必要和迫切。

在这个过程，电磁场的强度、食品的体积、质量、湿度、成分和性能都是决定干燥过程的重要因素。微波干燥可引起离子颗粒和水分子运动，从而提高食品温度，引起水分蒸发从而干燥食品，可改善食品质量。运用这类技术，微波功率和干燥温度是影响食品干燥最终质量的重要因素。为了优化微波干燥，研究各种微波功率配置，包括间歇法和连续法。在普通的微波炉干燥时，不仅输出功率只有有限个档位可以选择，而且加热时间也需要手动来调节，如果需要干燥大量的食材时很不方便，特别是在工业生产中。因此需要设计出一个程序控制的微波干燥自适应控制系统，来自动控制加热功率及调节微波干燥的时间。实现对干燥室内的温度，以及物料的含水量实现精确的控制。

发明内容

针对现有技术中检测食品加工过程系统及其控制方法中存在的上述问题，本发明提供一种微波干燥食品过程自适应控制系统及其控制方法。

本发明的技术方案是：

微波干燥食品过程自适应控制系统，包括数据采集通道、微波干燥对象、神经网络辨识模块、自适应功率控制模块和模型库。所述微波干燥对象的输出端通过数据采集通道与神经网络辨识模块的输入端连接，神经网络辨识模块的输出端分别与自适应控制模块的输入端连接，自适应控制模块的输出端通过数据采集通道与微波干燥对象的输入端连接。温度反馈和微波功率相位控制可获得有效的干燥过程控制，通过在线检测由食品挥发出来的成分，由挥发物信号和自适应控制器来确定干燥温度,可获得较精确的有效的微波干燥过程控制。对被干燥对象的温度进行测量，实时控制微波能量。当温度低于设定值时，接通电源，通过加热使被测对象升温，当温度高于设定值时，关闭电源，使被测对象降温。对于温度接近设定值时，通过调节功率，减小温度变化的速率。

本发明的有益效果是：

本发明充分利用先进的控制理论、神经网络智能算法等，对食品加工微波干燥过程实现检测、控制、建模、管理和决策，设计一种针对微波干燥过程的关键工艺参数的建模与控制，针对干燥系统特有的控制方法，即智能自适应控制设计方案，采用此自适应控制方法，可根据环境条件改变而相应地改变功率控制器的参数，以适应其特性的变化及抵抗外部干扰，保证整个系统的稳定运行及性能指标达到要求，与传统的空气干燥相比,微波真空干燥可避免食品干燥过程中变焦,且具有良好的含水特性。从而减少能耗，降低成本，提高经济效益等目的的综合性技术。

附图说明

图1是本发明微波干燥系统结构框图。

图2是本发明微波干燥系统控制框图。

图3是本发明设计的系统功率控制电路。

具体实施方式

本发明针对食品加工微波干燥过程，易受干扰，控制精度要求高，需要在深入研究微波干燥过程中温度对食品挥发物成分的影响特性、工艺特点的基础上，广泛收集历史数据、专家经验和操作规程，确定总体控制目标及主要的控制变量。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明所述的整个微波干燥系统框图，包括如下模块：

(1)气味检测模块

如图1所示，气味检测模块包括用于气味检测的电子传感分析仪，更换样品的气味和清洗气味的控制阀，提供气体的空压机和去除水汽的冷凝管。为保证检测挥发物的精度，一方面微波干燥后的挥发物需经过冷凝管进入气味分析仪，另一方面每个检测周期需要清洗气味分析仪，因而每4分钟的一个检测周期，交替控制两个阀门分别每2分钟自动检测一次挥发物和通入干净空气清洗分析仪。

(2)微波干燥模块

如图1所示，包括干燥食品的微波炉、存放物料样品的容器和电子秤。光纤传感器插入样品中央进行温度检测，整个带样品的容器重量由电子秤在线测量，微波炉的电磁功率由Labview程序进行相位控制。系统控制设计框图如图2，通过开发LabView程序来完成干燥系统的所有的检测和控制。

