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浙江工业大学 硕士学位论文 中药材干燥设备设计及其控制系统仿真 姓名：陈孝趋 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：鲁聪达 20050401 = ；i 7 i 江丁业人学填j + 沧义中药丰于十嫌、垃蔷殴汁搜j c 控 i ；1 l 系统仿真 中药材干燥设备设计及其控制系统仿真 摘要 干燥在我国已有较长的应用历史，技术上取得了不少的进展，但 中药材的干燥技术还显得比较落后，往往中药材在常规干燥( 热风干 燥、烘干等) 后的质量不高，在国际市场上与其他国家的同种产品的 价格相差很大。针对中药材是热敏性物质，过热会使其药性改变、有 效成分损失等问题，提出了利用微波真空技术对其进行干燥的技术。 微波真空干燥技术是利用微波对介质的穿透性和选择性的特点， 使物料的水分迅速蒸发；利用真空技术降低水的沸点的特点，保证物 料在较低的温度下进行干燥。 文中做了以下几点工作： ( 1 )对微波真空干燥的理论进行分析，然后对微波真空干燥设 备的总体结构进行了设计；掌握微波传输理论，对微波能 的入口位置进行计算，并设计扼流门结构，防止微波能的 泄漏： ( 2 ) 探讨b p 神经网络的标准算法存在的主要问题和若干改进算 法及其优劣和特点，引用实例，建立神经网络模型，进行 模拟；掌握模糊逻辑控制技术，建立温度模糊控制规则器 ( 3 ) 建立中药材干燥信息数据库，查询干燥相关信息； 浙江工业人学颁i 论立= 中药材干燥墩番l 啦计披上l ；控制系统仿兵 ( 4 )利用建好的神经网络模型和模糊控制规则器，对系统的温 度进行控制仿真，将它们的仿真结果与p i d 控制进行比较。 仿真结果表明用智能方法对温度进行控制，操控性好，微波真空 干燥技术对中药材干燥后的质量将会大大的提高，相信随着科学技术 的发展，可控温的微波真空干燥技术一定会得到日益广泛的应用。 关键词：中药材，微波真空，干燥，神经网络，模糊控制，仿真 塑兰三! 些查兰坐! ：堡兰 ! 堑塑塑坠墨坠生苎! ! 筻型墨竺堕壅 d e s i g no fd r y e ri nc h i n e s e h e r ba n di t s s i m u l a t i o n0 fc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t d r y i n g h a s l o n g h i s t o r y i no u rc o u n t r y , a n d h a s g o t s o m e d e v e l o p m e n t s i n t e c h n o l o g y b u t f o r d r y i n g c h i n e s eh e r b ，i ts e e m s b e h i n d h a n d a f t e rb e i n gd r i e db y t r a d i t i o n a lw a y s ，t h eq u a l i t yo fc h i n e s e h e r bi sn o th i g h ，w h i c hl e a dt h ep r i c eo f c h i n e s eh e r bb ec h e a pt h a nt h o s e o fo t h e rc o u n t r i e s c h i n e s eh e r bi ss e n s i t i v et oh e a t ，i fd r y i n gt e m p e r a t u r e i st o oh i g h ，w h i c hw i l l l e a dt h ec h a r a c t e ri s c h a n g e da n dt h e v i r t u a l i n g r e d i e n t si sl o s t b a s e d o n t h a t ，t h i sa r t i c l ec o m e su p w i t ha t e c h n o l o g y t od r yc h i n e s eh e r b ，w h i c hi sm i c r o w a v e v a c u u l t id r y i n gt e c h n o l o g y m i c r o w a v ev a c u u md r y i n gt e c h n o l o g ym a k e su s eo ft h es p e c i f i c p r o p e r t i e s o fm i c r o w a v e ：t r a n s m i s s i o na n dc h o i c e ，w h i c hm a k e sw a t e r e a s yt oa b s o r bm i c r o w a v et ov f i p o r i z e ；b e s i d e s ，i tm a k e s u s eo fv a c u u m t e c h n o l o g y , w h i c h