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维戈塞尔塔对毕尔巴鄂: 熱風耦合微波干燥食品控制系統.pdf

摘要
申請專利號:

维戈塞尔塔vs皇家社会 www.vmyqew.com.cn CN201510577665.3

申請日:

20150913

公開號:

CN105231254A

公開日:

20160113

當前法律狀態:

有效性:

審查中

法律詳情:
IPC分類號: A23L3/40 主分類號: A23L3/40
申請人: 常州大學
發明人: 陳嵐萍,馬正華,徐守坤,陳陽,鄒凌
地址: 213164 江蘇省常州市武進區滆湖路1號
優先權: CN201510577665A
專利代理機構: 代理人:
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510577665.3

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明公開了一套食品加工微波熱風耦合干燥過程的自適應控制系統及其控制方法,系統根據自動記錄干燥過程中的加熱功率和加熱時間、食材的重量、干燥的溫度、干燥之前與之后食材的濕度、干燥時間等數據,并進行自動計算處理,然后,自動控制微波干燥的加熱時間與加熱功率,達到優化干燥過程、控制產品質量的目的。該系統包括微波干燥食品、數據采集通道、神經網絡辨識???、自適應功率控制???。自動控制加熱功率及調節微波干燥的時間,實現對干燥室內的溫度,以及食品的含水量實現精確的控制。既可根據環境條件改變而改變控制器的參數,又可進行魯棒控制抵抗外部干擾,通過調節功率,減小溫度變化的速率。

權利要求書

1.該系統包括溫度、重量檢測???、熱風控制???、微波干燥???、數據采集???、自適應控制算法???、功率控制???。所述微波干燥系統對象的輸出端通過氣味檢測儀和溫度光纖傳感器通過數據采集與神經網絡辨識??櫚氖淙攵肆?,熱風控制??櫚氖涑鲇胛⒉詈細稍鏘低扯韻笙嗔?,功率自適應控制??櫚氖涑齠送ü薟杉ǖ烙胛⒉ǜ稍鋃韻蟮氖淙攵肆?。2.根據權利要求1所述的熱風耦合微波干燥自適應控制系統,其特征在于:溫控儀的輸出控制加熱管的電磁閥,空壓機將壓縮空氣作為風源輸入給加熱管進行加熱,由溫控儀來控制調節加熱管的運行,從而控制出口熱風的溫度;PC機自適應控制算法??櫚氖涑齠擻牘β士刂頗?櫚氖淙攵肆?,所述自適應控制算法??榘ㄏ低辰D??、模型庫仿真???;所述數據采集通道的輸出端分別與模型仿真??櫚氖淙攵撕拖低辰D?櫚氖淙攵肆?,模型仿真??櫚氖涑齠擻肷窬緗D?櫚氖淙攵肆?。3.根據權利要求1或2所述的熱風耦合微波干燥自適應控制系統,其特征在于:所述數據采集通道包括依次連接的采集??楹褪菰ご砟??。4.權利要求1至3中任意一項所述的熱風耦合微波干燥自適應控制系統的控制方法,具體包括以下步驟:(1)數據采集通道實時采集微波干燥過程的食品揮發物、食品溫度、微波輸入功率、微波作用時間,進行數據預處理;(2)處理后的數據傳遞給神經網絡辨識器,由神經網絡辨識器進行建模,建模后的模型經過仿真修正;(3)自適應控制器讀取模型參數,生成功率控制參數,通過控制電路作用微波爐動作;(4)自適應控制算法實現。5.根據權利要求4所述的微波干燥自適應控制方法,其特征在于:所述步驟(2)包括:神經網絡辨識器依據所獲得的數據建立數學模型,同時,通過模型仿真器利用獲得的數據對神經網絡建模建立的模型進行有效性驗證。

說明書

技術領域

本發明涉及一種熱風耦合微波干燥食品控制系統,屬于輕工業控制領域。

背景技術

傳統熱空氣干燥由于干燥時間長和表面過熱,出現顏色暗淡,味道損失和復水能力下降的問題,同時入口空氣溫度,空氣流速,干燥物的物理性質和干燥設備的設計特點,都會對干燥速率和效果有較大影響。冷凍干燥生產的產品質量高,但是成本高,干燥生產能力有限。真空干燥是另一個可行的方法,尤其適合食品容易熱損害,如水果和蔬菜。然而,在真空過程需要加熱,因為低壓狀態,使得熱能的轉移到工作負載變得很困難。大多數傳統真空烘干機依靠傳導傳熱的熱板,緩慢且難以控制,需要一個大的表面積,因此,傳統的真空干燥具有較高的操作和安裝成本。