(3)功率控制电路模块

功率控制电路如图3所示，它包括过零点电路、光电耦合器、三极管放大电路、LM555占空比调节电路、双向可控硅和光电耦合器H11L1。挥发物的成分跟干燥温度密切相关，因而控制干燥温度最直接的方法就是控制微波炉的电磁功率。功率控制器设计目标，用较小的电压来控制较大的交流电压。为了实现以较小电压控制较大的电压，通过比较相位控制、脉宽控制和可调电阻控制的优缺点，最终采用占空比相位控制这种方法来实现。其特征是：过零点检测电路经过分压电阻分压之后，电压变小，主要作用是可控硅触发、继电器保护及计时；光电耦合器实现电—光—电的转换，即起输入、输出电绝缘和抗干扰；LM555占空比调节电路使用较小的脉冲电流来控制较大电流，实现对占空比的调整，分为自动和手动两种模式，当接通时是与非门的输出信号控制LM555，为自动模式，当断开时，将0～5V电压接入电路，手动调节LM555的输入，为手动模式；当MOC3023的输出信号输入连接双向可控硅的G端，实现通过小电流控制可控硅的输出大电压。

(4)数据采集模块

干燥不仅需要知道加热功率和加热时间，还需要知道食材的重量、干燥的温度、干燥之前与之后食材的湿度、干燥时间等数据，数据采集模块包括数据采集卡和数据处理，用于控制微波干燥过程中的功率和温度，16位分辨率的数据采集卡，其中模拟输入信号为光纤温度传感器，模拟输出信号为调节交流功率，2路数字输出信号为控制双位气动阀、控制开/关交流功率信号，所有控制通过LabView程序完成。

(5)温度测量模块

由于红外测温的数据只是测得物体表面温度，而热电偶在微波环境中测温极易打火花，所以选用相对更加精确和安全的光纤测温。如图2所示，光纤测得的温度，通过光电转换器转换成0-5v电压，通过数据采集卡传输到PC中处理。PC程序中预设的温度值，在功率控制器工作后，光纤检测的干燥室内的温度如果达到设定的值后，通过程序控制会立即使功率控制器停止工作，让温度慢慢下降到设定的温度；在温度降到设定值以下的瞬间，程序会重新启动功率控制器，让温度上升，使温度控制在设定值的左右。

(6)重量检测模块

干燥物体的重量检测，选用可以实时传输数据到PC中的电子称，利用RS232协议的串口，使得它可以将重量变化的情况，在设定的时间间隔内传输到PC程序中，如图2所示的重量检测部分，方便操作者了解干燥情况。

(7)数据分析模块

每次的干燥过程中都会产生上千的数据，这些数据表面看似没有什么作用，可是在干燥结果不是令人满意的情况下，可以通过调取这些数据，分析出干燥情况，因此，如图2所示，我们在系统里设计出一套labview实现的数据存储分析程序。

(8)控制算法

考虑食材加工微波干燥生产环节的特点，考虑控制整个加工过程中温度、功率、挥发物成分、空气流量等多变量参数的调节，同时考虑干燥过程的系统不确定性不能参数化时，过程模型不可知，传统的控制在运行初期具有良好的控制效果，但随时间的推移，操作条件、生产环境等因素发生改变，控制器性能下降，无法达到预期效益。本发明针对食品加工微波干燥生产过程模型未知及外部干扰的情况，运用神经网络预测模型，提高系统性能，弥补现有的食品加工过程控制器随生产条件改变(即模型参数未知的情况)而影响控制系统性能下降，及存在外部干扰，影响系统稳定运行，从而无法达到预期效益的缺陷。

上述微波干燥智能自适应控制系统的预测控制方法，具体包括以下步骤：

(a)数据采集通道实时采集微波干燥的加热功率和加热时间、食材的重量、干燥的温度、干燥之前与之后食材的湿度、干燥时间等参数，进行数据预处理；

(b)处理后的数据传递给神经网络辨识器，由神经网络辨识器进行建模，并仿真修正；自适应控制算法设计，控制器读取模型参数，生成控制参数，控制执行机构动作，进行预测、判断；。