r e d u c et h eb o i l i n gp o i n to fw a t e r ，a n dc h i n e s eh e r bc a n b ed r i e dw i t hl o wt e m p e r a t u r e ，w h i c hc a ni m p r o v e t h eq u a l i t yo fc h i n e s e h e r ba f t e rd r y i n g t h i sa r t i c l ei n c l u d e st h e f o l l o w i n gp o i n t s a b o u tt h e d e s i g n o f m i c r o w a v e v a c u u md r y i n ge q u i p m e n t ： t od e s i g nt h ew h o l es t r u c t u r eo fm i c r o w a v e v a c u u md r y i n g 浙江工业火学硕士论文 中药材千燥设备 i 计及其控制系统仿真 3 ) 4 ) e q u i p m e n t ，i n c l u d i n gt h ep o s i t i o no fc o u p l i n gh o l e sa n d t h e d o o rw h i c hi s d e s i g n e db y t h e t h e o r y o fm i c r o w a v e t r a n s m i s s i o n ； t od i s c u s st h es t a n d a r d a l g o r i t h mp r o b l e m o fb pn e u r n n e t w o r k ，a n dp r o v i d e t h e i m p r o v e da l g o r i t h m ；s e t t i n gu p m o d e lo f n e u r a ln e t w o r ka n d t e m p e r a t u r ef u z z y c o n t r o lr u l e r ； t of o u n dd a t a b a s eo fc h i n e s eh e r bd r y i n gi n f o r m a t i o n ； t os i m u l a t et h e t e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e m t h r o u g h t h em o d e l o fn e u r a ln e t w o r ka n d t e m p e r a t u r ef u z z y c o n t r o l r u l e r , c o m p a r et h e c o n t r o lr e s u l t a m o n gp i d ，f u z z yc o n t r o l a n d n e u r a ln e t w o r kc o n t r 0 1 m i c r o w a v e v a c u u m t e c h n o l o g yd r i e sc h i n e s eh e r b w i t h i n t e l l i g e n t m e t h o d sc o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r e ，w h i c hi m p r o v et h eq u a l 时o fc h i n e s e h e r b w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g y , m i c r o w a v e - v a c u u m d r y i n gt e c h n o l o g y w i l lb eu s e d w i d e l y k e yw o r d s ：c h i n e s e h e r b ，m i c r o w a v e - v a c u u m ，d r y i n g ，n e u r a l n e t w o r k ，f u z z yl o g i cc o n t r o l ，s i m u l a t e 浙江工业大学 学位论文原创性声明 p7 4 9 5 7 b 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者虢弘，压丛 蹶舜月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和僭阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 t 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密毗 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者虢厶晤蓐丝臁驴，年旺月 引隧辄彬醐：掰f 月 j b 妒 浙江亡业大学顺l 论义中药材干燥、世蔷啦汁发j e 挣* r l 系统仿真 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 在中药产业体系中，中药材作为一种特殊商品，既是原材料，又是成品药。 