CN117663814B - 一种热风循环电热烤炉及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热风循环电热烤炉及其控制方法，本发明通过采取特定算法+温度PID控制器的组合手段，预设算法用于对PID控制器的参数进行调整，实现参数的实时自整定，自动为新烤箱匹配最优控温参数，耗时短且性能优，以达到提高控制精度和稳定性的目的，实现对蒸烤温度进行智能控制。
Description
技术领域
本发明属于隧道式电热烤炉控制程序的技术领域，具体涉及一种热风循环电热烤炉及其控制方法。
背景技术
在烤炉控制系统中，温度控制的精度和稳定性一直是重中之重。传统的烤炉温控系统中，由于烤炉本身具有大惯性、大滞后、非线性以及难以建立确切数学模型等特点，选用常规烤炉温控系统进行控制时，其参数恒定的特性无法适应烤炉这种时变性、大惯性的温控系统，以至于控温效果不理想。
发明内容
本发明的目的是要解决上述传统烤箱温控系统对烤箱的控温效果不理想的技术问题，提供一种热风循环电热烤炉及其控制方法。
为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：
第一方面，本发明提供了一种热风循环电热烤炉的控制方法，所述热风循环电热烤炉包括烤炉主体和烤炉控制系统；所述烤炉控制系统包括相连接的主控制器、温度PID控制器、温度传感器和控制面板，所述温度传感器用于采集热风循环电热烤炉的烘烤室的温度值，所述控制面板设置于烤炉主体的外壁；
其中，所述控制方法包括如下步骤：
获取由控制面板输入的设定温度r(k)，以及由温度传感器采集的实际温度y(k)；
根据所述设定温度r(k)和实际温度y(k)，计算得到温度偏差e(k)；
采用预设算法对温度偏差e(k)进行计算，得到当前系数参数；
将当前系数参数输入所述温度PID控制器，以使温度PID控制器输出控制量；
根据温度PID控制器输出的控制量，控制烤炉控制系统的加热管的电压以改变烘烤室的温度。
结合第一方面，本发明还提供了第一方面的第1种优选实施方式，其中，将当前系数参数输入所述温度PID控制器，以使温度PID控制器输出控制量，具体的，所述温度PID控制器执行如下步骤：
获取所述当前系数参数，所述当前系数参数包括参数Kp、参数Ki和参数Kd；
将参数Kp、参数Ki和参数Kd输入预设公式中，输出控制量；其中，所述预设公式为
Δu(t)＝Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]；
上述式中，Δu(t)为输出的控制量，k为温度PID控制器的采样序号，e(k)为第k次采样的温度偏差，e(k-1)为第k-1次的温度偏差，e(k-2)为第k-2次的温度偏差，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。
结合第一方面，本发明还提供了第一方面的第2种优选实施方式，具体的，所述预设算法为BP神经网络算法，所述BP神经网络算法采用三层神经元结构来对PDI控制器的三个系数参数进行调整；
所述BP神经网络算法的三层分别为输入层、隐含层和输出层，所述输入层的神经元为4个，所述隐含层的神经元为5个、所述输出层的神经元为3个；
其中，所述BP神经网络算法的4个输入分别为预定温度r(k)、实际温度y(k)、温度偏差e(k)和温度偏差变化率Δe(k)。
结合第一方面，本发明还提供了第一方面的第3种优选实施方式，其中，所述烤炉控制系统还包括湿度传感器、湿度PID控制器和模糊控制器，其中，所述控制方法还包括如下步骤：
获取由控制面板输入的设定湿度r′(k)，以及由湿度传感器采集的实际湿度y′(k)；
根据所述设定湿度r′(k)和实际湿度y′(k)，计算得到湿度偏差e′(k)和湿度偏差变化率Δe′(k)；
将湿度偏差e′(k)和湿度偏差变化率Δe′(k)输入模糊控制器进行计算，得到当前系数参数；
将当前系数参数输入所述湿度PID控制器，以使湿度PID控制器输出控制量；
根据湿度PID控制器输出控制量，控制烤炉控制系统的湿气流量阀的开度以改变烘烤室的湿度。
结合第一方面，本发明还提供了第一方面的第4种优选实施方式，其中，将当前系数参数输入所述湿度PID控制器，以使湿度PID控制器输出控制量，具体的，所述湿度PID控制器执行如下步骤：
获取所述当前系数参数，包括参数K′p、参数Ki′和参数K′d；
将参数K′p、参数Ki′和参数K′d输入预设公式中，输出控制量；其中，所述预设公式为
Δ′u(t)＝K′p[e′(k)-e′(k-1)]+Ki′e′(k)+K′d[e′(k)-2e′(k-1)+e′(k-2)]；
上述式中，Δ′u(t)为输出的控制量，k为湿度PID控制器的采样序号，e′(k)为第k次采样的湿度偏差，e′(k-1)为第k-1次的湿度偏差，e′(k-2)为第k-2次的湿度偏差，K′p为比例系数，Ki′为积分系数，K′d为微分系数。
