（农业机械化工程专业论文）基于模糊PID的花椒烘房温度自动控制系统的研究.pdf

中文摘要 曼曼曼曼曼曼_ 一一 一一m m 鼍曼曼鼍皇皇曼曼曼曼皇皇曼! 皇曼曼曼曼曼曼! 曼曼皇曼皇曼曼! 寰曼曼曼! 曼曼! 曼曼 基于模糊p i d 的花椒烘房温度 自动控制系统的研究 农业机械化工程专业硕士研究生丁珠玉 指导教师陈建教授 摘要 干燥是农副产品加工和储藏的重要手段，也是农副产品生产中应用极为广泛 的操作方法。目前，我国农村花椒干燥的主要方法仍采用自然晾晒法。由于自然 晾晒花椒所需时间太长，容易受到不同天气的影响，不利于花椒的采收和储藏， 而农村现有的花椒烘房完全依靠人工控制的方式，存在干燥不均匀，干燥速率相 对较慢，能耗损失较大等问题。 本文首次系统地将模糊p i d 温度自动控制技术应用在花椒烘房的自动干燥上， 研究对比了p i d 技术、模糊控制技术、模糊p i d 控制技术在自动控制系统中的功 能特点，并结合3 2 位a r m 处理器和g p r s 技术实现花椒烘房的自动控制和远程报 警提示，有利于解决目前农村地区自动控制设备通讯难的问题，能为我国农村花 椒干燥自动化应用寻求一条新的出路。 在控制方法的理论设计上，本文首先深入研究了花椒干燥过程中的不同物理 现象和现有的国内外研究成果，进行了温度控制系统实时数据采集与控制的大量 试验，在此基础上以花椒烘房内的温度为被控对象，分析了模糊p i d 控制器的不 同参数控制规则，利用m a t l a b 7 1 版本软件在计算机上建立了烘房两阶段的仿真 模型结构，并对模糊控制器、p i d 控制器和模糊p i d 控制器的控制性能和抗干扰能 力分别进行了仿真研究。仿真结果显示：模糊p i d 控制器性能优于模糊控制器和 p i d 控制器，具有调节时间短、超调量小、鲁棒性好、稳态误差在0 2 c 内的控 制精度、对干扰信号有很强的抑制能力。 在硬件电路设计上，本文采用了先进的3 2 位a r m 技术，系统的主芯片为s t 公司生产的微处理器芯片s t m 3 2 f 1 0 3 c b 。硬件电路设计了数字信号采集电路、数据 显示电路、键盘控制电路、抽风排湿控制电路、调温控制电路等；在系统安全性 设计上，设计了过压控制电路、过流保护电路、g p r s 远程无线报警提示电路；为 了尽量减少各单元电路被信号干扰的可能性，分别设计了各单元电路的干扰信号 抑制电路。 在软件设计上，本文以嵌入式实时操作系统u c o s i i 为温度控制系统的管理 两南大学硕一l ：学位论文 皇曼曼鼍曼曼皇曼舅曼曼皇曼曼量皇曼皇皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼i 一一 一_ i 皇曼曼曼曼曼舞! 曼曼曼 方案。它主要是控制其它程序运行，管理系统资源并为用户提供操作界面的系 统软件的集合。它可以对每个不同任务量的系统在软件进程上进行有条理的管 理。通过在u c 0 s i i 基础上建立f a t l 6 文件管理系统，并且驱动系统底层驱动函 数库( a p i ) 和不同子任务的功能子函数。整个温度控制系统软件程序主要完成： 系统初始化、温度采集、数据处理、温度曲线显示、打开关闭执行机构、超温保 护及超限报警等功能任务的软件调度与系统管理。 关键词：花椒干燥模糊p i da r m 技术温度自动控制 i l 英文摘要 孽孽鼍曼曼曼舞曼曼皇罡寰暑i ；一一一i i 一一一i i i 皇孽曼曼鼍皇蔓 r e s e a r c ho na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo f z a n t h o x y l u md r y i n gr o o mt e m p e r a t u r e b a s e do nf u z z y - p i d m a j o r ：o p t i c s a d v i s o r ：p r o f j i a nc h e n a u t h o r ：z h u y ud i n g ( 1 12 0 0 6 3 2 2 0 0 0 013 ) a b s t r a c t t h ed r y i n gi sa l li m p o r t a n tm e t h o do fp r o c e s s i n ga n dp r e s e r v i n ga g r i c u l t u r a la n d s i d e l i n ep r o d u c t s ，a n di ti sw i d e l ya p p l i e di nt h ea g r i c u l t u r a la n ds i d e l i n ep r o d u c t s p r o c e s s i n gf i e l d p r e s e n t l y , t h em a i nm e t h o do fd r y i n gz a n t h o x y l u m i sa i r - c u r i n gd r y i n g i nr u r a la r e a s ，t h ea i r - c u d n gd r y i n gi se a s i l ya f f e c t e db yt h ew e a t h e r , s oi tg o