因此，中药材的质量是中药产业的基础和关键。目前，在中药材干燥方面，采用 最多的还是晒干、烘干工艺。虽然这些传统的干燥技术积累了很多宝贵经验，但 由于缺少系统、科学的干燥理论和生产流程控制，使这些干燥工艺存在很大的缺 点，一是中草药的特殊性昧四气五味，即寒、热、温、凉四种药性，辛、甘、 酸、苦、成五种药昧，在干燥过程中往往得不到很好的保护，导致药材劣变、组 织结构破坏、药性改变、有效成分损失等问题；二是干燥时间长，对药材市场的 供应的效率低。这就是我国的药材为什么在国际市场上与其他国家的同种产品， 价格却相差很大的原因。本课题来源于浙江省科技计划项目( 2 0 0 4 c 3 1 0 1 3 ) ：智 能化中药材干燥系统的研究。 本课题的目的是利用微波技术和真空技术的结合，在中药材干燥过程中实现 智能化控制来解决常规干燥工艺存在消耗能源大、干燥后成品质量不高的缺点。 微波技术的运用在食品工业上得到了很快的发展，其主要原因是微波的穿透能力 强以及作用的选择性，这样可以节约大量能源，提高效率。而真空技术正好解决 了像中药材一类的热敏性物质在高温环境中有效成分结构被破坏的问题。微波真 空干燥技术集微波技术和真空投术的优点于一身，对中药材的干燥极为有利，与 常规干燥方法相比，具有能耗低、干燥时白j 短、干燥温度低，干燥后的药材色泽 好、质量高等特点一队温度控制是干燥过程中的一个熏要环节，系统对其控制 的好坏直接影响干燥后的中药材成品的质量。目前，中药材干燥的温度控制一般 都是采取传统的控制方法，如继电器控制。现场人员根据经验来控制中药材的干 燥是否结束。而这一环节往往不能保证中药材成品的高质量。基于此问题，本课 题研究的智能化控制系统主要是采用当前人工智能方法来实现中药材干燥中的温 度控制环节，使干燥工艺达到最佳，提高成品的质量，同时也节省人力能源的目 的。 浙江t 业人学砸l j 论义 中药材干燥设备杖计搜j e 牲制系统仿真 1 2 国内外微波真空干燥的研究现状 国外从8 0 年代后期丌始微波真空脱水干燥技术的研究，主要集中在美国威 斯康星卅i ) v & - ，宾夕法尼亚大学，加拿大u n i v e r s i t yo fb r i t i s hc o l u m b i a ，希腊 n a t i o n a lt e c h n i c a lu n i v e r s i t y 等几所大学。研究大体上可以分为两类：一类是实 验研究，利用经验或半经验的模型整理数据：另类是理论研究，主要是对微波 加热和微波干燥过程进行数值模拟和计算。 1 2 1 数学模型研究 由于干燥生产过程中在线检测水分含量及物料内部温度还比较困难，数学模 型的研究对干燥过程的优化和控制具有重要的意义。微波真空干燥过程的实质是 物料及水分吸收微波能，水分迁移扩散、蒸发，因此数学模型的研究主要集中在 下列两方面，一是研究物料吸收微波能的大小计算，物料内部温度场分布规律； 二是研究水分扩散、蒸发规律。由于被干燥物料的介电特性随水分变化而变化，因 此物料中电场分布及吸收的微波能是一个动态变化的过程，要十分准确确定需求 解动态麦克斯韦方程，这是十分困难的，在工程中也没有必要。因此许多研究都 是假设从物料表面输入的微波能是大小均匀且与表面垂直，并假设微波能在物料 内部呈指数衰减，再利用差分法或有限元法预测物料内部温度分布大小。关于微 波真空干燥过程中水分温度变化规律的模型研究较少，也不够成熟。 1t 2 - 2 应用研究 目前，国内外微波真空干燥技术已在轻工业、食品工业、化学工业、农业和 农产品加工等领域得到应用。英国的m c l o u g h l i n 研究了微波干燥药物粉的情况， 认为尽管微波干燥技术在多种工业应用中都证明是成功的，但药物对微波的吸收 辜仍然很低。法国的l e d i o n 对微波加热大量水溶液时表现出的系统性能进行了研 究，指出微波加热可在瞬时改变碳酸钙的平衡，并研究了控制温度和进行选择性 加热的方法。微波真空在瓜果、蔬菜脱水方面具有较大的潜力，果蔬含水量大，用 冷冻干燥成本极高。江南大学徐艳阳等做了热风和微波真空联合干燥甘蓝的试验 研究，试验结果表明，联合干燥比热j x l 干燥缩短干燥时间4 8 3 3 ，提高了产品的 浙江1 _ 业人学州i 论文中药材十燥搜备殴汁搜儿拧制系统仿真 营养成分、叶绿索的保存率，产品质构疏松等优点。中国农业大学梁凌云等进行 了微波干燥切花月季的规律研究，指出微波连续干燥不适合于干燥切花月季，应 该采用间歇加热干燥，试验结果表明微波加热1 0 s 、闻歇4 5 s 的干燥工艺最佳。 许多研究表明：微波真空干燥果蔬制品，其色香味及热敏性成分的保留率十分接近 冷冻干燥。而且能够最大程度她保留物料中原有的营养成分。例如，飚干青菜的 维生素、叶绿素等营养成分只能保留原有的3 ，阴干可以保留1 7 ，热片快速干 燥可以保留4 0 ，而微波真空干燥的有效成分可以保留到9 0 9 6 以上，因此，被称为 不变性脱水。 