结合第一方面，本发明还提供了第一方面的第5种优选实施方式，其中，将湿度偏差e′(k)输入模糊控制器进行计算，得到当前系数参数，具体包括：
对湿度偏差e′(k)和湿度偏差变化率Δe′(k)进行离散化，转换成模糊控制器可辨别的离散模糊向量，得到模糊变量E′(k)和模糊变量ΔE′(k)；
利用预设规则库和预设数据库，对模糊变量E′(k)和模糊变量ΔE′(k)进行模糊推理，得到增量ΔK′p、增量ΔKi′和增量ΔK′d；其中，所述预设数据库存储模糊变量的隶属度函数、模糊规则因子和模块空间的级别分类，所述预设规则库存储若干条模糊控制规则；
对增量ΔK′p、增量ΔKi′和增量ΔK′d进行解模糊化，输出调整后的参数K′p、参数Ki′和参数K′d。
第二方面，本发明还提供了一种热风循环电热烤炉，包括烤炉主体和烤炉控制系统；
所述烤炉控制系统包括相连接的主控制器、温度PID控制器、温度传感器、模糊控制器、湿度PID控制器、湿度传感器、控制面板、加热组件和加湿组件；
所述温度传感器用于采集热风循环电热烤炉的烘烤室的温度值，所述湿度传感器用于采集热风循环电热烤炉的烘烤室的湿度值，所述控制面板设置于烤炉主体的外壁；
其中，所述主控制器用于执行第一方面所述的一种热风循环电热烤炉的控制方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种热风循环电热烤炉的控制方法，所述热风循环电热烤炉包括烤炉主体和烤炉控制系统；所述烤炉控制系统包括相连接的主控制器、温度PID控制器、温度传感器和控制面板，所述温度传感器用于采集热风循环电热烤炉的烘烤室的温度值，所述控制面板设置于烤炉主体的外壁；其中，所述控制方法包括如下步骤：获取由控制面板输入的设定温度r(k)，以及由温度传感器采集的实际温度y(k)；根据所述设定温度r(k)和实际温度y(k)，计算得到温度偏差e(k)；采用预设算法对温度偏差e(k)进行计算，得到当前系数参数；将当前系数参数输入所述温度PID控制器，以使温度PID控制器输出控制量；根据温度PID控制器输出的控制量，控制烤炉控制系统的加热管的电压以改变烘烤室的温度。
本发明通过采取特定算法+温度PID控制器的组合手段，预设算法用于对PID控制器的参数进行调整，实现参数的实时自整定，自动为新烤炉匹配最优控温参数，耗时短且性能优，以达到提高控制精度和稳定性的目的，实现对蒸烤温度进行智能控制。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明的一种热风循环电热烤炉的立体示意图；
图2是本发明的一种热风循环电热烤炉的控制方法的流程示意图；
图3是本发明的BP神经网络结构图；
图4是本发明的模糊控制器+湿度PID控制器的组合流程示意图；
图5是本发明的三角形隶属度函数图；
图中：
10-烤炉主体；
20-循环风热交换箱；
30-输送带。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
隧道式烤炉(食品加工类)是通过热的传导、对流、辐射完成食品烘烤的隧道式机械设备。这类烤炉可连续生产，生产效率高，节省人力，烘烤品质稳定。该隧道炉主要用于工业化生产的食品企业，以大批量连续或间歇烘烤为特征。烤制温度的高低将直接影响烤制食物的品质，如在进行烘焙精致食品时，对温度的精准度要求是非常高的，若温度不准，食品烘烤效果会较差，严重时导致烘焙失败。
隧道式烤炉的温度是一种非线性变化、时变性大且温度的变化往往有滞后性，温度变化往往向单边方向发展，想要建立数学模型比较困难，传统的隧道炉的常规PID控制都存在温度偏差大、精度低等问题，难以达到较好的控制效果。同时，隧道式烤炉在长时间使用后，加热性能会降低，导致控温性能变差。
综上所述，在烤炉控制系统中，温度控制的精度和稳定性一直是重中之重。传统的烤炉温控系统中，由于电阻加热的热风循环式烤炉本身具有大惯性、大滞后、非线性以及难以建立确切数学模型等特点。若直接选用常规PID进行控制时，其参数恒定的特性无法适应烤炉这种时变性、大惯性的温控系统，以至于控温效果不理想。
为此，本发明提供了一种热风循环电热烤炉的控制方法，通过采取特定算法+温度PID控制器的组合手段，预设算法用于对PID控制器的参数进行调整，实现参数的实时自整定，自动为烤炉匹配最优控温参数，耗时短且性能优，以达到提高控制精度和稳定性的目的，实现对蒸烤温度进行智能控制。
通过本发明的控制方法，对输出电压的调节非常有效，响应也很及时，最终实现控温精度都可按设定目标温度，温度在理想控温水平，最好的控温精度可达误差0℃。控温效果远比传统单一PID控制器的温控系统更为优异。
实施例一
如图1所示，其为本发明控制方法所应用的热风循环电热烤炉，其中，热风循环电热烤炉包括烤炉主体和烤炉控制系统；所述烤炉控制系统包括相连接的主控制器、温度PID控制器、温度传感器和控制面板，所述温度传感器用于采集热风循环电热烤炉的烘烤室的温度值，所述控制面板设置于烤炉主体的外壁。