e sa g a i n s t z a n t h o x y l u mh a r v e s ta n dz a n t h o x y l u n ls t o r a g e h o w e v e r , t h er u r a ld r y i n gh o u s eh a s s o m ed i s a d v a n t a g e so fc o m p l e t e l ym a n u a lw a y , s l o wd r y i n gr a t e ，h i g he n e r g y c o n s u m p t i o n n o n a u t o m a t i cc o n t r o la n ds o0 1 1 t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oa p p l y a d v a n c e da u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g yi nd r y i n gz a n t h o x y l u m i nt h i sp a p e r , t h ef u z z y - p i da u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g yi s f i r s ta p p l i e d s y s t e m a t i c a l l yi nt h ez a n t h o x y l u md r y i n gh o u s e ，t h i sp a p e rc o m p a r e st h ef u n c t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c so fp i dt e c h n o l o g y , f u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g y , f u z z yp i dc o n t r o l t e c h n o l o g y , a n dc o m b i n e sb o t h3 2 - b i ta r mp r o c e s s o ra n dg p r st e c h n o l o g y t or e a l i z e a u t o m a t i cc o n t r o ia n dr e m o t ea l a r m i ti sb e n e f i c i a lt os o l v et h ec o m m u n i c a t i o n d if f i c u l t yp r o b l e mo fa u t o m a t i cc o n t r o le q u i p m e n t ，a n ds e e k san e wo u t l e t f o r z a n t h o x y l u md r y i n gi nr u r a la r e a s i nc o n t r o lm e t h o dt h e o r yd e s i g n ，t h i sp a p e rd e e p l ys t u d i e sd i f f e r e n tp h y s i c a l p h e n o m e n o n so fz a n t h o x y l u md r y i n g ，c o l l e c t sm a n yr e s e a r c hr e s u l t s a th o m ea n d a b r o a d a n dm a k e sal o to fe x p e r t m e n t so nr e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o lo fa t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m o nt h i sb a s i s ，u s i n gt h et e m p e r a t u r eo fz a n t h o x y l u md r y i n g h o u s ea sac o n t r o l l e do b j e c t ，t h ep a p e ra n a l y s e sc o n t r o lr u l e so fd i f f e r e n tp a r a m e t e r so f f u z z yp i dc o n t r o l l e r , e s t a b l i s h e st h es i m u l a t i o nm o d e lo ft w os t a g e sd r y i n g ，a n d i i i 两雨人学硕i ：学位论文 s i m u l a t e st h ec o n t r o lp e r f o r m a n c ea n da n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo ff u z z yc o n t r o l l e r , p i d c o n t r o l l e ra 职df u z z yp i dc o n t r o l l e rb yu s i n gm a t l a b 。