1 ，2 3 实验和工业微波真空设备 国外大学实验室研究微波真空干燥主要使用家用徽波炉，在其内放一个可密 闭的厚玻璃罐，玻璃罐接真空泵。其缺点是玻璃罐不能回转，加热不均匀，干燥 后期有热点。美国加州大学f r e s n o 分校食品干燥实验室研制的微波真空干燥中试设 备，最初是为干燥加州特产无籽葡萄而开发设计的，现在这项技术已成功推广到 数百种蔬菜、水果的干燥。该设备谐振腔是一个长4 0 f l 的不锈钢圆柱体，中间有 输送带，沿着长度( 输送) 方向，分成3 个干燥区。第一干燥区的微波功率密度较大 真空度大约11 3 3 3 1 9 9 k p a ，第二、第三干燥区的微波功率密度递减。 近两年我国南京三乐微波技术发展有限公司也成功开发了2 种型式的微波真 空干燥设备。第一种结构是矩形谐振腔中有若干个微波馈能口，腔内偏心安装一 个旋转托架，旋转托架上有1 2 个聚丙烯( p p ) 制成的框架，框架上放托盘和物料。 目前有1 0 k w 和2 k w 两种型号。第二种结构类似加州大学开发的圆筒结构型式，长 3 0 m ，直径1 1 5 m ，功率 0 0 k w 。 1 3 微波真空干燥的应用与特点 1 3 1 微波真空干燥的应用 微波真空干燥技术有其独特的| 丌发应用静景，可解决许多行业的干燥难题， 电有利于新产品的研制开发，尤其适用于干燥热敏性和厌氧的物料，形状不一、 含湿不均而要求均匀干燥的物料和要求快速深度干燥的物料，干燥效果好。 浙江工业大学预l 论史中药材干燥破需l 髓计发j e 控制系统仿真 ( 1 ) 在制药工业上的应用 微波真空技术在制药工业上的应用主要在以下几个方面：粉状、颗粒状、片 状等医药制品的干燥灭菌，中草药材的快速干燥、杀虫、灭菌。中草药微波萃驭， 口服液的杀菌等方面。目前利用微波在制药上应用的最多的是中饮片的制取。微 波干燥热得快、均匀、干燥温度低、时间短( 数小时可完成) ，不影响药材的外观 色泽及组织结构，且有杀菌、杀虫作用，操作环境好。经微波干燥后的饮片，其 含菌数降低9 9 ，挥发油的气相色谱图无多大变化，仅低沸点的挥发油明显减少， 而生物碱、内酯、有机酸等较稳定。 ( 2 ) 在食品工业上的应用5 】 对需要低温快干的滋补品( 如甲鱼、蛇、皇浆制品等) ，可以防止其有效成 分的丢失。对一些需要色泽好、膨松的食品( 如乳制品、含淀粉的食品、维生素 类的保健品) 和一些食品的脱水保鲜。 ( 3 ) 在化工行业的应用 必须低温干燥厌氧的化工原料，需要深度干燥的成型合成树脂、湖状和粉状 的化工原料( 如碳粉等) ，可进行有效的快速干燥。 ( 4 ) 在环保行业上的应用 含有有毒湿剂，可以对其进行回收或集中处理，如甲醛的木制品，含有机溶 剂( 如酒精) 的物料。 1 3 2 微波真空干燥的特点 和传统、常规的干燥方法相比，微波渗入物料内部更深。这所谓的体加热有 以下一些优点 6 】= ( 1 ) 常规加热时，温度表面高，内部低，这种温度分布，不利于水分迅速蒸 发。而微波加热里外一起热，同时因为表面较容易散热，往往是内部温度高于外 部，温度梯度方向和水分梯度的方向相同，传热和传质方向一致，促使内部水分 迅速蒸发，形成内部压力梯度，使水分很快扩散到表面挥发掉，这就使干燥时间 大为缩短。 ( 2 ) 在微波加热过程中，物料的加热是有选择性的。水和大部分有机溶剂的介 质损耗比物料要大，所以物料中的水分往往先被加热而蒸发。对于一些热传导性 浙江t 业大学颂卜论文 中药材干燥设薷设汁度j t 挖制系统仿真 差的物科可以迅速、彻底的进行干燥。 ( 3 ) 干燥速度快，不受形状、厚度影响：微波的穿透性加热和选择性加热能均 匀地、快速干燥物料。微波处理5 t o c m 厚度制品时，干燥时问可节省原来的3 0 9 g ； 若厚度增j i ：i n2 0 3 0 c m 时，则可节省时间6 0 以上。 ( 4 ) 节能降耗：热效率高，理论计算可达9 4 。 ( 5 ) 特别适用于微机的自动控制及操作。 微波加热和真空技术结合起来，可以保证干燥后的物料品质高，保存原物料 的色、香、口味和营养成分。园物料是在真空( 缺氧) 、较低的温度条件下完成。 酶和细菌不滋生，物料不变质、不氧化，又由于物料中水分的介电系数最大，微 波能输入物料里面时，水先受热升华，借助控制物料的温度，可以保证物料的营 养成分不会损失1 0 1 。 1 4 国内外温度控制研究现状 在工业发展的初期，对于温度控制，一般事手动操作阀门开度来达到温度过 程变量的调节，直到目前，在长期手动操作生产实践的基础上，总结出反馈控制 的理论。p i d 控制是最早应用于温度控制中的智能控制。随着生产的发展，出现 了许多其他的智能控制算法，例如，自适应p i d 控制，模糊p d 控制等等。随着 科学技术的发展，计算机具有精度高，稳定性好，可靠性强，灵活性好，实时性 好，存储能力强，运算能力强，自诊功能强等优点，已广泛应用于温度控制系统 中【7 l 。近年来，计算机的发展趋势是：一方面向着高速、智能化的超级巨型机的 方向发展，另一方面向着微型机的方向发展。 伴随着生产的发展，智能控制出现于工业生产中，比如，模糊控制、神经网 络控制、遗传算法控制等等。 1 4 1p f d 控制 p i d 控制即比例、积分、微分控制。自1 9 世纪4 0 年代开始一来，广泛应用在工 业生产中，长期以来，由于其结构简单、实用、价格低，在广泛的过程领域内可 以实现满意的控制。