图2是本发明实施例的一种热风循环电热烤炉的控制方法的流程图，本实施例可适用于热风循环电热烤炉的温度控制，该方法可以由热风循环电热烤炉的主控制器来执行，该装置可以采用硬件和/或软件的形式实现，该装置可配置于热风循环电热烤炉的电子设备中。如图2所示，所述控制方法包括如下步骤：
S100：获取由控制面板输入的设定温度r(k)，以及由温度传感器采集的实际温度y(k)。
S200：根据所述设定温度r(k)和实际温度y(k)，计算得到温度偏差e(k)。
S300：采用预设算法对温度偏差e(k)进行计算，得到当前系数参数。
S400：将当前系数参数输入所述温度PID控制器，以使温度PID控制器输出控制量。
S500：根据温度PID控制器输出的控制量，控制烤炉控制系统的加热管的电压以改变烘烤室的温度。
具体的，本发明对控制方法的各步骤，进行详细的说明：
S100：获取由控制面板输入的设定温度r(k)，以及由温度传感器采集的实际温度y(k)。
在一种具体实施中，控制面板即为电热烤炉外壁上的供用户操作的控制屏，可以分为物理按钮操作屏和电容式触摸操作屏。用户通过操作面板设置烘烤温度、时间等参数，以获得设定温度r(k)。
在一种具体实施中，所述温度传感器是设置在电热烤炉中，用于实时采集电热烤炉的烘烤室内的温度，以获得实际温度y(k)。在优选实施中，温度传感器采用PT100铂热电阻可工作范围是一200℃至850℃，是一款测量精度比较高的测温传感器，其质量可靠价格相对较低，最大的特点是抗氧化性非常稳定，具有精度高和出色的灵敏度特性、强信号和可重复性的特点。以此获得高精度的实际温度y(k)，进而得到精确的温度偏差e(k)，进而保障控温的准确性和稳定性。
S200：根据所述设定温度r(k)和实际温度y(k)，计算得到温度偏差e(k)。
在具体实施中，温度偏差e(k)为设定温度r(k)和实际温度y(k)的比较值。
S300：采用预设算法对温度偏差e(k)进行计算，得到当前系数参数。
在本领域中，PID控制算法又称为比例－积分－微分控制，它是由比例(P)、积分(I)和微分(D)三个环节组成，再使得三个单独环节相互并联相加之后得到控制量，再和系统中的被控对象串联，从而对被控对象进行有效的控制，根据以上各环节相互连接所构成的这种控制器称为PID控制器，PID控制器的控制原理为：基于误差而生成消除误差的控制方法。
由于热风循环电热烤炉的烘烤温度变化的不稳定性与不确定性，是一种非线性变化，时变性大，极大影响了烘烤室的温度控制精度、稳定性和响应速度。从而导致电热烤炉的烤炉控制系统的温度控制效果不理想，故传统PID控制算法由于其结构简单、参数固定即不能在线实时调整等特点已不能满足烤炉的温度控制要求。
为此，本发明采用了预设算法进行计算，实时调整得到PID控制器的参数Kp、参数Ki和参数Kd。预设算法可以根据其自学习与自适应能力在线实时整定PID控制器的三个参数，从而在更大程度上发挥PID控制的优点克服其缺点，从而使得烤炉控制系统具有更好的鲁棒自适应能力。实现高精度、高响应和高稳定性的温度控制。
在一种具体实施中，所述预设算法为BP神经网络算法，所述BP神经网络算法采用三层神经元结构来对PDI控制器的三个系数参数进行调整；
在一种优选实施中，所述BP神经网络算法的三层分别为输入层、隐含层和输出层，所述输入层的神经元为4个，所述隐含层的神经元为5个、所述输出层的神经元为3个。
其中，所述BP神经网络算法的4个输入分别为预定温度r(k)、实际温度y(k)、温度偏差e(k)和温度偏差变化率Δe(k)。
在具体实施中，如图3所示，本发明BP神经网络算法的正向传播过程如下：
输入层神经元的输入为：X1＝预定温度r(k)、X2＝实际温度y(k)、X3＝温度偏差e(k)、X4＝温度偏差变化率Δe(k)。输入层的神经元的输出为：
在一种具体实施中，如果神经网络中隐含层神经元个数选取很少有可能产生的结果是网络根本无法进行学习训练或者网络学习训练性能非常差，从而影响整个神经网络的学习效果，神经元个数太多的结果虽然可能使神经网络系统误差减小，但这样会使网络训练时间延长，也会使学习训练陷入局部极小点而得不到全局最优点。为此，隐含层设置隐含层神经元个数为5个。
进一步优选地，隐含层神经元的激活函数选择S型正切函数其中，隐含层神经元的输入为：/>隐含层神经元的输出为：/>
在一种具体实施中，输出层的神经元为3个，输出层神经元的输出对应烤炉控制系统的三个参数Kp、参数Ki和参数Kd。由于PID控制器的三个参数不能为负，故输出层神经元的激活函数选择非负的Sigmoid函数，其中，输出层神经元的输入为输出层神经元的输出为：/>
具体的，PID控制器的三个参数为：
其中，和/>分别为隐含层与输入层的连接权值以及输出层与隐含层的连接权值。
另一方面，本发明BP神经网络算法的反向传播过程如下：
