金銀花微波干燥的模糊控制

葛洪央++陳軍章++葛新鋒

摘要：為了實現對金銀花（Lonicera japonica）微波干燥過程中的參數控制，提出了將模糊控制策略應用到微波干燥機智能控制中，實現干燥過程的溫度和濕度間的解耦和精確控制。利用MATLAB的模糊邏輯工具箱設計了二輸入二輸出的模糊控制器，并用MATLAB中的SIMULINK對該控制系統進行仿真。仿真結果表明，應用模糊控制后控制過程的平穩性好，控制效果較為理想。經試驗驗證，該智能控制系統工作穩定、性能可靠，控制精度高，保證了干燥質量，降低了干燥能耗，干燥后物料的含水率和理想值非常接近，實現了微波連續干燥機的自動化和智能化。

關鍵詞：金銀花（Lonicera japonica）；微波干燥；控制系統；模糊控制；溫度濕度

中圖分類號：R282.4；S375 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）01-0137-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.01.035

Fuzzy Control of Honeysuckle Drying by Microwave

GE Hong-yang1，CHEN Jun-zhang1，GE Xin-feng2

（1.Xuchang Gengxin Information Technology Research Institute， Xuchang 461000，Henan，China；

2.College of Electrical & Information Eingineering Xuchang University， Xuchang 461000， Henan，China）

Abstract： In order to control the parameters in Honeysuckle（Lonicera japonica） drying by microwave， the fuzzy control method is proposed， which can ensure the temperature and in drying cavity is in a preset interval. Mathematical model of the drying temperature system is established and simulated. Simulation results show that the overshoot is less， the response is fast， and the robust stability is good by fuzzy. The fuzzy controls parameters drown by simulation are applied in microwave drying temperature control system. The results show that the method can control the temperature in microwave drying.

Key words： honeysuckle（Lonicera japonica）； microwave drying； control system； fuzzy control； temperature and humidity

金銀花（Lonicera japonica）為忍冬科植物，性味甘寒，具有清熱解毒、疏散風熱的功能[1]，用于癰腫疔瘡、喉痹、丹毒、熱毒血痢等病癥[2]。其主要有效成分為有機酸類和黃酮類化合物[3]。現代藥理研究表明，金銀花具有抑菌、抗病毒、抗炎解熱、抗氧化、降血脂和降血糖等作用[4]。金銀花在醫藥、保健、食品等領域的消費量逐年增加，市場供不應求。但金銀花在干燥過程中會產生霉變，霉變會影響金銀花的干燥質量，如感官和綠原酸的含量，所以干燥工藝非常重要。目前，金銀花的微波干燥工藝已經比較成熟[5]。在微波干燥金銀花的過程中，溫度和濕度對于干燥時間和最終品質具有重要影響，在金銀花干燥設備的研制過程中[6，7]，如何實現對溫度和濕度的控制是實現對金銀花干燥質量控制的重要手段。

微波連續干燥金銀花過程參數控制[8]主要包括：干燥腔內金銀花的溫度、干燥腔內的濕度以及出口金銀花的含水率等。溫度控制主要是控制分布在每個干燥腔內的微波磁控管的輸出功率，若溫度高則降低磁控管的輸出功率，反之則增加。濕度控制主要是控制每個干燥腔上方的排濕風機的轉速，若干燥腔內濕度大則增大排濕風機的轉速，反之則降低。出口金銀花的含水率控制主要是控制整個干燥過程中輸送帶的帶速，若出口金銀花的含水率高于理想值則降低輸送帶的帶速，反之則增大。總的來講，微波連續干燥金銀花過程中涉及到的控制因子較多，而且這些參數之間相互影響，尤其是干燥過程中溫度和濕度存在強耦合關系，整個干燥過程是一個非線性、時變、參數耦合以及大滯后的復雜過程。因此，難以建立精確的干燥過程數學模型，要實現干燥過程的精確控制比較困難。

關于干燥過程的控制，國內外很多學者進行了大量研究，Liu等[9]設計了一種干燥機模型預測控制器，能使出口物料的含水率控制精度到±0.7%；研究者分別將模糊控制和PID控制應用于流化床干燥試驗，結果表明，模糊控制的控制特性比PID控制好，而且模糊控制器的結構比PID控制器簡單[10-12]。Thyagarajan等[13]把智能控制應用在糧食干燥中。但已有研究中控制對象都能建立精確的數學模型，而且控制目標單一，控制參數少，參數之間沒有耦合，針對這種情況本試驗提出在環形微波連續干燥機控制中采用模糊控制技術來實現金銀花干燥過程的自動化控制。