温度系统将红外线测温仪实时采集的温度值与设定值比较， 差值作为p i d 功能块的输入。p i d 算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输 浙江丁业人学根 ：论9 , 1 中药材十墚j 5 f 蔷砹计发j c 挣制系统仿真 出控制参数，利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制，使控制过程连续，是 很普通的调节方法。其缺点是现场p i d 参数整定麻烦，被控对象模型参数难以确定， 外界干扰会使控制不能达到最佳状态。 文献 1 1 j 提出一种p i d 参数自整定的温度控制算法，采用简化临界比例整定法， 只需整定一个参数，提高了参数的整定效率，用编程的方法实现在线参数自整定。 应用这种规则的系统特点是其瞬态响应超调最小，抗干扰能力强且振荡有足够 的阻尼，具有良好的选择性和灵敏度，效果得到了改善。 1 4 2 模糊控制 t 9 7 4 年，英国伦敦大学的教授e h m a m d a n i 首先成功地把模糊理论用于锅炉 和蒸气机的控制，这一开拓性的工作标志着模糊控制工程的诞生。1 9 7 5 年他和 p j k i n g 将模糊控制系统应用于工业反应过程的温度控制中。随后几年，模糊控 制慢慢被众多学者用于工业中。我国模糊控制理论及其应用研究工作是从1 9 7 9 年开始的。模糊控制获得巨大成功的主要原因在于它其有如下一些突出特点： ( 1 ) 模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，其 依据是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需 要建立被控对象的精确数学模型。因而使得控制机理和策略易于接 收与理解设计简单，便于应用： ( 2 ) 由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模 糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显 著的对象非常适用； ( 3 ) 模糊控制是基于启发性知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟 人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定 的智能水平。 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱， 尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。 1 4 3 模糊p l d 控制 模糊模型使用模糊语占和规则描述一个系统的动态特性及性能指标。其特点 浙江丁业丈学瑚k 论文中药材干燥设蔷蹬计搜j t 挖制系统仿真 是不需知道被控对象的精确模型，易于控制不确定对象和非线性对象，对被控对 象参数变化有强鲁棒性，对控制系统干扰有较强抑制能力。然而，模糊控制的局 限性在于对控制系统设计分析和标准缺乏系统的方法步骤，规则库缺乏完整性，没 有明确的控制结构。p d 控制嚣结构简单、明确，能满足大量工业过程的控制要求 特别是其强鲁棒性能较好适应过程工况的大范围变动。但p i d 本质是线性控制，而 模糊控制具有智能性，属于非线性领域。因此，将模糊控制与p i d 结合将具备两者 的优点，即用过程的运行状态( 温度偏差及温度变化率) 确定p i d 控制器参数，用p i d 控制率确定控制作用。主要的问题是合理地获得p i d 参数的模糊校正规则，其实质 是一种以模糊规则调节p i d 参数的自适应控制，即在一般p i d 控制系统基础上，加 上一个模糊控制规则环节。实验证明，模糊p i d 复合控制比单一的模糊控制或p i d 控制有更好的控制性能。 1 4 4 神经网络控制 人工神经网络是当前主要的、也是应用最广泛的一种人工智能技术，是种 采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息 处理方法。它用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络，拓扑结构算法 各异其中误差反向传播算法( b p 算法) 应用最为广泛。人工神经网络以高度的 非凡线性映射、自组织、自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线性系统建模。 该方法响应速度快，抗干扰能力强，算法简单，且易于用硬件和软件实现。训练 方法实际是网络的自学习过程，即根据事先定义好的学习规则，按照提供的学习 实例，调节网络系统各节点之间相互连接的权值大小，从而达到记忆、联想、归 纳等目的l 。 1 4 5 遗传算法控制 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m 简称g a ) 是模拟达尔文的遗传选择和自然淘 汰的生物进化过程的全局优化搜索算法。它将生物进化过程中适者生存规则与群 体内部染色体的随机信息交换机制相结合，通过正确的编码机制和适应度函数的 选择来操作称为染色体的二进制串1 或o 。