BP神经网络算法的期望输出与实际输出的偏差为：e(k)＝r(k)-y(k)；取神经元输出的均方差为网络的目标函数：本发明通过利用负梯度下降法由输出层经过隐含层向输入层逐层调整各层神经元的权值，沿着误差E的负梯度方向求解目标函数极小值时的权值。
在一种优选实施中，输入层至隐含层的连接权值修正量为：
隐含层至输出层的连接权值修正量为：
其中，η是学习速率，α是惯性系数。
S400：将当前系数参数输入所述温度PID控制器，以使温度PID控制器输出控制量。
在一种具体实施中，本发明所述的PID控制器(Proportion IntegrationDifferentiation，比例-积分-微分控制器)，其是由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。透过Kp、Ki和Kd三个参数的设定，PID控制器主要适用于基本上线性，且动态特性不随时间变化的系统。
在本发明一种具体实施中，步骤S400将当前系数参数输入所述温度PID控制器，以使温度PID控制器输出控制量，具体包括如下步骤：
S410：获取所述当前系数参数，所述当前系数参数包括参数Kp、参数Ki和参数Kd；
S420：将参数Kp、参数Ki和参数Kd输入预设公式中，输出控制量；其中，所述预设公式为Δu(t)＝Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]；
上述式中，Δu(t)为输出的控制量，k为温度PID控制器的采样序号，e(k)为第k次采样的温度偏差，e(k-1)为第k-1次的温度偏差，e(k-2)为第k-2次的温度偏差，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。
在本发明中，通过选用特定的增量式PID控制算法，相比位置式PID控制算法，位置式PID算法下的控制器每次输出都与过去的状态有关，导致计算机运算过量大，一旦MCU出现故障，输出会大幅度变化，这种情况在实际生产中时不允许的。而增量式PID只与过去两次的状态有关，大大增加了系统的容错率。
S500：根据温度PID控制器输出的控制量，控制烤炉控制系统的加热管的电压以改变烘烤室的温度。
实施例二
本实施例二提供了一种热风循环电热烤炉的控制方法，其方法步骤及原理与实施例一的完全相同，不同之处在于，本发明还提供了一种热风循环电热烤炉的控制方法的优选实施方式。具体的，所述烤炉控制系统还包括湿度传感器、湿度PID控制器和模糊控制器。
电热烤炉具有控制烘烤湿度功能，温湿度的调控是保障产品/食品烘烤效果的核心要素。因而，同时提高温度和湿度的控制系统的控制性能对于烘烤炉的产品性能有重要作用。为此，本发明提供了一种热风循环电热烤炉的控制方法，通过采取模糊控制器+湿度PID控制器的组合手段，模糊控制器用于对湿度PID控制器的参数进行调整，实现参数的实时自整定，自动为烤炉匹配最优控制湿度参数，耗时短且性能优，以达到提高控制精度和稳定性的目的。协同温度控制方法，共同实现对烘烤时的温湿度的智能、精确控制，提高产品的性能和竞争力。
通过本发明的控制方法，对湿气流量阀的开度调节非常有效，响应也很及时，最终实现湿度调控精度都可按设定目标湿度，湿度在理想控制水平。湿度控制效果远比传统单一PID控制器的温控系统更为优异。
具体的，本发明一种热风循环电热烤炉的控制方法，还包括如下步骤：
S1000：获取由控制面板输入的设定湿度r′(k)，以及由湿度传感器采集的实际湿度y′(k)。
在一种具体实施中，湿度传感器可以采用PST氧化锆氧气传感器O2S-FR-T4-5P-387。该在可达到752华氏度(400摄氏度)以上的烤炉内，使用SST的氧化锆传感器进行准确的水分测量，可以控制烘焙过程，以判断食物何时准备好，而不受清洁过程中经常使用的高温影响。
烤炉的高温湿度氧气传感器O2S-FR-T4-5P-387的敏感元件是氧化锆材料，对被测试氧气无消耗，可以测试混合高温气体下的氧气分压，通过道尔顿定律计算出水汽分压，从而得到高温水蒸气含量，它可以在-100到400℃高温下正常工作。完美适配高温高湿的烤炉，商用烤炉等场合中。
S2000：根据所述设定湿度r′(k)和实际湿度y′(k)，计算得到湿度偏差e′(k)和湿度偏差变化率Δe′(k)。
S3000：将湿度偏差e′(k)和湿度偏差变化率Δe′(k)输入模糊控制器进行计算，得到当前系数参数。
如图4所示，模糊控制算法最核心的内容就是把控制系统的湿度误差e′(k)和湿度偏差变化率Δe′(k)作为系统的输入，而同时PID的控制参数K′p、参数Ki′和参数K′d需要通过模糊规则来设置，从而来适应不断变化的受控对象状态，保证其良好动态和静态稳定性。结合电热烤炉的加热加湿特点，得出最佳的PID参数并给出最优的加热方式。
在本发明一种具体实施中，湿度偏差输入模糊控制器进行计算，得到当前系数参数，具体包括：
S3100：对湿度偏差e′(k)和湿度偏差变化率Δe′(k)进行离散化，转换成模糊控制器可辨别的离散模糊向量，得到模糊变量E′(k)和模糊变量ΔE′(k)。
