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基于模糊控制的超聲波紅棗清洗機智能控制系統設計

論文編號: 所屬欄目:智能科學 發布日期:2020年06月16日 論文作者:北美代寫論文網
摘要: 為解決目前新疆紅棗加工清洗中存在的清洗精度低、清洗質量不穩定、自動化程度低、耗水量大等問題,設計了紅棗超聲清洗機。超聲清洗與傳統的清洗方式相比清洗速度快、節水、物理清洗無污染、清洗質量高、易于實現自動化,超聲波的空化效應還能有效滅殺微生物、降解殘留農藥。本機基于模糊控制算法采用智能控制系統,針對紅棗重量、濁度、水溫、清洗時間、進水水位等分別構建具體的隸屬函數,通過重量傳感器、溫度傳感器、濁度傳感器數據,利用模糊控制理論實現超聲波紅棗清洗機的智能控制。完成了相關軟硬件的設計,實現了紅棗超聲清洗機的智能化控制以及紅棗的精確、高效、節水清洗。
關鍵詞:超聲波紅棗清洗機; 模糊控制算法;智能控制系統
 
Design of Intelligent Control System for Ultrasonic Jujube Cleaning Machine Based on Fuzzy Control
 
Abstract: In order to solve the problems of low cleaning precision, unstable cleaning quality, low automation and large water consumption in Xinjiang jujube processing and cleaning, the ultrasonic cleaning machine of red jujube has been designed. Compared with the traditional cleaning methods, ultrasonic cleaning has the advantages of fast cleaning speed, saving water, no pollution from physical cleaning, high cleaning quality and easy automation. The cavitation effect of ultrasonic can also effectively kill microorganisms and degrade pesticide’s residues. This machine adopts intelligent control system based on fuzzy control algorithm, For jujube weight, turbidity, water temperature, cleaning time, influent water level and so on, the specific membership function is constructed. Based on the data of weight sensor, temperature sensor and turbidity sensor, the intelligent control of ultrasonic jujube cleaning machine is realized by using fuzzy control theory. The design of related software and hardware has been completed, and the intelligent control of ultrasonic cleaning machine of red jujube has been realized, and the precise, efficient and water-saving cleaning of red jujube has been realized.
Keywords: ultrasonic jujube cleaning machine; fuzzy control algorithm; intelligent control system
 
中圖分類號: S22     文獻標志碼: A
 
 
1 總論
目前新疆紅棗加工所采用的清洗方式主要還是噴淋清洗、鼓泡清洗和毛刷清洗傳統的清洗方式。其清洗控制以經驗為主,清洗裝置智能化程度低,耗水量大,清洗質量不穩定,易出現清洗過度或者清洗不干凈、損傷紅棗、農藥殘留等問題。基于此設計采用高壓復雜水流沖洗與超聲波清洗等組合式的清洗方式,利用超聲波高效、高質、環保清洗特點以及超聲波空化效應能有效殺滅微生物[1]、降解殘留農藥等優勢,徹底清除紅棗表面及褶皺內的深層污垢,提升紅棗加工的質量品質[2]。其超聲清洗部分結構組成如圖1-1所示:

1.調速電機驅動鏈輪 2.紅棗攪拌輸送輪 3.超聲換能器 4.輸送鏈 5.超聲波發生器 6.控制箱 7.鏈輪 8.機架 9.行走輪
圖1-1 超聲波紅棗清洗機結構簡圖
2 控制系統整體設計
本超聲波紅棗清洗機清洗的過程中需確定的主要參數為:清洗水溫、水位高度、換水渾濁度和清洗時間四個參數,上述四個參數可通過紅棗的輸送量、清洗水渾濁度、清洗水溫為變量來得到最佳的清洗參數值。因此紅棗的輸送量、清洗水渾濁度、清洗水溫是智能控制系統的輸入,控制系統的總體框架圖如圖2-1所示[3]

圖2-1  控制系統總體框架圖
3 超聲波紅棗清洗機模糊控制算法的設計
依據超聲波紅棗清洗機的工作原理以及系統的耦合、滯后性,因模糊控制方式研究系統不需創建被控對象繁雜的數學模型,就可以較好的管控紅棗清洗機的多個系數,因此本裝置采用模糊控制方式設計控制系統。針對紅棗重量、濁度、水溫、清洗時間、進水水位、換水濁度、加熱溫度等等分別構建具體的隸屬函數。傳感器檢測的參數包括:待洗紅棗的重量、水溫、水渾濁程度。根據模糊規則,借助去模糊化處理得到相關參數,使設計出來的設備真正的能夠做到智能化運行[4]-[5]
3.1 清洗機參數自動設置的模糊控制算法
超聲波紅棗清洗機模糊控制輸入輸出間所存的對應關系如圖3-1所示,系統借助傳感器檢測待洗紅棗重量、進水水溫,完成檢測后,系統自動步入清洗環節,濁度傳感器采集渾濁度值,獲得渾濁度數據,做規則匹配和模糊推理,反模糊化處理,自動確定清洗時間、水位、加熱溫度、換水濁度。模糊控制實現了超聲波紅棗清洗機智能化控制,不但保證了清洗的潔凈度,同時節能省水,降低了破損率和破損度。