引入了如繁殖交叉和变异等方法在所求 解的问题空间上进行全局的并行的随机的搜索优化，朝全局最优方向收敛。基于 浙江工业太学硕t 论文 中药材干煤设备设汁搜其摊制系统仿真 遗传算法温控系统的设计就是传感器得到的温度信号放大，数字化送入单片机， 单片机将其与给定温度进行比较，用遗传算法来优化3 个p i d 参数然后将控制量输 出。具体实现将3 个p i d 参数串接在一起构成一个完整的染色体。从而构成遗传空 间中的个体，通过繁殖交叉和变异遗传操作生成新一代群体，经过多次搜索获得 最大适应度值的个体即所求。在硬件上采用单片机控制，具有调试方便、温控精 度高、抗干扰性强等优点。在软件上采用遗传算法对p i d 参数进行优化控制，具有 很高的稳定度，温控精度高。 随着电子器件的发展，控制电路的形式也多种多样，无论是神经网络，模糊 控制还是遗传算法，都属于人工智能领域，同p i d 结合以调节p i d 参数，适应温 控系统非线性，干扰多，大时延，时变和分布变化的特点。目前也有用神经网络、 模糊控制、遗传算法三者结合来实现温度控制。 1 5 本文研究的主要内容 上述详细地介绍了本课题的研究背景、现状及现实意义。同时在阅读大量文 献的基础上，对国内外与本文相关的理论与技术进行了综述，并阐述了温度控制 系统的研究现状。由于常规干燥存在有效成分损失、干燥时间长等缺陷，本文提 出了基于智能方法控制的微波真空干燥技术对中药材进行干燥。微波真空干燥技 术的运用已比较成熟，但是结合智能方法控制，对中药材进行干燥，是本课题的 突出点。该技术很好的解决了常规干燥技术存在的问题，且提高了中药材干燥后 的质量。本文对微波真空干燥设备的结构进行了总体设计；然后以微波真空干燥 设备温度控制系统为研究对象，由于对象比较复杂，存在滞后、时变、非线性等 问题，而且对被干燥成品要求高，对于干燥的数学模型建立比较困难。常规p i d 控制器难以实现，因此将模糊逻辑与神经网络引入控制系统中。神经网络具有自 学习能力，以及能以任意精度逼近非线性连续函数的能力，因此，在现代控制中 得到广泛的应用。 本文主要完成以下几方面的工作： ( i ) 微波真空干燥的理论进行分析，然后对微波真空干燥设备的总体结构 进行设计：掌握微波传输理论，对微波能的入口位置进行计算，并设计 扼流门的结构，防止微波能的泄漏； 浙江工业大学硕士论文中药材干燥设备改计及其控制系统仿真 ( 2 ) 探讨b p 神经网络的标准算法存在的主要问题和若干改进算法及其优劣 和特点，引用实例，建立神经网络模型，进行模拟；掌握模糊逻辑控制 技术，建立温度模糊控制规则器； ( 3 ) 建立中药材干燥信息数掘库，查询干燥相关信息； ( 4 ) 利用建好的神经网络模型和模糊控制规则器，对系统的温度进行控制仿 真，将它们的仿真结果与p i d 控制进行比较。 浙江丁业人学i i ! ! j j 论殳中药材十燥设衙醴计，5 乏j e 挖制系统仿真 第二章微波真空干燥系统设计 2 1 微波干燥的基础知识 2 1 1 微波的概念 微波与无线电波、通讯雷达、红外线、可见光等一样，都属于电磁波，只是 波长不同。微波的波长在0 i m m 到i m 范围内，其低端接近于超短波，高频端接 近于红外线，微波所对应的频率为3 0 0 m h z 3 0 0 g h z ，其通常应用于电视、广播、 通讯技术中如表2 一l 。而近代微波用于加热和干燥，又拓展了一个分支技术， 微波可以在工农业上进行加热、干燥：在化学工业中进行催化、萃取等化学反应 和激发等离子体等等。家用微波炉的使用更标志着微波技术的日趋成熟。 由于电磁波的应用极为广泛和普及，特别是在通信领域，为了避免相互干扰， 国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 对频率的划分做了具体规 定。分配给工业、科学和医用的频率为4 3 3 、9 1 5 、2 4 5 0 、5 8 0 0 和2 2 1 2 5 m h z ，与 通信频率分开使用。目前我国工业上常用微波频率为9 1 5m h z 和2 4 5 0m h z 。 表2 - i 各种电磁波的不同用途 频率波长( m )名称一般应用：业应用 3 0 3 0 0 k h z1 0 4 1 0 3中波高频感麻加热 3 0 0 3 0 0 0 k h z1 0 3 1 0 2短波通讯、j “播高频介质 3 3 0 z1 0 2 1 0 短波 加热 3 0 3 0 0 m h z1 0 i 超短波通讯、电视、广播高频介质加热 3 0 0 3 0 0 0 m h zl 1 0 1电视、广播、微波通 微波加热及其应 3 3 0 g h z 1 0 。1 1 0 2微波讯、雷达、卫星通讯用 3 0 3 0 0 g h zi 0 - 2 1 0 。3等等 浙江工业大学坝l ：论殳中药材干燥 5 备设计及其控制系统仿真 2 1 2 微波干燥的机理 微波发生器的磁控管接受电源功率而产生微波，通过波导输送到干燥腚，需要 加热的物料在微波场的作用下被加热。微波的加热与常规的加热方式有本质上的 不同，后者是由外部热源通过热辐射由表及里的传导式加热，而微波加热是物料 在电磁场中由介质损耗而引起的体加热，也可以说微波加热是一种能量转化。能 量转化的机理有许多种，最主要的是离子传导和偶极子转动，丽微波加热干燥的 能量转化主要还是偶极子转动。