S3200：利用预设规则库和预设数据库，对模糊变量E′(k)和模糊变量ΔE′(k)进行模糊推理，得到增量ΔK′p、增量ΔKi′和增量ΔK′d；其中，所述预设数据库存储模糊变量的隶属度函数、模糊规则因子和模块空间的级别分类，所述预设规则库存储若干条模糊控制规则。
S3300：对增量ΔK′p、增量ΔKi′和增量ΔK′d进行解模糊化，输出调整后的参数K′p、参数Ki′和参数K′d。
在本发明中，本将模糊控制器设为“两输入三输出”，其中湿度误差e′(k)和湿度偏差变化率Δe′(k)为两个输入变量，PID控制器参数的增量ΔK′p、增量ΔKi′和增量ΔK′d为输出变量。设定输入变量和输出变量的模糊论域范围为[-4，4]，将模糊论域等级划分为：{NB、NS、ZO、PS、PB}，对应的含义分别为：{负大、负小、零、正小、正大}，模糊等级的取值如表1所示：
表1模糊等级取值表
| NB | NS | ZO | PS | PB |
| -4 | -2 | 0 | 2 | 4 |
在具体实施中，隶属度函数包括三角形、梯形等多种形式，其中三角形隶属度函数具有简便灵活的特点，因此模糊PID控制器的输入输出变量都选用三角形隶属度函数，其函数曲线如图5所示，横坐标的范围为：[-4，4]，纵坐标的范围为：[0，1]。由上述隶属度函数，将模糊论域范围区间划分为：[-4，-3]、[-3，-1]、[-1，1]、[1，3]、[3，4]，其对应的模糊等级分别为：NB、NS、ZO、PS、PB。系统通过计算湿度误差e′(k)和湿度偏差变化率Δe′(k)的实际运行值，对照所划分的模糊论域范围区间得出该时刻所对应的模糊等级，该过程即为模糊化处理。
在一种具体实施中，可以根据烤炉控制系统的不同烘烤阶段对PID参数的整定需求，制定出了增量ΔK′p、增量ΔKi′和增量ΔK′d的整定规则，具体的，规则如下表2-表4所示。
表2增量ΔK′p的模块规则表
表3增量ΔKi′的模块规则表
表4增量ΔK′d的模块规则表
在得到增量ΔK′p、增量ΔKi′和增量ΔK′d之后，就可以根据图4得出烤炉控制系统的输出量为PID控制器的控制调控设备执行机构的输出变量，要确定控制组合首先需要确定u(t)的隶属度函数及模糊论域范围，再制定u(t)的模糊规则表，最后根据u(t)的实际值进行模糊推理得出相应的控制组合。选定的系统输出u(t)的隶属度函数、模糊论域范围等均与湿度误差e′(k)和湿度偏差变化率Δe′(k)相同。
为了满足不同阶段的湿度控制需求，可将控制分为5个等级：E1、E2、E3、E4、E5，从E1到E5的增湿作用不断增强。将湿度差值(预测值-实际值)也分为5个等级：NB、NS、ZO、PS、PB，所对应的区间分别为：[-15，-10]、[-10，-5]、[-5，5]、[5，10]、[10，15]，所以得到系统输出u(t)的模糊规则如表15所示。
表15u(t)模糊规则表
以上仅为本申请为了说明技术方案而列举的示例，该示例并不限定本发明的实际技术方案。模糊控制器的具体配置及规则表的设计等，均是本领域技术人员可根据实际情况进行设置和调整的，本发明并不过多限定。
S4000：将当前系数参数输入所述湿度PID控制器，以使湿度PID控制器输出控制量。
在一种优选实施中，将当前系数参数输入所述湿度PID控制器，以使湿度PID控制器输出控制量，具体的，所述湿度PID控制器执行如下步骤：
S4100：获取所述当前系数参数，包括参数K′p、参数Ki′和参数K′d；
S4200：将参数K′p、参数Ki′和参数K′d输入预设公式中，输出控制量；其中，所述预设公式为Δ′u(t)＝K′p[e′(k)-e′(k-1)]+Ki′e′(k)+K′d[e′(k)-2e′(k-1)+e′(k-2)]；
上述式中，Δ′u(t)为输出的控制量，k为湿度PID控制器的采样序号，e′(k)为第k次采样的湿度偏差，e′(k-1)为第k-1次的湿度偏差，e′(k-2)为第k-2次的湿度偏差，K′p为比例系数，Ki′为积分系数，K′d为微分系数。
在本发明中，通过选用特定的增量式PID控制算法，相比位置式PID控制算法，位置式PID算法下的控制器每次输出都与过去的状态有关，导致计算机运算过量大，一旦MCU出现故障，输出会大幅度变化，这种情况在实际生产中时不允许的。而增量式PID只与过去两次的状态有关，大大增加了系统的容错率。
S5000：根据湿度PID控制器输出控制量，控制烤炉控制系统的湿气流量阀的开度以改变烘烤室的湿度。
实施例三
本实施例三提供了一种热风循环电热烤炉，该热风循环电热烤炉是用于执行并实现上述实施例一和实施例二的控制方法的，且热风循环电热烤炉获得上述实施例一和实施例二的相同技术效果。
本发明提供了一种热风循环电热烤炉，包括烤炉主体和烤炉控制系统；所述烤炉控制系统包括相连接的主控制器、温度PID控制器、温度传感器、模糊控制器、湿度PID控制器、湿度传感器、控制面板、加热组件和加湿组件。所述温度传感器用于采集热风循环电热烤炉的烘烤室的温度值，所述湿度传感器用于采集热风循环电热烤炉的烘烤室的湿度值，所述控制面板设置于烤炉主体的外壁。