t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ef u z z yp i dc o n t r o l l e ri sb e t t e rt h a nt h ef u z z yc o n t r o l l e ra n dp i dc o n t r o l l e r , a n d i th a st h ea d v a n t a g e so fs h o r ta d j u s t i n gt i m e ，s m a l lo v e r s h o o t ，g o o dr o b u s t n e s sa n ds o 0 n i nt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，a na d v a n c e d3 2 b i ta r mt e c h n o l o g yi su s e d 。a n dt h e s t m 3 210 3 c bm i c r o p r o c e s s o rc h i pi st a k e na st h ek e yc h i p i nt h i s s y s t e m 。t h e h a r d w a r ec i r c u i tc o n s i s t so fd i g i t a ls i g n a l a c q u i s i t i o nc i r c u i t ，d a t ad i s p l a yc i r c u i t ， k e y b o a r dc o n t r o lc i r c u i t ，v e n t i l a t i o na n dd e h u m i d i f i c a t i o nc o n t r o lc i r c u i t a r e m p e r a t i o n c o n t r o lc i r c u i t i nt h es y s t e ms e c u r i t yd e s i g n ，t h es y s t e mc o n s i s t so f o v e r v o l t a g ec o n t r o l c i r c u i t ，o v e r c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i t ，g p r sr e m o t ew i r e l e s sa l a r mc i r c u i t f u r m e n n o r e mo r d e rt or e d u c et h es i g n a li n t e r f e r e n c eo fv a r i o u su n i tc i r c u i t s ，t h es y s t e md e s i g n s t h e i n t e r f e r e n c es i g n a ls u p p r e s s i o nc i r c u i tf o re a c hu n i tc i r c u i t i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h i ss y s t e mu t i l i z e se m b e d d e du c o s i i s y s t e ma st h e r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，i t sm a i nf u n c t i o n sa r et oc o n t r o lp r o g r a mr u n n i n g , m a n a g e s y s t e mr e s o u r c e s ，p r o v i d eu s e r sw i t ht h es y s t e ms o l t w a r eo fo p e r a t i o ni n t e r f a c e m e a n w h i l e ，i tc a no r d e r l ym a n a g ed i f f e r e n tt a s kl o a d si ns o f t w a r ep r o c e s s o nt h eb a s i s o f u c o s i is y s t e m ，b ye s t a b l i s h i n gt h ef a t i6d o c u m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ，d r i v i n g a p if u n c t i o nl i b r a r ya n dp e r f o r m a n c ef u n c t i o no fd i f f e r e n tt a s k ，t h es o f t w