圖3-1  模糊控制輸入量與輸出量對應關系框圖
對于有三個輸入的系統,可以由以下三個控制集表述:
紅棗輸送量(XSS):重(JH),中(JM),輕(JL);
清洗水濁度(XXZ):濁(ZH),中(ZM),清(ZL);
清洗水溫(XXW):低(TL),中(TM),高(TH);
用模糊集表示待確定的參數如下:
清洗時間(XSJ):短(SS),中(SM),長(SL),很長(SVL);
進水水位(XSW):低(WL),中(WM),高(WT),很高(WV);
加熱溫度(XWD):最低溫(NH),低溫(HL),中溫(HM),高溫(HH);
換水濁度(XHZ):清(PC),輕微濁(PL),渾濁(PM),很渾濁(PV);
通過總結,模糊規則表示如表3-1。
表3-1  模糊規則表
  ZH ZM ZL
TH TM TL TH TM TL TH TM TL
JH XSW WT WV WV WT WT WV WT WT WT
XWD HM HM HH HM HM HH HM HM HM
XSJ SL SL SVL SM SM SL SM SM SM
XHZ PL PL PC PM PL PL PM PM PL
JM XSW WM WT WT WM WM WT WM WM WM
XWD HM HM HH HL HM HM HL HL HL
XSJ SM SM SL SM SM SM SS SM SM
XHZ PL PL PC PM PL PL PM PM PM
JL XSW WL WM WM WL WL WM WL WL WL
XWD HL HL HM NH NH HL NH NH NH
XSJ SS SM SM SS SS SM SS SS SS
XHZ PM PM PL PV PV PM PV PV PM
 
本文以三角形函數表示隸屬函數。中心值的具體選取是以經驗獲得的,中心值的選擇是根據典型值確定的。
(1)紅棗輸送量的隸屬函數
紅棗輸送量的隸屬函數圖,如圖3-2所示。
      
圖3-2  紅棗輸送量的隸屬函數圖          圖3-3  清洗水濁度的隸屬函數圖
紅棗輸送量的隸屬函數,如式(3-1)。
   (3-1)
(2) 清洗水濁度的隸屬函數
濁度傳感器的原理是檢測液體的透光率。濁度值的上下限為[0,255],測得的濁度值大,說明渾濁度低。清洗水濁度的隸屬函數圖,如圖3-3所示。
清洗水濁度的隸屬函數,如式(3-2)。
     (3-2)
(3)清洗水溫的隸屬函數
水的溫度的隸屬函數圖,如圖3-4所示。
          
圖3-4 清洗水溫的隸屬函數圖      圖3-5超聲波紅棗清洗機清洗時間的隸屬函數圖
清洗水溫的隸屬函數,如式(3-3)。
    (3-3)
(4)清洗時間的隸屬函數
超聲波紅棗清洗機清洗時間的隸屬函數圖,如圖3-5所示。
清洗時間的隸屬函數如式(3-4)。
       (3-4)
(5)進水水位的隸屬函數
清洗機加水時進水水位的隸屬函數圖,如圖3-6所示。
               
圖3-6進水水位的隸屬函數圖                     圖3-7加熱溫度的隸屬函數圖
進水水位的隸屬函數如式(3-5)。
     (3-5)
(6)加熱溫度的隸屬函數
清洗機加熱水時加熱溫度的隸屬函數圖,如圖3-7所示。
加熱溫度的隸屬函數如式(3-6):
       (3-6)
 
(7)換水濁度的隸屬函數
清洗機換水時換水濁度的隸屬函數圖,如圖3-8所示。
換水濁度的隸屬函數如式(3-7):
      (3-7)
        