其中，所述主控制器用于执行实施例一和实施例二中的一种热风循环电热烤炉的控制方法。具体的，所述烤炉控制系统还包括湿度传感器、湿度PID控制器和模糊控制器。
本领域中，隧道炉(食品加工类)是通过热的传导、对流、辐射完成食品烘烤的隧道式机械设备。该烤炉炉体一般很长，最小6米，长至60～80米。隧道内有一条连续运转的输送系统。食品烤制时，食品通过输送链板、钢带或网带与电热元件或直燃燃烧棒之间产生相对运动。从而完成均匀烘烤和输送的工作。这类烤炉可连续生产，生产效率高，节省人力，烘烤品质稳定。该隧道炉主要用于工业化生产的食品企业，以大批量连续或间歇烘烤为特征。
一般按热源不同，有电热隧道炉、燃气隧道炉或天然气隧道炉等。厂家可以根据隧道炉用户的生产量随意的定做长度和宽度。使用范围：面包类(主食面包、调理面包等)、蛋糕类、饼干类、点心类、蛋黄派、月饼等。该隧道炉是提供连续性烘烤的大型设备，可配备生产流水线作业。具有生产效率高，节省人力，烘烤品质稳定等特点。根据各种产品不同的烘烤时间要求，可通过PLC智能型控制系统，实行智能化控制。传动变频调速，可实现无级变速。
而在本发明中，本发明各实施例中的热风循环电热烤炉，是一种热风循环的电热隧道炉。
如图1所示，所述热风循环电热烤炉包括烤炉主体、用于循环热风的热风循环装置以及用于传输烤盘进入烤炉主体内的输送带。其中，输送带设置于烤炉主体内，用于连续将装承有带烘烤食品的烤盘，输送入烤炉主体内。
具体的，所述烤炉主体为多段式隧道炉，沿着输送带的输送方向具有多个独立且相互连通的烘烤室，烘烤室为一狭长的隧道，宽度一般为80cm到140cm。每个烘烤室的外壁上方对应设置有一个热风循环装置。其中，每个烘烤室对应设置有上述的烤炉控制系统，以独立对每个烘烤室的烘烤温度进行独立控制的。
热风循环装置多由壳体、循环风机、送风管、进风管和支撑架组成，壳体内设置有电加热组件。循环风机通过传动轴安装在支撑架上，所述的送风管一端与循环风机的出风口连接，另一端分别与上风槽和下风槽相接通，进风管贯穿炉体内部，一端与循环风机的进风口连接，另一端与烘烤室相接通。
在具体使用过程中，每个烘烤室的温度可以是相同的，或者是阶梯式升温、阶梯式降温等等，以满足不同的食品制备需要。可以理解的是，每个烘烤室通过各自的烤炉控制系统进行控制该烘烤室内的温度。
具体的，热风循环电烤炉是本领域的现有技术设备，本发明不过多说明，烤炉主体、循环风热交换箱、输送带等均是本领域技术人员根据现有技术进行实施的。
在一种优选实施中，所述烤炉主体包括多段机架和对应设置在机架上的隧道式外壳，多段机架首尾依次拼接而成，隧道式外壳设置在机架的顶部，隧道式外壳的内部中空，由隧道式外壳的外侧壁围蔽形成所述烘烤室，每个烘烤室之间通过连接保温罩体衔接。
具体的，所述隧道式外壳由外壁和内壁组成，外壁和内壁均可以采用不锈钢材料制成。在外壁和内壁之间形成由保温隔热腔，所述保温隔热腔中设置有隔热保温材料。
保温隔热腔的目的是设置隔热保温材料，隔热保温材料的设置目的是实现对烘烤室的隔热保温，隔热是降低隧道炉对外部产生高温影响，保温是降低烘烤室的热量损失，在使用时能够保持一定的温度和保温效果，以协同控制方法，实现高控制精度和高稳定性的优点。
现有的热风循环炉在烘烤周期内不易保持温度稳定，在一个烘焙周期内，热风循环炉的温度难以保持稳定。为此，本发明通过特定控制方法+特定结构组合，以实现在烘烤周期内保持温度稳定和控制精确，且均匀加热的综合性能。
具体的，所述加湿组件包括依次连接的蒸发器、湿气流量阀和喷雾管，所述蒸发器可以安装在热风循环装置的壳体内，通过若干保温绝热板进行隔开。又或者，蒸发器可以直接安装在机架底部，喷雾管与烘烤室连通即可。具体的，加湿组件的设置方式，本发明不过多限定。
在一种优选实施中，所述烤炉主体还包括排气管。
实施例四
本实施例四提供了一种热风循环电热烤炉，其结构和原理，与实施例三的完全相同，不同之处在于，本实施例四提供了隔热保温材料的优选实施方式。
在一种具体实施中，所述隔热保温材料为复合层结构，所述隔热保温材料包括由上至下依次设置的气凝胶保温层、硅酸铝毯和碳纤维/环氧树脂保温板。所述气凝胶保温板贴合在隧道式外壳的内壁的外侧表面上。
在本发明中，气凝胶保温层的气凝胶保温材料，其凭借孔隙率高、抗压能力强和热导率低等优势，本发明的气凝胶保温层的导热系数为0.22w/(m·k)。具体的，气凝胶保温层通过以下材料及方法制得：
步骤一：采用溶胶-凝胶法，以仲丁醇铝为原料，将仲丁醇铝和去离子水按照摩尔比1:50的比例混合，然后在85℃下搅拌10min。加入1mol/L的浓硝酸均匀搅拌30min。按照8％(摩尔分数)的掺杂量比例加入的SiO2溶胶，匀速搅拌10h，直至混合溶液为透明状态。