a r ed r o g r a m s o fw h o l et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mc a l l a c h i e v em a n yf u n c t i o n s ，s u c ha ss y s t e m i n i t i a l i z a t i o n , t e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，t e m p e r a t u r ec u r v e d i s p l a y , o p e n i n ga n dc l o s i n ga c t u a t o r , o v e r t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o n ，o v e r r u na l a r ma n ds oo i l k e y w o r d s ：z a n t h o x y l u md r y i n gf u z z yp i da r m t e c h n o l o g y t e m p e r a t u r ea u t o m a t i cc o n t r o l i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者：丁喈护 签字日期：砂哆年j 月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的 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、汇编学位论文。 ， ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：酣不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：丁吁抄 签字日期：彬7 尹年j 月f ，形日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 。1 研究目的和意义 花椒( z a n t h o x y l u mb u m g e a n u mm a x i m ) 又名秦椒，川椒。是一种经济价值很 高的油料树种，它的果皮含芳香油达4 9 ，香味独特，是食品烹调中的著名 调味品，种子可榨油食用，出油率可达2 2 , - - - - 2 5 ，除食用外，亦可用于制药、 制肥皂、工业用油和油漆原料，饼渣可作牲畜饲料或肥料n 2 1 。花椒干燥是指在自 然条件或人工控制条件下使物料中水分蒸发的过程。干燥的目的不仅要将食品中 的水分降低到一定水平，达到干藏的水分要求，又要求物料的品质变化最小，有 时还要改善物料质量；干燥过程涉及热和物质的传递，需控制最佳条件以获得最 低能耗与最佳质量；干燥过程常是多相反应，综合化学、物理化学、生物化学、 流变学过程的结果；经过干燥的花椒，其水分活性较低，有利于在室温条件下长 期保藏，以延长其市场供给期，平衡产销高峰；干燥后的花椒重量减轻、容积缩 小；容积缩小和重量减轻可以显著地节省包装、储藏和运输费用，并且便于携带， 有利于扩大市场流通口1 。 目前国内外对花椒干燥自动控制的应用研究较少。在国外日本和韩国对花椒 试验研究较早。但日本是将花椒作为一种调味料和药用植物进行研究开发，如苗 木繁殖、优良品系的选择、田间管理、产品开发应用等，韩国一直将花椒作为食 用和药用植物，研究范围主要是选育无果穗、果粒大、无刺的优良品系，对花椒 的干燥研究很少n “3 。我国虽然是花椒的原产国，但目前研究的主要方向是围绕花 椒优良品种的培育及花椒病害的预防，关于花椒采收、加工方面的研究相对较少。 在花椒干燥的前期研究中，2 0 0 4 年，重庆市巴南区水利农机局农机化技术推广服 务总站与重庆玉皇花椒发展有限公司联合引进了j m l - b 型全自动燃煤热风机，对 干燥仓内的鲜湿花椒采取了仿日晒加温排湿的干燥方法，进行了花椒的机械化干 燥试验，取得了一定成效，但这种干燥方式价格昂贵，干燥手法单一，对花椒的 品质有一定的影响，不利于大面积推广。在参考文献 6 、7 中提出了花椒干燥对 比试验研究；利用热风干燥和微波干燥的对比试验研究，试验因子是风速和温度， 结论是热风干燥的花椒品质比微波干燥的花椒品质好，微波干燥的花椒品质不尽 人意。在参考文献 8 中利用热风恒温干燥和热风分阶段干燥花椒的方式，对花椒 干燥时的余热和铺层厚度进行了试验研究，结论是花椒干燥时的余热和铺层厚度 对干燥的时间和品质有影响，间隙阶段的时间和铺成厚度依靠人工控制很难精确 掌控。本文首次采用模糊p i d 温度自动控制的方式，在铺层厚度一定的情况下， 分阶段地对烘房的花椒进行烘烤。同时，结合3 2 位a r m 处理器和g p r s 技术实现 系统的远程报警与控制。采用该技术可以解决目前农村干燥设备的处理速度慢、 两雨大学硕1 ：学位论文 控制精度低、通信难的问题。可以有效地降低能源消耗，从而提高生产效率，为 花椒干燥在生产中的应用提供一条新途径，具有较大的现实意义。 1 2 国内外农副产品干燥设备的发展现状 早在2 0 世纪初期，我国农副产品干燥一般采用晾晒为主，但如果遇到霉雨季 节，采收的农副产品容易腐烂，会带来大量的经济损失。