圖3-8  換水濁度的隸屬函數圖
3.2 超聲波紅棗清洗機模糊推理
模糊推理步驟為:第一步利用傳感器得到各參數的數據;第二步隸屬度根據傳感器數據結合對應的隸屬函數即可得到,由隸屬度找到其相對應的模糊規則;第三步根據邏輯“與”確定規則的前提推理;第四步是通過模糊規則推理得到的可信度結果集即是系統總的可信度,其中max()為結果集中最大的數據。
當輸送到紅棗清洗機的紅棗輸送量為130kg/h,此時清洗槽中水的渾濁度值為140,清洗槽中的水溫是56°C。由式(3-1)可知輸送量為輕的隸屬度為µJL(130)=0,為中的隸屬度為µJM(130)=0.25, 輸送量為重的隸屬度為µJH(130)=0.75;接著由式(3-2)可得濁度為濁的隸屬度為µZH(140)=0.5,濁度中的隸屬度為µZM(140)=0.5,濁度清的隸屬度為µZL(140)=0;最后由式(3-3)可得水溫低的隸屬度為µTL(56)=0.4,水溫中的隸屬度為µTM(56)=0.6,清洗水溫高的隸屬度為µTH(56)=0。
由以上計算結果為前提,在全部規則的范圍中,提取出八條能夠符合要求。紅棗清洗時,清洗時間的確定,具體有如下八種情況:
Ⅰ:如果(輸送量中)并且(濁度為濁)且(水溫中),結果得(清洗時間中);
Ⅱ:如果(輸送量中)并且(濁度為濁)且(水溫低),結果得(清洗時間長);
Ⅲ:如果(輸送量中)并且(濁度為中)且(水溫中),結果得(清洗時間中);
Ⅳ:如果(輸送量中)并且(濁度為中)且(水溫低),結果得(清洗時間中);
Ⅴ:如果(輸送量重)并且(濁度為濁)且(水溫中),結果得(清洗時間長);
Ⅵ:如果(輸送量重)并且(濁度為濁)且(水溫低),結果得(清洗時間很長);
Ⅶ:如果(輸送量重)并且(濁度為中)且(水溫中),結果得(清洗時間中);
Ⅷ:如果(輸送量重)并且(濁度為中)且(水溫低),結果得(清洗時間長)。
在紅棗清洗后,以上八種情況可對應的八種規則,下一步工作為模糊推理。
Ⅰ中的輸送量為中的隸屬度為µJM(130)=0.25,濁度為濁的隸屬度是µZH(140)= 0.5,水溫中的隸屬度為µTM(56)= 0.6。基于此可信度為:min{0.25,0.5,0.6}=0.25。類似可得:
Ⅲ中,min{0.25,0.5,0.6}=0.25;
Ⅳ中,min{0.25,0.5,0.4}=0.25;
Ⅶ中,min{0.75,0.5,0.6}=0.5;
由以上規則可以得出,“清洗時間中”對應可信度為:max{0.25,0.25,0.25,0.5}=0.5。
“清洗時間長”對應可信度為:
Ⅱ中, min{0.25,0.5,0.4}=0.25;
Ⅴ中, min{0.75,0.5,0.6}=0.5;
Ⅷ中, min{0.75,0.5,0.4}=0.4。
由此可知,系統輸出“清洗時間長”的可信度為max(0.25,0.5,0.4)=0.5。
結果為“清洗時間很長”所對應規則Ⅵ中可信度為:min(0.75,0.5,0.4)=0.4。
逐步得到了清洗耗時很長、長、中的可信度以后,利用重心法進行反模糊化。對于具有n個輸出量的離散域情況,可采用式(3-8),根據反模糊化即可求得清洗時間                                                                                       
  (3-8)
同樣可以得到需確定進水水位、需確定加熱溫度、需確定換水濁度[6]-[8]
4 智能控制裝置軟硬件設計
4.1 硬件設計
總體方案設計釆用兩塊控制板進行設計。主控板主要用以控制外部強電外設設備:電機、水閥、加熱管等;顯示板主要用來顯示清洗機清洗紅棗的過程。系統以STM32F103ZET6為控制核心,設計開關電源電路、水溫控制電路、水位控制電路、水渾濁度控制電路等。采用人工/專家切換鍵、語音識別器和LCD顯示模塊作為人機接口的輸入輸出設備。加熱器、電動機和超聲波發生器等釆用交流220V市電驅動,MCU與這些部件之間,通過I/O口、光電隔離器、可控硅和繼電器等來進行控制。水位傳感器、重量傳感器、濁度傳感器、溫度傳感器等組成自動控制和保護電路。采用的系統框圖如圖4-1所示。

圖4-1  系統框圖
4.2軟件設計
利用Keil µ Vison5進行代碼編譯。采用模塊化設計方式進行程序設計,設計水溫控制、水位控制、水渾濁度控制過程。其中水渾濁度控制程序框圖如圖4-2所示,程序的組成有:初始化、通信、濁度值計算、濁度顯示、模糊算法分析、模糊控制等子程序。

圖4-2  水渾濁度控制程序框圖
5 總結
    本文所設計的超聲波紅棗清洗機智能控制裝置如圖5-1。
  
圖5-1 紅棗超聲清洗裝置調試及實驗

圖5-2 超聲波紅棗清洗機耗水率
本文所設計的紅棗超聲波清洗機的智能控制系統,綜合考慮了清洗中的常見影響因素,為紅棗清洗機提供了一種新的控制策略,其不僅應用于超聲紅棗清洗機,同時也可以應用于普通的紅棗清洗裝置,提升了紅棗清洗機的智能化水平。能夠對紅棗進行精確清洗,在確保清洗質量的同時可節約清洗的時間和耗水量,提升清洗的效率。其清洗中的耗水量如圖5-2所示,相對于新疆南疆地區市面上普遍使用紅棗清洗機耗水量1.5L/Kg[9]有明顯的節水效果,且清洗的量越大節水效果越明顯。
 
參考文獻
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