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基于模糊控制的超声波红枣清洗机智能控制系统设计

论文编号: 所属栏目:智能科学 发布日期:2020年06月16日 论文作者:知乎者也论文网
摘要: 为解决目前新疆红枣加工清洗中存在的清洗精度低、清洗质量不稳定、自动化程度低、耗水量大等问题,设计了红枣超声清洗机。超声清洗与传统的清洗方式相比清洗速度快、节水、物理清洗无污染、清洗质量高、易于实现自动化,超声波的空化效应还能有效灭杀微生物、降解残留农药。本机基于模糊控制算法采用智能控制系统,针对红枣重量、浊度、水温、清洗时间、进水水位等分别构建具体的隶属函数,通过重量传感器、温度传感器、浊度传感器数据,利用模糊控制理论实现超声波红枣清洗机的智能控制。完成了相关软硬件的设计,实现了红枣超声清洗机的智能化控制以及红枣的精确、高效、节水清洗。
关键词:超声波红枣清洗机; 模糊控制算法;智能控制系统
 
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
 
中图分类号: S22     文献标志码: A
 
 
1 总论
目前新疆红枣加工所采用的清洗方式主要还是喷淋清洗、鼓泡清洗和毛刷清洗传统的清洗方式。其清洗控制以经验为主,清洗装置智能化程度低,耗水量大,清洗质量不稳定,易出现清洗过度或者清洗不干净、损伤红枣、农药残留等问题。基于此设计采用高压复杂水流冲洗与超声波清洗等组合式的清洗方式,利用超声波高效、高质、环保清洗特点以及超声波空化效应能有效杀灭微生物[1]、降解残留农药等优势,彻底清除红枣表面及褶皱内的深层污垢,提升红枣加工的质量品质[2]。其超声清洗部分结构组成如图1-1所示:

1.调速电机驱动链轮 2.红枣搅拌输送轮 3.超声换能器 4.输送链 5.超声波发生器 6.控制箱 7.链轮 8.机架 9.行走轮
图1-1 超声波红枣清洗机结构简图
2 控制系统整体设计
本超声波红枣清洗机清洗的过程中需确定的主要参数为:清洗水温、水位高度、换水浑浊度和清洗时间四个参数,上述四个参数可通过红枣的输送量、清洗水浑浊度、清洗水温为变量来得到最佳的清洗参数值。因此红枣的输送量、清洗水浑浊度、清洗水温是智能控制系统的输入,控制系统的总体框架图如图2-1所示[3]

图2-1  控制系统总体框架图
3 超声波红枣清洗机模糊控制算法的设计
依据超声波红枣清洗机的工作原理以及系统的耦合、滞后性,因模糊控制方式研究系统不需创建被控对象繁杂的数学模型,就可以较好的管控红枣清洗机的多个系数,因此本装置采用模糊控制方式设计控制系统。针对红枣重量、浊度、水温、清洗时间、进水水位、换水浊度、加热温度等等分别构建具体的隶属函数。传感器检测的参数包括:待洗红枣的重量、水温、水浑浊程度。根据模糊规则,借助去模糊化处理得到相关参数,使设计出来的设备真正的能够做到智能化运行[4]-[5]
3.1 清洗机参数自动设置的模糊控制算法
超声波红枣清洗机模糊控制输入输出间所存的对应关系如图3-1所示,系统借助传感器检测待洗红枣重量、进水水温,完成检测后,系统自动步入清洗环节,浊度传感器采集浑浊度值,获得浑浊度数据,做规则匹配和模糊推理,反模糊化处理,自动确定清洗时间、水位、加热温度、换水浊度。模糊控制实现了超声波红枣清洗机智能化控制,不但保证了清洗的洁净度,同时节能省水,降低了破损率和破损度。

