果汁飲品殺菌工藝過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武海軍

烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院（烏海 016000）

果汁是一種以蘋果、葡萄、梨等水果為主要原料，以糖及食品添加劑等作為輔料，經(jīng)過(guò)去皮、搗碎、殺菌、灌裝等工藝釀造而成的飲品。果汁中含有人體需要的營(yíng)養(yǎng)成分且口味鮮美，從而受到眾多消費(fèi)者喜歡。

果汁在生產(chǎn)過(guò)程中，主要工藝包括原料挑選、搗碎、打漿、殺菌、灌裝、貼標(biāo)簽等。其中，果汁殺菌工藝主要通過(guò)溫度進(jìn)行殺菌，溫度越高對(duì)于食品的殺菌效果越好、保質(zhì)期也會(huì)越久，但如果溫度過(guò)高會(huì)對(duì)果汁中的營(yíng)養(yǎng)元素造成破壞，從而使得果汁品質(zhì)較差，因此要保證生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的果汁，需要對(duì)殺菌溫度進(jìn)行精確控制。

在果汁殺菌工藝溫度控制過(guò)程中，通常采用PID進(jìn)行控制，PID控制方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但果汁在采用套管式殺菌時(shí)，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的非線性、時(shí)變性等特點(diǎn)，單純PID控制器中參數(shù)固定不變不能根據(jù)具體情況進(jìn)行自適應(yīng)控制[1-2]，因此在PID控制器中引入模糊控制，模糊控制方法利用模糊規(guī)則可以實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得果汁殺菌溫度能夠快速控制在一定的殺菌溫度中，從而使得果汁不僅能夠有效殺菌而且可以保證質(zhì)量。

為此，對(duì)果汁殺菌控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)基于PLC的套管殺菌控制系統(tǒng)，利用PLC模擬量采集模塊對(duì)殺菌溫度進(jìn)行采集并傳送到PLC控制器中，利用模糊PID控制算法對(duì)溫度進(jìn)行自適應(yīng)閉環(huán)控制。

1 套管殺菌工藝流程

果汁在生產(chǎn)過(guò)程中需要對(duì)霉菌、色澤、pH等進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。其中霉菌、維生素及可溶性物質(zhì)含量對(duì)于果汁的質(zhì)量具有重要影響。

果汁殺菌裝置采用套管熱交換式裝置對(duì)果汁進(jìn)行高溫?fù)Q熱，從而實(shí)現(xiàn)殺菌目的。套管殺菌主要包括殺菌、保溫以及冷卻三大流程。在殺菌階段需要保證套管式換熱器溫度快速達(dá)到殺菌所需要的目標(biāo)溫度，并始終保持在此值，從而殺死各種微生物及霉菌；保溫殺菌后，則需要對(duì)果汁進(jìn)行冷卻降溫處理，降溫處理后開始對(duì)果汁進(jìn)行密封灌裝。在殺菌工藝過(guò)程中，最為關(guān)鍵的是需要對(duì)殺菌溫度進(jìn)行高精度、高速度控制。若殺菌溫度達(dá)不到設(shè)定目標(biāo)溫度，會(huì)導(dǎo)致果汁中存在較多的微生物，從而使得果汁保質(zhì)期大幅降低且存在變質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)；若殺菌溫度大大超過(guò)殺菌溫度，會(huì)嚴(yán)重破壞果汁中的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，且會(huì)使得其色澤出現(xiàn)下降，從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。圖1為果汁套管殺局工藝流程圖[3]。

2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

2.1 傳統(tǒng)PID控制

傳統(tǒng)PID控制算法是利用目標(biāo)值與實(shí)際值之間的誤差輸出結(jié)果，并對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行適當(dāng)控制以消除誤差。該算法并不完全依賴控制對(duì)象的輸入和輸出特性[4-5]。在工業(yè)控制領(lǐng)域中，通過(guò)工程人員的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試可以確定PID參數(shù)的最佳值，從而使得控制器獲得良好的靜態(tài)特性[6-7]。在果汁殺菌工藝中需要根據(jù)套管溫度和目標(biāo)溫度值之間的差值，對(duì)蒸汽閥開度進(jìn)行調(diào)整，從而使溫度保持在一定值。PID控制原理如圖2所示。