为了防止收获的农副产 品霉变，许多农民开始采用大型煤灶，对农副产品进行加温烘烤，去除农副产品 中的水分，达到更加长久的存储时间。由于该方式在烘烤农副产品时烘房内保温 效果差、人工控制效果随意性大、劳动强度大、能源消耗大，烘干的农副产品质 量得不到很好的保证呻“训。到了2 0 世纪中后期，我国的农副产品干燥设备的研究 有了一定进展，逐步产生了一些新的干燥方法。在这些方法中按干燥设备的干燥 方式来分有微波干燥、流化床式干燥、气流干燥器等。按干燥的连续性则可分有 批次干燥和连续性干燥；按干燥时空气的压力分有常压干燥、真空干燥等；按干 燥能源来分有太阳能干燥、空气对流干燥、热传导干燥、能量场作用下的干燥和 综合干燥。 ( 1 ) 微波干燥 微波干燥是近年来广受关注的一种干燥方法。与传统烧煤烘烤方式相比，可 缩短花椒的干燥时间，提高干燥效率，能量利用率高。朱德全等针对玉米热风干 燥存在的问题，运用自制的微波干燥试验测试系统，采用不同的干燥功率、加热时 间及配套的工艺流程，研究了玉米微波干燥特性及干燥条件对干后品质、能耗的影 响，分析了微波干燥玉米过程中单位质量功耗、温度、平均失水速率与玉米籽粒发 芽率、裂纹率和淀粉得率的关系，确定了影响微波干燥玉米的工艺参数和玉米微波 干燥的最优工艺流程1 。韩清华等对膨化苹果脆片进行了微波干燥特性研究，综 合分析了微波真空干燥膨化苹果片的干燥能力、能量消耗、感官质量、维生素c 质量分数和微观结构，并以纯热风干燥的苹果片为对照样品，进行了对比分析评价 n 钔。陈燕、陈羽白针对荔枝热风干燥中存在的问题，应用自制的微波干燥试验测试 系统，采用间歇干燥工艺，试验研究了荔枝微波干燥特性及干燥条件对干后品质、 能耗的影响n 3 1 。赵超利用功率分别为8 0 0 w 、5 0 0 w 、2 9 0 w 的微波对花椒进行了间歇 式干燥试验，并应用自制的微波干燥试验测试系统检测了花椒的质量和温度1 。但 是，在参考文献 6 、7 中郑严提出了花椒微波在干燥过程中，容易破坏花椒的“油 胞”，容易使部分花椒粒产生“气壳 ，还会使花椒果实上的油腺体内的芳香油渗 透到果肉中，造成“油浸 ，导致花椒色泽发黄，品质下降。 ( 2 ) 太阳能干燥 太阳能干燥n 力是利用太阳光中的远红外线进行农副产品的干燥，太阳能干燥 2 第1 章绪论 有设备简单、效率高、节约能源和人力、不污染环境等优点。参考文献 1 8 通过 与传统的干燥方法( 如阳光下晾晒、用常规能源加热烘烤等) 的干燥质量相比可 以很明显的看出，用太阳能干燥器干燥的物料质量高，成品率高，颜色美观，如 采用大阳能干燥操房与地垄大坑复合干燥后的人参不脱皮，内芯棕红，外表呈花 生皮色，整体形象完美，块体含水率达到1 8 。与采用以往方法干燥的白枝须参相 比，外销验等高出1 个等级。但太阳能与其它干燥设备相比也存在以下缺点：1 ) 太阳能是间歇性能源，能源密度低、不连续、不稳定；2 ) 单独使用太阳能时，干 燥室温度低、波动大、干燥周期长。简易太阳能干燥虽投资少，但容量小，热效 率低；而大中型的投资大、占地面积大。3 ) 太阳能干燥常需要与其它能源联合， 如太阳能一热泵，太阳能一蒸汽，及太阳能一炉气等形式，使干燥设备的总投资 增加。4 ) 迄今尚未解决太阳能的低成本的有效储能问题，一般常用的岩石、卵石 储能及水箱储热等，效果都不太好，且占地面积大n 蝴1 。 ( 3 ) 流化床干燥干燥器 流态化干燥技术在2 0 世纪9 0 年代发展起来的一种新的干燥技术。由于适应 不同物料要求及对成品的不同要求，出现了下列几种不同形式的流化床干燥器口副。 大体可分为单层圆筒流化干燥器、多层圆筒流化干燥器、卧式多室流化干燥器、 喷雾流化干燥器、惰性粒子流化干燥器和喷动床干燥器。流化床干燥器的进步主 要集中在以下几个方面：振动流化床干燥器流态化干燥是最重大的改进和革新， 目前应用最广的卧式振动流化床干燥器，形状和基本结构与普通卧式流化床干燥 器很相似。分别在于前者整个机体通过弹簧支撑在底座上，多孔板稍向出料端倾 斜，机体侧或两侧装有振动电动机。物料依靠机械振动和穿孔气流双重作用流化 并在振动作用下向前运动。它可以在很低的气速下可获得均匀的流化，从而大大 降低了能耗、颗粒间的磨损和粉尘夹带。物料停留时间分布均匀，几乎可以认为 是“活塞式运动”，而且停留时间易于控制，因此可获得非常理想的产品含水率。 ( 4 ) 气流干燥器 气流干燥器包括旋转气流干燥器和闪蒸干燥器。旋转气流干燥器是利用流态 化结合传导传热原理，使气体夹带物料颗粒从切线方向进入旋转干燥室，沿热壁 产生旋转运动，使微粒颗粒处于悬浮旋转运动状态，因此即使在雷诺数较低的情 况下，颗粒周围的气体边界层处亦能呈高度湍流状态。由于切线运动，使气固两 相相对速度大大增加。此外，由于旋转运动使颗粒粉碎、气固相接触面积加大， 也强化了干燥过程。 闪蒸干燥器国内也称旋流干燥器，旋转快速干燥器，是处理膏状物料的理想 设备。在1 9 9 0 年从丹麦引入我国，最早应用在染料行业。到目前为止，经过广大 工程技术人员的不懈努力，己经把原来的机型改变了多种型式，进风方式也由原 西南人学硕- j ：学位论文 来的狭缝进风增加了切线进风，可以降低系统阻力。加料方式也由原来的单螺旋 进料增加了双螺旋进料，同时又增加了物料的分级功能，有效保证了产品粒度。 根据不同物料采取与其它干燥设备串联的方式，又增加了设备的应用范围乜射。 