图3-1  模糊控制输入量与输出量对应关系框图
对于有三个输入的系统,可以由以下三个控制集表述:
红枣输送量(XSS):重(JH),中(JM),轻(JL);
清洗水浊度(XXZ):浊(ZH),中(ZM),清(ZL);
清洗水温(XXW):低(TL),中(TM),高(TH);
用模糊集表示待确定的参数如下:
清洗时间(XSJ):短(SS),中(SM),长(SL),很长(SVL);
进水水位(XSW):低(WL),中(WM),高(WT),很高(WV);
加热温度(XWD):最低温(NH),低温(HL),中温(HM),高温(HH);
换水浊度(XHZ):清(PC),轻微浊(PL),浑浊(PM),很浑浊(PV);
通过总结,模糊规则表示如表3-1。
表3-1  模糊规则表
  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
 
本文以三角形函数表示隶属函数。中心值的具体选取是以经验获得的,中心值的选择是根据典型值确定的。
(1)红枣输送量的隶属函数
红枣输送量的隶属函数图,如图3-2所示。
      
图3-2  红枣输送量的隶属函数图          图3-3  清洗水浊度的隶属函数图
红枣输送量的隶属函数,如式(3-1)。
   (3-1)
(2) 清洗水浊度的隶属函数
浊度传感器的原理是检测液体的透光率。浊度值的上下限为[0,255],测得的浊度值大,说明浑浊度低。清洗水浊度的隶属函数图,如图3-3所示。
清洗水浊度的隶属函数,如式(3-2)。
     (3-2)
(3)清洗水温的隶属函数
水的温度的隶属函数图,如图3-4所示。
          
图3-4 清洗水温的隶属函数图      图3-5超声波红枣清洗机清洗时间的隶属函数图
清洗水温的隶属函数,如式(3-3)。
    (3-3)
(4)清洗时间的隶属函数
超声波红枣清洗机清洗时间的隶属函数图,如图3-5所示。
清洗时间的隶属函数如式(3-4)。
       (3-4)
(5)进水水位的隶属函数
清洗机加水时进水水位的隶属函数图,如图3-6所示。
               
图3-6进水水位的隶属函数图                     图3-7加热温度的隶属函数图
进水水位的隶属函数如式(3-5)。
     (3-5)
(6)加热温度的隶属函数
清洗机加热水时加热温度的隶属函数图,如图3-7所示。
加热温度的隶属函数如式(3-6):
       (3-6)
 
(7)换水浊度的隶属函数
清洗机换水时换水浊度的隶属函数图,如图3-8所示。
换水浊度的隶属函数如式(3-7):
      (3-7)
        