步骤二：将混合溶液导入在模具中，在真空干燥箱中，温度85℃下静置7h，将所得的Al2O3－SiO2溶胶在-80℃下冷冻干燥48h，在马弗炉中以4℃/min的升温速率从室温升温至500℃，然后保温处理2h，再以4℃/min的升温速率从500℃升温至1000℃，保温处理5h，自然冷却至室温即得气凝胶保温层。
在本发明中，溶胶-凝胶法制备出的气凝胶保温层主要由多晶态的勃姆石组成，存在明显的γ-Al2O3相，在1000℃热处理后仍然具有高的结晶度。掺入SiO2后抑制了γ-Al2O3相的生成，AlO-H相基团中的H被Si取代，形成了更为稳定的Al-O-Si键。SiO2添加后会分布在Al2O3气凝胶的网格中，阻碍Al2O3气凝胶之间的接触，从而改善了气凝胶材料的孔道走向，使孔径尺寸减小且均匀分布。当SiO2的掺杂量为8％(摩尔分数)时，气凝胶的形貌得到了明显改善，保温性能得到提升。
在本发明中，硅酸铝纤维毡，是以焦宝石为主要原料，在熔融、出丝(在出丝过程中加入适量粘合剂)、固化室固化、切割等工序制成。全过程由PLC自动控制，产品一次成型的保温材料。
在本发明中，碳纤维/环氧树脂保温板的碳纤维选用PAN基碳纤维，直径为7～8μm，纯度>99.9％。将碳纤维放入50mL的丙酮溶液中浸泡24h，在去除碳纤维表面的脏污和杂质后,用无水乙醇清洗3～5次；其次，在真空干燥箱中65℃下干燥处理12h；然后，在干燥完成后取出碳纤维浸入浓HNO3中,处理时间4h，处理完成后取出碳纤维，用去离子水清洗至pH值＝7；最后,在真空干燥箱中65℃下干燥处理12h。
将环氧树脂E51、固化剂DDS和稀释剂三羟甲基丙烷三缩水甘油醚按照质量比100∶46∶20的比例进行混合搅拌10min；其次，将占环氧树脂E51质量分数3％的碳纤维加入到混合溶液中搅拌15min。然后,在真空干燥箱中脱泡处理30min,脱泡完成后缓慢注入到模具中,将模具放入80℃下固化反应3h,保温处理1h；最后,自然冷却至室温,脱模处理即得碳纤维/环氧树脂复合保温材料。
在具体实施中，可以通过外壁和内壁对复合材料进行夹持固定，也可以通过粘接剂复合，是本领域技术人员容易实施的。
本发明通过三种特定的层材进行复合，协同作用下实现了极佳的保温效果，且通过复合层结构，气凝胶保温层和碳纤维/环氧树脂保温板的整体厚度较小，在保证较优的隔热保温性能的同时，可以减小隔热保温材料的整体厚度和重量。本实施例四的隔热保温材料性价比高，能够大幅减少了内胆外壁的散热损失，协同控制方法，提高电热烤炉对温度控制的精确度和稳定性。
热风循环电热烤炉的产品试验：
通过对标本样机经过PID自整定，升温性能随机测试，结果整体温度控制精度≤±1℃，见表5。
表5标本样机PID控温精度测试数据
| 组别 | 速热 | 目标温度 | 加热模式 | 稳定温度 | 结论 |
| 1 | 关 | 120℃ | 常规 | 120～121℃ | ±0.5℃ |
| 2 | 关 | 180℃ | 常规 | 179℃ | ±1℃ |
| 3 | 关 | 200℃ | 常规 | 200℃ | ±0.5℃ |
| 4 | 开 | 200℃ | 慢热 | 200℃ | ±0.5℃ |
| 5 | 开 | 200℃ | 常规 | 200℃ | ±0.5℃ |
经过PID自整定，控温精度都可按设定目标温度，温度在理想控温水平，最好控温精度可达误差0℃。
本实施例所述一种热风循环电热烤炉及其控制方法的其它结构参见现有技术。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种热风循环电热烤炉的控制方法，其特征在于，所述热风循环电热烤炉包括烤炉主体和烤炉控制系统；所述烤炉控制系统包括相连接的主控制器、温度PID控制器、温度传感器和控制面板，所述温度传感器用于采集热风循环电热烤炉的烘烤室的温度值，所述控制面板设置于烤炉主体的外壁；
所述烤炉主体为多段式隧道炉，沿着输送带的输送方向具有多个独立且相互连通的烘烤室，烘烤室为一狭长的隧道，宽度为80cm到140cm；
所述烤炉主体包括多段机架和对应设置在机架上的隧道式外壳，多段机架首尾依次拼接而成，隧道式外壳设置在机架的顶部，隧道式外壳的内部中空，由隧道式外壳的外侧壁围蔽形成所述烘烤室，每个烘烤室之间通过连接保温罩体衔接；
所述隧道式外壳由外壁和内壁组成，外壁和内壁均采用不锈钢材料制成；在外壁和内壁之间形成由保温隔热腔，所述保温隔热腔中设置有隔热保温材料；
所述隔热保温材料为复合层结构，所述隔热保温材料包括由上至下依次设置的气凝胶保温层、硅酸铝毯和碳纤维/环氧树脂保温板，所述气凝胶保温板贴合在隧道式外壳的内壁的外侧表面上；
其中，所述控制方法包括如下步骤：
获取由控制面板输入的设定温度r(k)，以及由温度传感器采集的实际温度y(k)；
根据所述设定温度r(k)和实际温度y(k)，计算得到温度偏差e(k)；
采用预设算法对温度偏差e(k)进行计算，得到当前系数参数，所述当前系数参数包括参数Kp、参数Ki和参数Kd；
将当前系数参数输入所述温度PID控制器，以使温度PID控制器输出控制量；