在国外，日本和韩国对干燥设备的前期研究较早，并取得了一定的新技术成 果，尤其是在物料干燥的基础理论和应用装置研究方面取得了较大得进步，开发 出了许多针对工业用途的干燥技术，在干燥技术方面的专利数( 1 9 7 8 - 2 0 0 0 年之间) 领先于美国和欧洲。 ( 1 ) 细川微粒子株式会社( h o s o k a w am i c r o nc o r p ) 于1 9 9 9 年独立开发的 d r y m e i s t e r 装置，具有粉碎、干燥和分级联合功能。滤饼、糊状或浆状物料进入 该装置内，在下部粉碎转子的回转作用下，湿物料被破碎分散成微小的粒子，同 时与从下部进入的热空气充分接触，发生瞬时的热质交换，从而将其干燥成粉体 产品。在上部设置多也片的分级转子，通过调控其回转速度来调节产品的湿含量 的粒度，使达到要求的湿含量和粒度的粉体随气流从叶片间隙中穿过而被收集为 产品钔。 ( 2 ) 鉴于传热阻力是过热蒸汽干燥中物料内部水分迁移的一个速率限制因素， 柴田弘道提出了一种新的干燥方法过热蒸汽一微波干燥。它结合了过热蒸汽和微波 两种干燥方式。微波干燥时，能量可以直接被物料中的水分吸收而实现均匀的加 热。其实验结果表明，采用联合的方式观察到清楚的恒速干燥阶段，而且在降速 干燥阶段也得到了更高的速率。在两个干燥阶段，干燥速度都比仅用过热蒸汽加 热要高，尽管临界湿含量的变化很小蚴。此外，在联合模式下，与氮气和微波联 合加热的结果相比，标准化的干燥速率高，且临界湿含量低。 ( 3 ) 深红p o w t e c k 开发的h i g hf l e xg r a l 装置在垂直和水平方向分别设置搅 拌器和破碎装置，可以进行对流传热( 热风) 、热传导( 夹套) 或微波方式提供热量呻1 。 装置中的桨叶为中空结构，且在底部与背部的多个位置开孔在桨叶回转过程中吹 出热空气( 4 0 1 5 0 ) ，与湿物料均匀接触。水平方向的破碎装置及搅拌器，可 以将大块物料破碎，使颗粒粒径范围缩小，无干燥不均匀和结块现象发生。比如， 对于浆料( 含湿量6 0 - - 8 0 ) ，初始阶段可以用真空泵减压，排出水分，接着在 夹套内通入蒸汽、温水或热介质油，通过热传导方式将物料含湿量降至3 0 - 4 0 ：之后，通过热空气干燥至要求的湿含量( 也可以用热辐射或微波辅助干燥) ， 从而实现高效率。 ( 4 ) 三友工学株式会社开发的u s s ( u l t r as u p e rs o n i cs t e a md r y e r ) 干燥装 置，利用了超音速冲击波对湿物料进行破碎、蒸发和干燥操作。在该装置中，高 压饱和蒸汽经减压后，在喷射作用下吸引燃烧气体( 热风) ，与蒸汽进行混合，产 生高温高压的过热蒸汽。此时形成的亚音速蒸汽流经收缩管道，被加速，形成马 4 第1 覃绪论 ! 曼曼曼 a i _ _ i 1 1mi i 曼曼量曼曼皇皇鼍曼量! 曼曼 赫数为1 的亚音速气流。之后，该气流发生多次膨胀和收缩，形成菱形状的冲击 波，从喷嘴喷射出来。该冲击波将含有水分的固形物破碎成细小的粒子：由于干燥 表面积大幅度增加，在与过热蒸汽接触时被瞬时蒸发和干燥( 装置内温度为9 0 0 - 1 2 0 ) 。为了防止已干产品吸湿，也可以在喷射作用下，吸入热空气，以降低水 汽的浓度圆】。 1 3 温度自动控制技术发展现状 在温度自动控制领域中，无论是经典控制理论还是现代控制理论，都是建立 在系统的精确数学模型基础之上的。但在实际系统中被控对象一般都具有关联性、 非线性、不确定性、大惯性、大滞后性和时变性的特点，这里的关联性不仅包含 过程对象中各物理参数之间的耦合交错，而且包含被控量、操作量和干扰量之间 的联系：非线性既有非本质的非线性，又有本质非线性；不确定性不单指结构上 的不确定性，而且还指参数的不确定性。由于被控对象的这种复杂关系，决定了 系统控制过程中不同参数之间控制的艰难性呻1 。 随着微处理器技术的发展，极大地推动了温度自动控制系统的进步，而现代 控制理论、人工智能的发展，为控制系统的理论领域增加了新的内容。微处理器 硬件与控制软件的紧密结合必然导致新控制系统的出现。产生了如下一些控制策 略和控制方法。 1 ) p i d 控制法，在传统温度自动控制系统中，应用最为广泛的调节器控制规 律为比例p ( p r o p o r t i o n a l ) 、积分i ( i n t e g r a t i n g ) 和微分d ( d i f f e r e n t i a t i o n ) 控制，简 称p i d 控制，又称p i d 调节口7 1 。p i d 控制器问世至今已有近7 0 年历史，它以其结 构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为温度控制领域的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论 的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确 定，这时应用p i d 控制技术就比较方便。p i d 控制，实际中也有p i 和p d 控制。它 是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例( p ) 控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当 仅有比例控制时系统输出存在稳态误差( s t e a d y s t a t ee r r o r ) 。