图3-8  换水浊度的隶属函数图
3.2 超声波红枣清洗机模糊推理
模糊推理步骤为:第一步利用传感器得到各参数的数据;第二步隶属度根据传感器数据结合对应的隶属函数即可得到,由隶属度找到其相对应的模糊规则;第三步根据逻辑“与”确定规则的前提推理;第四步是通过模糊规则推理得到的可信度结果集即是系统总的可信度,其中max()为结果集中最大的数据。
当输送到红枣清洗机的红枣输送量为130kg/h,此时清洗槽中水的浑浊度值为140,清洗槽中的水温是56°C。由式(3-1)可知输送量为轻的隶属度为µJL(130)=0,为中的隶属度为µJM(130)=0.25, 输送量为重的隶属度为µJH(130)=0.75;接着由式(3-2)可得浊度为浊的隶属度为µZH(140)=0.5,浊度中的隶属度为µZM(140)=0.5,浊度清的隶属度为µZL(140)=0;最后由式(3-3)可得水温低的隶属度为µTL(56)=0.4,水温中的隶属度为µTM(56)=0.6,清洗水温高的隶属度为µTH(56)=0。
由以上计算结果为前提,在全部规则的范围中,提取出八条能够符合要求。红枣清洗时,清洗时间的确定,具体有如下八种情况:
Ⅰ:如果(输送量中)并且(浊度为浊)且(水温中),结果得(清洗时间中);
Ⅱ:如果(输送量中)并且(浊度为浊)且(水温低),结果得(清洗时间长);
Ⅲ:如果(输送量中)并且(浊度为中)且(水温中),结果得(清洗时间中);
Ⅳ:如果(输送量中)并且(浊度为中)且(水温低),结果得(清洗时间中);
Ⅴ:如果(输送量重)并且(浊度为浊)且(水温中),结果得(清洗时间长);
Ⅵ:如果(输送量重)并且(浊度为浊)且(水温低),结果得(清洗时间很长);
Ⅶ:如果(输送量重)并且(浊度为中)且(水温中),结果得(清洗时间中);
Ⅷ:如果(输送量重)并且(浊度为中)且(水温低),结果得(清洗时间长)。
在红枣清洗后,以上八种情况可对应的八种规则,下一步工作为模糊推理。
Ⅰ中的输送量为中的隶属度为µJM(130)=0.25,浊度为浊的隶属度是µZH(140)= 0.5,水温中的隶属度为µTM(56)= 0.6。基于此可信度为:min{0.25,0.5,0.6}=0.25。类似可得:
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;
由以上规则可以得出,“清洗时间中”对应可信度为:max{0.25,0.25,0.25,0.5}=0.5。
“清洗时间长”对应可信度为:
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,系统输出“清洗时间长”的可信度为max(0.25,0.5,0.4)=0.5。
结果为“清洗时间很长”所对应规则Ⅵ中可信度为:min(0.75,0.5,0.4)=0.4。
逐步得到了清洗耗时很长、长、中的可信度以后,利用重心法进行反模糊化。对于具有n个输出量的离散域情况,可采用式(3-8),根据反模糊化即可求得清洗时间                                                                                       
  (3-8)
同样可以得到需确定进水水位、需确定加热温度、需确定换水浊度[6]-[8]
4 智能控制装置软硬件设计
4.1 硬件设计
总体方案设计釆用两块控制板进行设计。主控板主要用以控制外部强电外设设备:电机、水阀、加热管等;显示板主要用来显示清洗机清洗红枣的过程。系统以STM32F103ZET6为控制核心,设计开关电源电路、水温控制电路、水位控制电路、水浑浊度控制电路等。采用人工/专家切换键、语音识别器和LCD显示模块作为人机接口的输入输出设备。加热器、电动机和超声波发生器等釆用交流220V市电驱动,MCU与这些部件之间,通过I/O口、光电隔离器、可控硅和继电器等来进行控制。水位传感器、重量传感器、浊度传感器、温度传感器等组成自动控制和保护电路。采用的系统框图如图4-1所示。

图4-1  系统框图
4.2软件设计
利用Keil µ Vison5进行代码编译。采用模块化设计方式进行程序设计,设计水温控制、水位控制、水浑浊度控制过程。其中水浑浊度控制程序框图如图4-2所示,程序的组成有:初始化、通信、浊度值计算、浊度显示、模糊算法分析、模糊控制等子程序。

图4-2  水浑浊度控制程序框图
5 总结
    本文所设计的超声波红枣清洗机智能控制装置如图5-1。
  
图5-1 红枣超声清洗装置调试及实验

图5-2 超声波红枣清洗机耗水率
本文所设计的红枣超声波清洗机的智能控制系统,综合考虑了清洗中的常见影响因素,为红枣清洗机提供了一种新的控制策略,其不仅应用于超声红枣清洗机,同时也可以应用于普通的红枣清洗装置,提升了红枣清洗机的智能化水平。能够对红枣进行精确清洗,在确保清洗质量的同时可节约清洗的时间和耗水量,提升清洗的效率。其清洗中的耗水量如图5-2所示,相对于新疆南疆地区市面上普遍使用红枣清洗机耗水量1.5L/Kg[9]有明显的节水效果,且清洗的量越大节水效果越明显。
 
参考文献
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