根据温度PID控制器输出的控制量，控制烤炉控制系统的加热管的电压以改变烘烤室的温度；
其中，所述预设算法为BP神经网络算法，所述BP神经网络算法采用三层神经元结构来对温度PID控制器的三个系数参数进行调整；
所述BP神经网络算法的三层分别为输入层、隐含层和输出层，所述输入层的神经元为4个，所述隐含层的神经元为5个、所述输出层的神经元为3个；
其中，所述BP神经网络算法的4个输入分别为预定温度r(k)、实际温度y(k)、温度偏差e(k)和温度偏差变化率Δe(k)；
所述BP神经网络算法的正向传播过程如下：
输入层神经元的输入为：X1＝预定温度r(k)、X2＝实际温度y(k)、X3＝温度偏差e(k)、X4＝温度偏差变化率Δe(k)；输入层的神经元的输出为：
隐含层神经元的激活函数选择S型正切函数其中，隐含层神经元的输入为：/>隐含层神经元的输出为：
输出层神经元的激活函数选择非负的Sigmoid函数其中，输出层神经元的输入为/>输出层的神经元的输出为：
具体的，温度PID控制器的三个参数为：
其中，和/>分别为隐含层与输入层的连接权值以及输出层与隐含层的连接权值。
2.根据权利要求1所述的一种热风循环电热烤炉的控制方法，其特征在于，将当前系数参数输入所述温度PID控制器，以使温度PID控制器输出控制量，具体的，所述温度PID控制器执行如下步骤：
获取所述当前系数参数；
将参数Kp、参数Ki和参数Kd输入预设公式中，输出控制量；其中，所述预设公式为Δu(t)＝Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]；
上述式中，Δu(t)为输出的控制量，k为温度PID控制器的采样序号，e(k)为第k次采样的温度偏差，e(k-1)为第k-1次的温度偏差，e(k-2)为第k-2次的温度偏差，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。
3.根据权利要求1所述的一种热风循环电热烤炉的控制方法，其特征在于，所述烤炉控制系统还包括湿度传感器、湿度PID控制器和模糊控制器，其中，所述控制方法还包括如下步骤：
获取由控制面板输入的设定湿度r′(k)，以及由湿度传感器采集的实际湿度y′(k)；
根据所述设定湿度r′(k)和实际湿度y′(k)，计算得到湿度偏差e′(k)和湿度偏差变化率Δe′(k)；
将湿度偏差e′(k)和湿度偏差变化率Δe′(k)输入模糊控制器进行计算，得到当前系数参数；
将当前系数参数输入所述湿度PID控制器，以使湿度PID控制器输出控制量；
根据湿度PID控制器输出控制量，控制烤炉控制系统的湿气流量阀的开度以改变烘烤室的湿度。
4.根据权利要求3所述的一种热风循环电热烤炉的控制方法，其特征在于，将当前系数参数输入所述湿度PID控制器，以使湿度PID控制器输出控制量，具体的，所述湿度PID控制器执行如下步骤：
获取所述当前系数参数，包括参数K′p、参数K′i和参数K′d；
将参数K′p、参数K′i和参数K′d输入预设公式中，输出控制量；其中，所述预设公式为Δ′u(t)＝K′p[e′(k)-e′(k-1)]+K′ie′(k)+K′d[e′(k)-2e′(k-1)+e′(k-2)]；
上述式中，Δ′u(t)为输出的控制量，k为湿度PID控制器的采样序号，e′(k)为第k次采样的湿度偏差，e′(k-1)为第k-1次的湿度偏差，e′(k-2)为第k-2次的湿度偏差，K′p为比例系数，K′i为积分系数，K′d为微分系数。
5.根据权利要求4所述的一种热风循环电热烤炉的控制方法，其特征在于，将湿度偏差e′(k)输入模糊控制器进行计算，得到当前系数参数，具体包括：
对湿度偏差e′(k)和湿度偏差变化率Δe′(k)进行离散化，转换成模糊控制器可辨别的离散模糊向量，得到模糊变量E′(k)和模糊变量ΔE′(k)；
利用预设规则库和预设数据库，对模糊变量E′(k)和模糊变量ΔE′(k)进行模糊推理，得到增量ΔK′p、增量ΔK′i和增量ΔK′d；其中，所述预设数据库存储模糊变量的隶属度函数、模糊规则因子和模块空间的级别分类，所述预设规则库存储若干条模糊控制规则；
对增量ΔK′p、增量ΔKi′和增量ΔK′d进行解模糊化，输出调整后的参数K′p、参数Ki′和参数K′d。
6.一种热风循环电热烤炉，其特征在于，包括烤炉主体和烤炉控制系统；
所述烤炉控制系统包括相连接的主控制器、温度PID控制器、温度传感器、模糊控制器、湿度PID控制器、湿度传感器、控制面板、加热组件和加湿组件；
所述温度传感器用于采集热风循环电热烤炉的烘烤室的温度值，所述湿度传感器用于采集热风循环电热烤炉的烘烤室的湿度值，所述控制面板设置于烤炉主体的外壁；
其中，所述主控制器用于执行权利要求1至5任意一项所述的一种热风循环电热烤炉的控制方法。
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