我們設計的熱風耦合微波干燥食品控制系統,通過自動調節微波加熱功率及熱風控制時間,實現對干燥室內的溫度,以及物料的含水量實現精確的控制。將熱風和微波加熱兩種方法結合起來,同時作用于干燥物料,微波促使水分由內向外快速遷移,而到達表面的水分又被熱風很快帶到周圍環境中,加快內外熱量和水分的傳遞,它具有較高的干燥率、較低的能耗以及干燥食品較好的質量等特點??煞樂勾罅康鬧柿克鶚?實現快速、有效的脫水,可極大地提高干燥速度。熱風耦合微波干燥系統結合微波真空干燥和熱風加熱的優點,真空賦予的低溫、快速傳質結合微波及熱風加熱,快速能量轉移的產生非常迅速,因此它有效提高能源效率和產品質量。熱風耦合微波干燥技術應用于食品及藥材的干燥具有很大的應用前景。

發明內容

針對現有技術中檢測食品干燥過程系統及其控制方法中存在的上述問題,本發明提供一種熱風耦合微波干燥食品控制系統及其控制方法。

本發明的技術方案是:

熱風耦合微波干燥食品控制系統,包括數據采集通道、微波干燥對象、溫度檢測???、重量檢測???、自適應功率控制算法??楹腿確緲刂頗??。所述熱風耦合微波干燥對象的輸出端通過數據采集通道與自適應控制??櫚氖淙攵肆?,自適應控制??櫚氖涑齠送ü薟杉ǖ烙胛⒉ǜ稍鋃韻蟮氖淙攵肆?。溫度反饋和微波功率相位控制可獲得有效的干燥過程控制,通過在線檢測由食品揮發出來的成分,由揮發物信號和自適應控制器來確定干燥溫度,可獲得較精確的有效的微波干燥過程控制。對被干燥食品的溫度進行測量,實時控制微波能量。當溫度低于設定值時,接通電源,通過加熱使被測對象升溫,當溫度高于設定值時,關閉電源,使被測對象降溫。對于溫度接近設定值時,通過調節功率,減小溫度變化的速率。

本發明的有益效果是:

本發明針對食品干燥過程實現檢測、干燥和控制,設計一種微波熱風耦合干燥系統的關鍵工藝參數的建模與控制,采用自適應控制方法,可根據環境條件改變而相應地改變功率控制器的參數,以適應其特性的變化及抵抗外部干擾,保證整個系統的穩定運行及性能指標達到要求,與傳統的空氣干燥相比,熱風耦合微波干燥可避免食品干燥過程中變焦,且具有良好的含水特性。從而減少能耗,降低成本,提高經濟效益等目的的綜合性技術。

附圖說明

圖1是本發明熱風耦合微波干燥系統結構框圖。

圖2是本發明熱風耦合微波干燥系統控制框圖。

圖3是本發明設計的系統熱風控制???。

具體實施方式

本發明針對食品加工微波干燥過程,易受干擾,控制精度要求高,需要在深入研究微波干燥過程中溫度對食品揮發物成分的影響特性、工藝特點的基礎上,廣泛收集歷史數據、專家經驗和操作規程,確定總體控制目標及主要的控制變量。

下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

圖1是本發明所述的整個微波干燥系統框圖,包括如下??椋?/p>

1.數據采集???/p>

干燥不僅需要知道加熱功率和加熱時間,還需要知道食材的重量、干燥的溫度、干燥之前與之后食材的濕度、干燥時間等數據,數據采集??榘ㄊ薟杉ê褪荽?,用于控制微波干燥過程中的功率和溫度,16位分辨率的數據采集卡,其中模擬輸入信號為光纖溫度傳感器,模擬輸出信號為調節交流功率,2路數字輸出信號為控制雙位氣動閥、控制開/關交流功率信號,所有控制通過LabView程序完成。

2.微波干燥???/p>

包括干燥食品的微波爐、存放物料樣品的容器和電子秤。光纖傳感器插入樣品中央進行溫度檢測,整個帶樣品的容器重量由電子秤在線測量,微波爐的電磁功率由Labview程序進行相位控制。

3.功率控制???/p>

揮發物的成分跟干燥溫度密切相關,因而控制干燥溫度最直接的方法就是控制微波爐的電磁功率。通過開發LabView程序來完成所有的檢測和控制,功率和溫度控制程序設計框圖如圖2所示。功率控制算法設計目標,通過較小的電壓來控制較大的交流電壓。為了實現以較小電壓控制大的電壓,通過比較相位控制、脈寬控制和可調電阻控制的優缺點,最終采用占空比相位控制方法來實現。