1 環形微波干燥設備的結構與工作原理

1.1 結構

環形微波干燥機由進料箱、干燥腔、輸送裝置、控制系統和機架等組成。4個干燥腔串聯在一起，每個干燥腔內均安裝1個微波磁控管，金銀花輸送帶由變頻電機驅動穿過相互串聯的4個微波干燥腔。在每個干燥腔上安裝1個紅外溫度傳感器、1個濕度傳感器。在進料口和排料口各安裝1個水分傳感器。微波連續干燥機結構如圖1所示。

1.2 工作原理

環形微波干燥機工作原理：金銀花從進料口落到輸送帶上，輸送帶在電機的驅動下，穿過相互串聯的微波干燥腔，在每個干燥腔內金銀花受到微波加熱作用，溫度升高，同時金銀花中的水分向外蒸發，在排濕風機的作用下，干燥腔內的水蒸氣不斷被排到腔外，被干燥后的金銀花從出料口排出。在干燥過程中，濕度傳感器和溫度傳感器不斷采集各個干燥腔內的濕度和溫度，水分傳感器采集金銀花的水分含量，將這些信息輸送到控制系統，從而控制磁控管的輸出功率、排濕風速和輸送帶的運行速度，調節干燥腔的溫度和濕度以及干燥時間，保證物料干燥品質和干燥效率。

2 模糊控制系統設計

2.1 參數模糊化

微波干燥過程中溫度和濕度存在耦合關系，干燥過程難以控制、干燥品質低[3]。為了實現溫濕度的解耦，設計了模糊控制算法。輸入量是溫度偏差Et（設定溫度與實測溫度的差）、濕度偏差Eh（設定濕度與實測濕度的差）。輸出量為加熱控制量Ct和排濕控制量Ch，Ct最終量化為微波發生器的輸出功率，Ch最終量化為排濕風機的轉速。Kt1、Kt2、Kh1、Kh2為量化因子，Ut、Uh為最終控制輸出量。模糊控制器結構如圖2所示，采用三角形交叉隸屬函數，雙輸入雙輸出。

輸入量和輸出量的語言描述為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，其中NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。輸入語言變量偏差：設溫度偏差Et的基本論域為[-5 ℃，5 ℃]，濕度偏差Eh的基本論域為[-25% RH，25% RH]。量化論域：設Et的量化論域為{-5，-4，-3，-2，-1，0，1， 2，3，4，5}，Eh的量化論域為{-5，-4，-3，-2，-1，0，1， 2，3，4，5}。Et的量化因子Kt1=5/5=1，Eh的量化因子Kh1=5/25=0.2。

2.2 模糊控制規則

在模糊控制器中，為實現對Tc和Hc的控制，則需找出Tc、Hc與Et、Eh的關系，根據控制經驗可以得到該系統的模糊控制規則表如表1所示。

3 性能試驗

以含水率為75%的新鮮金銀花作為試驗材料，在不同的控制條件下對干燥過程中溫、濕度進行仿真。干燥系統的初始溫度值為30 ℃，初始相對濕度值為50%，溫度設定值為60 ℃，相對濕度設定值為70%。2種不同控制裝置即風機是由變頻器控制，加入模糊控制器控制系統。溫度和濕度仿真結果如圖3、圖4所示。可以看出，曲線1波動幅度大，溫濕度耦合嚴重，在達到溫濕度設定值時抖動較厲害，極不穩定；曲線2相對曲線1控制效果有明顯的改進，溫濕度能夠解耦，能夠實現溫濕度的精確控制，在達到設定值時也較平穩，控制效果更好。

4 小結

本試驗提出了一種金銀花干燥溫濕度的模糊控制方法，該方法針對干燥過程的要求實現控制策略，MATLAB仿真結果表明該模糊控制方法穩定、可靠，提高了溫濕度的控制精度。將仿真結果應用于金銀花的環形微波干燥設備中，實現了干燥金銀花過程中溫濕度精確控制，提高了物料干燥過程控制的智能化程度，具有很高的實用價值。

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