物料中的水分( 极性分予) 在外电场的作用下。 每个分子均受到力矩的作用，使偶极子转动并取向外电场的方向，由于分子原有 的热运动和相邻分子之间的相互作用，使分子随外电场转动的规则运动受到干扰 和阻碍，产生“摩擦生热”，结果一部分能薰转化为热运动的动能，即以热的形 式表现出来，从而使物料的温度升高1 2 】。 假设所有的微波能都被物料吸收，那么物料单位体积内产生的热量为： p = 2 w f e 2 - 晶g - t a n 6 ( 式2 一1 ) 式中： 岛真空中的介电常数，氏= 8 8 5 1 0 1 2 e m 占介质的介电常数； e 电场强度： 万介质损耗角； 厂微波工作频率。 在物料干燥过程中的传质推动力也明显不同。常规加热的推动力是温度梯度， 传质的推动力是物料内部和表面之间的浓度梯度；在微波加热过程中，物料内部 产生热量，使物料的内部温度高于物料的表面温度，它的传质推动力主要是物料 内部迅速产生的蒸汽所形成的压力梯度。 2 2 干燥的过程 2 2 1 干燥过程分析 被干燥物$ ：i 在与某一状态干燥介质不断接触而进行干燥的过程中，物料需经 浙江1 二业大学f o f ji ：论文 中药材十燥设桥殴计艟j 井! 制系统仿真 历三个阶段【13 1 。 第一阶段称为升温阶段或预热阶段。在这一阶段中，物料将随时间的延长而 升温、减湿，甚至温度近似等于热空气的湿球温度。 第二阶段称为等速干燥阶段。在这阶段中，湿物料表面全部为非结合水所 润湿。在这个等速干燥阶段内的物料表面的温度就等于空气的湿球温度。同时由 于干燥是在恒定的条件下进行，空气的相对湿度、湿含量、流速均不变，这样， 空气与物料的温度应为一定值，空气与物料间的传热速率亦当恒定。但由于所传 递的热量全部用来汽化水分，故水分汽化的速率不会改变，从而维持了物料恒速 干燥的特征。若从质量传递的基本原理看，由于非结合水的蒸汽气压与同温度下 的纯水一致，在恒定干燥条件下，从蒸汽压与空气中的水蒸汽分压之差即传质推 动力不变，故湿物料能以恒定的速率向空气中汽化水分。在上述条件下，在物料 表面水分汽化过程中，若湿物料内部水分向表面的扩散速率等于或大于水分的表 面汽化速率，则物料表面总将维持湿润状态，物料的干燥速率也将停留在恒速干 燥阶段。 第三阶段称为降速干燥阶段。当物料中非结合水分被干燥出去以后，若干燥 过程继续进行，则物料中的结合水分将被除去。由于结合水分所产生的蒸汽压低 于同温度下水分的饱和蒸汽压，所以，水汽自物料表面扩散至干燥介质主流中的 传质推动力将变小，这样水汽传质速率必将降低，干燥速率也必将随着下降。在 恒速干燥阶段，干燥介质传递给物料的热量全部用于汽化水分，而目前则由于传 质速率的下降，这部分热量除供给己下降了的汽化水分所需的潜热以外，剩余的 热量将用于加热湿物料，故物料的温度将不会维持湿球温度而不断上升。干燥速 率的下降和物料温度的上升，使物料进入降速干燥阶段的标志。在某些颗粒状或 纤维状物料中，有很多大小不同的毛细管，其中微孔或小孔毛细管在其部分水分 被除去后，利用较强的毛细管力能把大孔的水分吸过来。所以，在于燥中，一般 总是大孔先干，小孔后干。在大孔部分先干后，就造成了物料干燥表面的减小， 这样，虽然这些毛细管水不一定产生蒸汽压的降低，但由于干燥表面积的减小而 使干燥速率下降，从而进入降速干燥阶段。此阶段可分成第一降速阶段和第二降 速阶段。 第一降速阶段：此阶段是耦合的传热传质过程，内部传输仍以液态水迁移为主 内部蒸发仍可忽略，表面蒸发仅发生在湿区，干区不发生蒸发。当表面完全干燥 浙江下业人学坝f 论文 中药材十燥啦并改计艟j c 挣制系统仿真 时，此阶段结束。 笫二降速阶段：蒸发前沿潜入物料内部，把被干燥物料分成干区和湿区两部分 水分主要以液态水的形式从湿区传输到蒸发前沿，井在浚处进入干燥环境中，这 是一个移动边界的传热传质机合问题。总之，如果物料内部的水分能有足够的速 度流向表面，及时补充被干燥的水分，则物料表面依然保持湿润，干燥速率也不 变；若内部水分流出的速率低于物料表面的汽化速率，则使物料温度升高、或部 分表面变干，从而进入降速干燥阶段。随着物料的不断干燥，其内部水分越来越 少，这样，水分由内部向表面传递的速率就越来越慢，干燥速率也就越来越小， 而物料温度则随之不断提高。 根据被干燥物料的性质不同和湿含量的不同，这三个阶段可长可短，形态多 样。第二阶段的恒速干燥阶段与第三阶段的降速干燥阶段的交界点，是以临界湿 含量来划分的。恒速干燥至临界湿含量时，即转入降遮干燥阶段。i 临界湿含量越 大，降速干燥阶段越长，干燥周期也越长。临界湿含量随物料性质、料层厚度和 干燥速率的不同而不同。生产实践中应尽量减小料层厚度或改善设备条件及调整 干燥速度等手段减小临界湿含量。 2 3 干燥系统设计 本课题所设计的干燥系统主要包括四个部分：微波发生器、干燥腔、真空系 统、控制系统，它的结构如图2 2 所示。先主要介绍该系统的机械部分。 图2 2 干燥系统的结构圈 浙江工业大学颁j 。论义中药材午燥设蔷砹计及j c 拄 i ；! | 系统仿真 2 3 。1 干燥腔 浚干燥腔体为立方形结构，用牌号为1 c r l 8 n i 9 t i 的不锈钢钢板焊接而成，材 料标准为y b 5 4 2 7 0 ，其表面采用机械3 h q - 1 7 1 ，并涂复非磁性材料。腔体内安装 两块托盘6 6 5 6 6 5 5 0 m m ，用于存放物料；腔体的顶端设计成波导管入射口， 供微波输入。