步骤(a)包括：神经网络辨识模块的建模依据所获得的数据建立数学模型，针对微波干燥过程易受环境条件影响，干燥过程模型参数不确定，可考虑将食品微波干燥过程看作具有线性和非线性不确定部分组合的控制系统，利用神经网络具有逼近函数的能力，考虑用神经网络建模非线性部分的模型。同时，模型仿真模块利用获得的数据对神经网络建模建立的模型进行有效性验证；模型编辑模块依据仿真结果对神经网络建模模块建立的非线性模型进行修正；神经网络建模模块将模型数据存储入模型库中。

步骤(b)包括：系统的数据采集系统与Labview进行数据交换，实现先进的智能自适应控制算法。并通过大量的实验验证设计控制器的有效性，并将部分成果应用于实际。

本发明充分利用先进的控制理论、检测技术、功率控制电路设计等，对食品加工微波干燥过程实现检测、控制、建模和决策，设计一种针对食品加工微波干燥过程的关键工艺参数的建模与控制，针对模型参数不确定及易受干扰的特点，采用自适应控制设计方案，可根据食品干燥过程中采集到的温度、挥发物成分的数据，能在较短的时间内相应地自动调节微波电磁功率，不断优化干燥工艺参数，又可进行鲁棒控制抵抗外部干扰，保证整个系统的稳定运行及性能指标达到要求，从而减少能耗，降低成本，提高经济效益等目的的综合性技术。因而本发明提出控制方案，通过实验研究，并将部分研究成果推广应用于微波干燥生产中，提高食品干燥控制质量。

Claims (5)

1.该系统包括气味检测模块、微波干燥模块、数据采集模块、神经网络辨识模块、功率自适应控制模块。所述微波干燥系统对象的输出端通过气味检测仪和温度光纤传感器通过数据采集与神经网络辨识模块的输入端连接，神经网络辨识模块的输出端分别与自适应控制模块的输入端连接，功率自适应控制模块的输出端通过数据采集通道与微波干燥对象的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的功率控制模块，其特征在于，采用占空比相位控制这种方法来实现较小的电压控制较大的交流电压；将低压电路与高压电路分隔在电路板的两边；整个功率控制装置是由过零点电路、光电耦合器、三极管放大电路、LM555占空比调节电路、双向可控硅和光电耦合器H11L1组成；其特征在于：过零点检测电路主要作用是可控硅触发、继电器保护及计时；光电耦合器实现输入、输出电绝缘和抗干扰；LM555占空比调节电路使用较小的脉冲电流来控制较大电流，实现对占空比的调整，分为自动和手动两种模式；当MOC3023的输出信号输入连接双向可控硅的G端，实现通过小电流控制可控硅的输出大电压。

3.根据权利要求1或2所述的微波干燥食品自适应控制系统，其特征在于：所述数据采集通道包括依次连接的采集模块和数据分析模块。

4.权利要求1至3中任意一项所述的微波干燥食品自适应控制系统的控制方法，具体包括以下步骤：

(1)数据采集通道实时采集微波干燥过程的食品挥发物、食品温度、重量、微波输入功率、微波作用时间，进行数据预处理；

(2)处理后的数据传递给神经网络辨识器，由神经网络辨识器进行建模，建模后的模型经过仿真修正；自适应控制算法设计，控制器读取模型参数，生成功率控制参数，通过控制电路作用微波炉动作。

5.根据权利要求4所述的微波干燥自适应控制方法，其特征在于：所述步骤(2)包括：神经网络辨识器依据所获得的数据建立数学模型，同时，通过模型仿真器利用获得的数据对神经网络建模建立的模型进行有效性验证；模型编辑模块依据仿真结果对神经网络建模模块建立的非线性模型进行修正；神经网络建模模块将模型数据存储入模型库中。