4.熱風控制???/p>

如圖3所示,熱風控制??榘ㄎ驢匾?、空氣壓縮機(簡稱空壓機)和加熱管。溫控儀的輸出控制加熱管的電磁閥,空壓機將壓縮空氣作為風源輸入給加熱管進行加熱,由溫控儀來控制調節加熱管的運行,從而控制出口熱風的溫度。其中,溫控儀??檳謨型獠慷俗詠酉咄?,11、12號引腳接加熱管中的熱電偶,3、4號引腳接一個固態繼電器的輸入端,2、5號引腳短接,5、6引腳是??サ?,當溫控儀有電信號時,觸點閉合,電壓通過6號引腳傳給加熱管。熱風??櫓械墓燙痰縉魘怯美純刂萍尤裙艿腦誦?,而電磁閥是用來控制熱風的通斷。即當系統運行時,5、6觸點閉合,繼電器及電磁閥工作,加熱管也進行工作。若實際溫度小于設定溫度50℃-80℃。,熱風??榧絳誦?;反之,溫控儀控制繼電器斷開,同時,加熱管和電磁閥也停止工作。

5.溫度測量???/p>

由于紅外測溫的數據只是測得物體表面溫度,而熱電偶在微波環境中測溫極易打火花,所以選用相對更加精確和安全的光纖測溫。光纖測得的溫度,通過光電轉換器轉換成0-5v電壓,通過數據采集卡傳輸到PC中處理。上述溫度測量???,具體包括以下步驟:(1)PC程序中預設的溫度值,在功率控制器工作后,光纖檢測的干燥室內的溫度如果達到設定的值后,程序(如圖2所示,溫度控制部分)會立即使功率控制器停止工作,讓溫度慢慢下降到設定的溫度;(2)在溫度降到設定值以下的瞬間,程序會重新啟動功率控制器,讓溫度上升,使溫度控制在設定值的左右。

6.重量檢測???/p>

干燥物體的重量檢測,選用可以實時傳輸數據到PC中的電子稱,利用RS232協議的串口,使得它可以將重量變化的情況,在設定的時間間隔內傳輸到PC程序中(如圖2所示,重量檢測部分),方便操作者了解干燥情況。

7.數據存儲???/p>

每次的干燥過程中都會產生上千的數據,這些數據表面看似沒有什么作用,可是在干燥結果不是令人滿意的情況下,我們可以調取這些數據,通過這些數據分析出干燥情況,因此,我們還在系統里設計出一套存儲程序(如圖2所示,數據存儲部分)。

8.控制算法

考慮食材微波熱風耦合干燥的特點,即整個加工過程中溫度、功率、揮發物成分、空氣流量等多變量參數的調節,干燥過程模型難以建立及存在外部干擾的情況,運用神經網絡預測模型,提高系統性能,彌補現有的食品加工過程功率控制器隨生產條件改變(即模型參數未知的情況)而影響干燥系統性能下降,及存在外部干擾,影響系統穩定運行,從而無法達到預期效益的缺陷。

上述微波干燥智能自適應控制系統的預測控制方法,具體包括以下步驟:

(1)數據采集通道實時采集微波干燥的加熱功率和加熱時間、食材的重量、干燥的溫度、干燥之前與之后食材的濕度、干燥時間等參數,進行數據預處理;

(2)處理后的數據傳遞給神經網絡辨識器,由神經網絡辨識器進行建模,并仿真修正;

(3)智能自適應控制器讀取模型參數,生成控制參數,控制執行機構動作,進行預測、判斷;

(4)控制算法實現。

步驟(1)包括:神經網絡辨識??櫚慕R讕菟竦玫氖萁⑹P?,針對微波干燥過程易受環境條件影響,干燥過程模型參數不確定,可考慮將食品微波干燥過程看作具有線性和非線性不確定部分組合的控制系統,利用神經網絡具有逼近函數的能力,考慮用神經網絡建模非線性部分的模型。同時,模型仿真??槔沒竦玫氖荻隕窬緗=⒌哪P徒杏行匝櫓?。

步驟(4)控制算法實現包括:系統的數據采集系統與Labview進行數據交換,實現先進的智能自適應控制算法。并通過大量的實驗驗證設計控制器的有效性,并將部分成果應用于實際。

本發明工作原理在于通過對食品熱風耦合微波干燥過程的分析,運用檢測技術、智能控制算法和功率控制電路設計等,對食品加工微波干燥過程實現檢測、控制、建模和決策,設計一種針對食品加工熱風耦合微波干燥過程的關鍵工藝參數的建模與控制,針對模型參數不確定及易受干擾的特點,采用自適應控制設計方案,可根據食品干燥過程中采集到的溫度、干燥物重量的數據,能在較短的時間內相應地自動調節微波電磁功率和熱風控制量,不斷優化干燥工藝參數,同時抵抗外部干擾,保證整個系統的穩定運行及性能指標達到要求,從而減少能耗,降低成本,提高經濟效益等目的的綜合性技術。因而本發明通過進行實驗研究,并將部分研究成果推廣應用于微波干燥生產中,提高控制質量。

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熱風 耦合 微波 干燥 食品 控制系統
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