为了使腔内微波能分布均匀，在入口处做一反射板和搅拌器。微波 与顶端成一定的角度进来，射到反射板上，反射板再将微波反射到搅拌器，搅拌 器以每分几十的转速转动，这样就可以使微波能在腔内的分布比较均匀。且在顶 端开一测温孔，并将法兰连接管焊在腔上，要与孔中心对准并垂直，将测温仪的 探头保护装置与法兰连接密封好，使探头对准托盘。在腔体的底端设有排湿孔， 它与捕集器相连，捕集器与真空泵连接。总体结构简图见附录1 。 2 3 1 1 腔体尺寸设计的依据 考虑到中药材的含水量不一样，要求干燥腔内的电磁场的分布尽可能均匀： 而干燥腔是一种多模腔，只要适当选择腔体的尺寸，就可以达到上面的要求。一 般情况下，腔体尺寸越大，出现的模式越多，多种模式的电磁场经过叠加就使整 个腔体内的场比较均匀；同时，腔体尺寸越大，也越容易匹配。 由于矩形腔体具有一般谐振腔的特点，也就是说矩形腔体可以看作是传输微 波的波导，那么微波在腔体内能够在某些特定的频率上产生谐振。设腔体的边长 分别为a ，b ，c ，腔的谐振频率和工作波长由下式表示： ( 式2 2 ) ( 式2 - 3 ) 式中，口，b ，c 分别是代表空间x ，y ，z 方向上干燥腔体的尺寸： v 波速； 肼n p 模式标号，即分别表示在x y ，z 方向上驻波半波长 的数目。 通常矩形干燥腔是个多模腔，m 月，p 的各种可能的组合分别代表腔内的一 4 浙江工业大学硕士论文 中药材干燥设番龇计搜j 掩制系统仿真 种电磁场分布结构，也称为一种工作模式。在多模腔中，不同模式是相互叠加的。 这样就避免了由于单一模式时，使物料的某些部分由于电磁场很强而受到过热， 另一部分却由于弱的电磁场而受热不足。 另外，对一个一定形状和尺寸的谐振腔来说，不同的模式具有不同的谐振频 率：同时，也会出现电磁场的结构不同，但谐振频率相同的不同模式，这些模式 称为“简并”模式。微波在波导中的传输以两种波型存在：t e 和t m ：它们又以 各自不同的模式传输微波。往往腔内的模式越多，电磁场结构就越多其分布就 越均匀，这样中药材得到的能量就越均匀。可见，腔内电磁场模式的多少与干燥 的均匀性是密切相关的，模式越多，电磁场越均匀。关予立方体的谐振腔的模式 可以通过下式( 2 3 】进行计算： m e + n 2 + p 2 ：4 2 ( 式2 - 4 ) l 其中，d 是谐振腔的边长，d = 6 7 c m ；工作波长a = 1 2 2 5 c m 。利用程序对上 式进行求解，可以得到, n ，, ，p 组合，见附录。 2 3 1 2 腔体结构 一般来讲，腔体的边长a ，b ，c 均取大于3 a ，当腔体的尺寸越大，它的表 面积就越大，因而表面积的涡流损耗就会增加，以至使热效率降低，所以，以表 面积与体积的比值为最小的效果最好。由此可以得知，当腔体为立方体时，热效 率的应用最高。若干燥设备的容积为3 0 0 升，则腔体的边长口= 6 = c = 6 7 0 r a m 。由于 腔体是有不锈钢做成，它对微波的吸收可以忽略不计，物料没有吸收掉的微波能 在谐振箱内穿透物料到达箱壁后，由于反射又重新折射到物料，这样，就能使微 波能全部用于物料的干燥。同时，由于微波腔体是密闭的，微波能的泄露很少， 不会危及操作人员的安全。 2 3 1 3 壁厚计算f 1 8 】 j = d 。舷+ c( 船5 ) 式中：d 0 腔体长度，m m ； e 材料的弹性模量，z ： 浙江t 业人学倾f + 论文 中药材十燥挫备垃汁发j e 挖制系统仿真 p 外压力，z ： m 稳定系数，我国脚= 3 ； c 附加厚度，c = c l + g + g ： c 钢板负偏差，r a m ： c 腐蚀裕量，腐蚀裕量根据介质的腐蚀速度和容器的设计寿命确定。 而对于不锈钢，c 、= 0 ： c 3 厚度在加工过程中由于拉伸作用而产生的减薄量，这里g = o 。 j = 67 0 = 5 9 + c ( 历m ) 可以查得，g = o 1 3 。那么，腔体的壁厚s _ 6 0 3 r a m ，这里取6 m m 。腔体的 尺寸及壁厚见图2 3 。 图2 3 腔体的边跃尺寸与壁厚 2 3 1 4 干燥腔的受压校合 对于本干燥系统，在干燥过程中，整个系统是处在2 0 个真空度左右，主要受 力分析就是对腔体进行分析。压力试验的目的主要是检查容器是否存在裂缝缺陷， 检验容器是否有可见的异常的变形。首先是要对腔体产生的周向薄膜应力，不应 超过材料常温下屈服极限的8 0 ： 盯：业掣 - - j 能力等一系列优点。但一般来说，神 2 5 浙江t 业大学坝i j 沦文 中药材十燥世蔷改计发j # 挖制系统仿真 经网络不适于表达基于规则的知识，因此在对神经网络进行训练时，由于不能很 好地利用已有的经验知识，常常只能将初始值取为零或随机数，从而增加了网络 的训练时间或者陷入非要求的局部极值。而将模糊逻辑与神经网络的结合，则网 络中的各个结点及所有参数均有明显的物理意义，因此这些参数的初值可以根据 系统的模糊或定性的知识来加以确定，然后利用学习算法可以很快收敛到要求的 输入输出关系，这是模糊神经网络比单纯的神经网络的优点所在。同时，由于 它具有神经网络的结构，因而参数的学习和调整比较容易，这是它比单纯的模糊 逻辑系统的优点所在。模糊神经网络控制已成为一种趋势，它能够提供更加有效 的智能行为、学习能力、