积分( i ) 控制 是控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果 在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统 ( s y s t e mw i t hs t e a d y - s t a t ee r r o r ) 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入 “积分项”，即积分( i ) 控制，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增 加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大， 它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+ 积分 两南大学硕上学位论文 ( p i ) 控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。在微分控制中，控制器的输 出与输入误差信号的微分( 即误差的变化率) 成正比关系，即微分( d ) 控制，自 动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存 在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差 的变化。解决的办法是使抑制误差的作用变化“超前 ，即在误差接近零时，抑制 误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例项往往是不够的， 比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误 差变化的趋势，这样，具有比例+ 微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作 用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞 后的被控对象，比例+ 微分( p d ) 控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 p i d 控制也有许多不足之处，最突出的一点就是有关p i d 参数的问题。首先， p i d 无自适应能力。p i d 控制器的参数必须相对于某一模型已知、系统参数已知的 系统。而且p i d 参数一旦整定完毕，便只能固定地适用于一种情况。但实际的大 多数生产过程都具有非线性，且特性随时间的变化而变化，显然固定的一组参数 是不能满足这种变化的。其次，p i d 的参数只能为满足生产过程控制目标的某一方 面要求而整定的。而之中人们要求的设定值跟踪特性和干扰抑制特性却往往满足 不了要求，使控制达不到最佳效果。 2 ) 模糊控制法，该方法是基于模糊逻辑描述一个过程的控制算法，它不需要 被控对象的精确模型，仅依赖于专家和现场操作人员的经验和自觉判断口引。早在 1 9 6 5 年美国l a z a d e h 教授首先提出了模糊集合和模糊控制的概念，之后许多国家 都投入了大量的研究人员对模糊理论和模糊控制进行研究。尽管模糊集理论的提 出至今只有几十年的时间，但关于模糊理论和算法、模糊推理、工业控制应用、 模糊硬件与集成、以及稳定性研究等方面的许多重要论文都极大地促进了模糊控 制理论的应用与发展。尤其是在最近十几年，针对复杂系统的自学习与参数( 或规 则) 自调整模糊系统方面的研究，广泛地受到了各国学者的重视。在1 9 7 4 年英国伦 敦大学教授e f - l m a m d a n i 利用模糊控制语句构成模糊控制器，首次将模糊控制理 论应用于蒸汽机及锅炉的控制，取得了优于常规调节器的控制品质，到目前为止 他是第一个在工业控制应用上取得应用成果的科学家。随后，丹麦、美国与日本 的学者相继将模糊控制方法成功应用在温度、热水装置、压力与液面、交通枢纽 指挥、水泥窑生产过程与汽车速度等自动控制系统中。在1 9 8 3 年日本学者m s u g e n o 和k m u r a k a n i 将一种基于语言真值推理的模糊逻辑控制器应用于汽车速度控制， 并取得成功。1 9 8 4 年美国科研人员也相继推出了“模糊推理决策支持系统 。到了 8 0 年代末，日本开始兴起模糊控制技术在高科技领域广泛地应用，使得日本的模 糊控制理论研究和应用水平处于世界领先地位。目前，美国国家航空航天局( n a s a ) 6 第1 章绪论 正在考虑把模糊系统运用于太空和航天系统。国际原子能机构( i a e a ) 和国际工业 应用系统机构( i i a s a ) 也准备在大型系统高速推理上应用模糊系统理论。在航天器 空间对接的研究中，国外已将模糊控制应用于绕飞和最后逼近阶段的控制，克服 了难以建立精确数学模型的困难；在空间机器人控制系统中应用模糊控制，使其 对负载和工作条件的变化有很强的适应性。 我国在模糊控制理论及其应用方面的研究是在1 9 7 9 年开始进行广泛研究的， 通过几十年的研究取得了显著的成果。1 9 8 1 年成立了中国模糊系统和模糊数学学 会，并创建了世界上第二种模糊专业学术杂志模糊数学。随着模糊理论及 其技术的发展，该杂志在1 9 8 7 年改名为模糊系统与数学。目前我国已经成为 模糊数学研究四大力量之一( 美国、西欧、日本及中国) ，也是世界上模糊控制技 术研究的领先者之。在模糊辨识、模糊控制、模糊集合论、模糊聚类分析、模 糊图像处理、模糊模式识别等领域取得了不少有实际影响的结果。到了8 0 年代末， 李宝绥、刘志俊等人设计了一类缺乏数学模型的控制器，对模糊控制器的特性进 行了仿真，并与p i d 调节器进行比较，结果表明，模糊控制器对单位阶跃响应具 有速度较快、精度较高以及对参数变化不敏感等优点。1 9 8 6 年，都志杰等人用单 片机研制了工业用模糊控制器。随后，何钢等人相继将模糊控制方法成功应用在 碱熔釜反应温度，玻璃炉窑、化工大滞后过程、功率因数补偿、九管还原炉与选 矿破碎过程、锅炉与甜菜制糖控制系统中1 4 8 - 6 13 。 3 ) 模糊p i d 控制法，工业控制中，许多被控对象是典型的非线性迟滞系统， 且容易受到诸多因素的干扰。对于这些非线性系统，传统的p i d 控制方法难以达 到满意的结果。模糊控制对于克服系统的非线性、时变性具有一定的优势，但是 由于模糊控制只能取有限的控制等级，不能消除稳态误差，限制了控制精度的提 高。常规p i d 控制能使控制精度大大提高且能消除稳态误差，但是用固定参数的 p i d 控制器难以保证非线性、时变性系统长时间稳定运行。而在花椒烘房的干燥过 程中，整个烘房内温度不断在随着时间的变化而变化、整个温控系统有较大的非 线性和滞后性，单的模糊控制器和单一的p i d 控制器对这种控制就效果不佳了， 如果系统参数发生变化时，控制性能会产生较大的变化，控制特性可能还会变坏， 严重时可能导致系统的不稳定，会产生整个系统瘫痪的问题哺糊1 。 因此，本文针对这一类控制系统的特点，采用模糊p i d 控制，可以使p i d 控制 和模糊控制在不知道精确的烘房内温度的数学模型时，p i d 控制输出参数自整定， 模糊控制提供良好的动态响应，综合性地解决传统单一模糊控制和p i d 控制的动、 静态特性不太理想的难题。使非线性迟滞的控制系统既有很强的鲁棒性，又有很 高的控制精度，从而使系统达到最佳控制状态 7 两南大学硕i ：学位论文 1 4 我国农村花椒干燥的现状 通常干燥花椒的方法有三种：一是晾晒，二是火炕干制，三是人工烘干。在 生产上主要以晾晒干制为主，若遇连日阴雨，无法晒制时，则可采用火炕或者烘 房干燥。 ( 1 ) 晾晒。是指将当日清晨采收来的鲜湿花椒平铺在地上，利用自然太阳光对 鲜湿花椒进行晒干。晾晒方式会使接近地面的花椒粒产生“气壳 ，同时使花椒果 实上的油腺体( 油胞) 内的芳香油渗透到果肉中，造成“油浸。油浸的花椒晒干后 腺体下凹，色泽变黄，品质大减，降低商品价值。 ( 2 ) 火炕干制。是指在晾晒期间遇到阴雨天气时，将采摘的鲜湿花椒平铺在火 炕上，利用火炕的温度，应由低到高，逐渐升温，模拟自然太阳光对鲜湿花椒进 行晒干。火炕干制温度升高或者降低不好掌控容易产生“气壳 、“油浸、烘烤不 均匀等现象。 ( 3 ) 人工烘干。是指在晾晒期间遇到阴雨天气时，将采摘的鲜湿花椒利用人工 烘烤的方法，对采摘的鲜湿花椒进行人工烘干。人工烘干温度的变化随意性较大， 容易使花椒烘烤品质降低、烘烤不均匀、产生“气壳 、“油浸 等现象。 1 5 我国农村花椒干燥所面临的问题 由于花椒成熟期为7 - 1 0 月，要满足全年的市场供应需求就必须经过干燥处 理。随着农业产业化的发展，对花椒干燥的效率、能耗以及干燥后的品质等提出 了越来越高的要求，我国的花椒干燥产业还存在着以下问题： ( 1 ) 传统的花椒干燥方法效率低，受天气的约束较大。传统的花椒干制是集中 晾晒或在阴凉干燥处阴干，所需时间比较长，一般需6 1 0 天，对天气要求高， 倘若在晾晒期间遇到阴雨天气，就容易出现霉变等问题造成损失。 ( 2 ) 干燥质量不能得到很好的保证，能源消耗大，劳动量大，品质不均。我国 花椒种植规模以每年2 0 3 0 的速度递增，目前种植面积已经超过5 0 0 万h i i l 2 ， 到2 0 0 8 年止，年产花椒1 2 5 0 余万吨，形成了一个年产值达5 0 亿左右的巨大特色 农产品产业汹1 。其中以陕西韩城、山东莱芜和甘肃陇南地区产量为大，其总产量 超过全国的1 2 。花椒是东南亚、日本、韩国等地区传统的进口调味品和药材之一， 近年来，我国花椒也逐渐打入欧美市场，为了能再国际市场竞争中立于不败之地， 花椒产业化干燥迫在眉睫。传统的干燥花椒的方法如晾晒、火坑、烘干，由于干 燥周期过长，不卫生，对环境造成污染等原因，己不能满足花椒产业化干燥的需 要，而采用自动干燥技术干燥花椒具有干燥速度快、最大限度地保持产品营养成 分、安全卫生、经济成本低廉、易于推广等优点。 第1 章绪论 1 6 论文研究的主要内容 在本文研究的温度自动控制系统中，本系统采用3 个数字温度传感器d s l 8 8 2 0 采集烘房内的温度信息，然后将采集到数据输入到微处理器中处理，处理完成的 数据会传输到显示器t f t l c d 中，显示温度随时间变化的曲线图。同时微处理器 还要输出控制信息，控制加热器的电压和排气扇的转速，以实现循环温度的调节。 本文研究的主要内容包括： 1 、前端温度采集系统，选用数字温度传感器d s l 8 8 2 0 完成干燥过程中烘房内 部温度的采