在圖2所示的PID控制框圖中，y(t)為殺菌溫度的實(shí)際測(cè)量值；r(t)為殺菌工藝溫度控制系統(tǒng)溫度的設(shè)定值；誤差e(t)為溫度測(cè)量值和目標(biāo)值的差值。PID系統(tǒng)的誤差模型和輸出模型為

圖2 PID控制原理

通過(guò)傳遞函數(shù)可以將式（2）改寫為

式中：Kp、Ki、Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。

2.2 模糊PID控制算法

模糊控制方法是一種智能控制算法，與傳統(tǒng)PID控制算法相比，模糊控制可以不依賴數(shù)學(xué)模型，因此不需要被控對(duì)象具有精確的數(shù)學(xué)模型，這也是模糊控制理論擁有的最大優(yōu)勢(shì)，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來(lái)便利。模糊PID控制器原理如圖3所示。

圖3 模糊PID控制器原理

傳統(tǒng)PID控制算法由于參數(shù)固定不變，在PID算法中引入模糊控制理論，可使傳統(tǒng)PID控制器擁有參數(shù)自動(dòng)變更的能力，從而使得控制器具有自適應(yīng)能力。模糊PID控制器擁有2個(gè)輸入和1個(gè)輸出，其中溫度誤差和溫度誤差的變化量為控制器的2個(gè)輸入，蒸汽閥開度則為控制系統(tǒng)的輸出。模糊控制利用模糊規(guī)則中的知識(shí)庫(kù)和模糊推理，不斷對(duì)PID控制器中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同情況下導(dǎo)致的系統(tǒng)變化，進(jìn)而控制各個(gè)時(shí)刻誤差接近于0，從而達(dá)到殺菌溫度控制工藝要求。模糊自適應(yīng)PID控制器根據(jù)模糊規(guī)則表對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線自動(dòng)調(diào)節(jié)，通常模糊規(guī)則是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工程人員經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而來(lái)[8-9]。模糊控制的輸入和輸出所對(duì)應(yīng)隸屬度函數(shù)分布情況如圖3所示。

2.3 PLC程序?qū)崿F(xiàn)

在PLC程序中通過(guò)檢測(cè)在線參數(shù)查詢表，模糊控制方法在PLC中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，這種編程方法可以大幅加快系統(tǒng)的計(jì)算速度。模糊PID控制器在PLC中實(shí)現(xiàn)的流程如圖5所示。在模糊控制規(guī)則中，需要不斷地查詢模糊控制量表，為提高查詢速度，采用變址尋址的方式將PID控制器結(jié)果按照一定規(guī)則分別存儲(chǔ)到PLC的數(shù)據(jù)寄存器DT1～DT700，DT701～DT1401中。通過(guò)溫度傳感器將套管殺菌溫度實(shí)時(shí)傳送到溫度采集模塊中，通過(guò)程序計(jì)算出溫度偏差e(t)及溫度偏差de，并對(duì)e(t)和de進(jìn)行模糊化處理，將處理結(jié)果存放到固定寄存器中。經(jīng)過(guò)查表后得到模糊控制量，并將優(yōu)化后的模糊控制參數(shù)傳送到PID控制器中，最終得到優(yōu)化后的Kp、Ki、Kd，模糊PID控制器將輸出結(jié)構(gòu)通過(guò)PLC模擬量輸出模塊傳送到蒸汽閥控制芯片中從而實(shí)現(xiàn)蒸汽閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖4 隸屬度函數(shù)

圖5 模糊PID實(shí)現(xiàn)流程

3 仿真分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在殺菌工藝流程中的有效性，利用MATLAB仿真軟件進(jìn)行仿真分析。對(duì)被控對(duì)象施加階躍信號(hào)，并比較常規(guī)PID控制和REF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的仿真結(jié)果，具體如圖6所示。

仿真結(jié)果表明，采用模糊PID控制器時(shí)，并沒(méi)有產(chǎn)生非常大的超調(diào)現(xiàn)象，在某種程度上克服常規(guī)PID控制的不足。因殺菌溫度系統(tǒng)非線性導(dǎo)致的較大跟蹤偏差均被減小，說(shuō)明所述控制系統(tǒng)具有比較好的溫度跟隨特性和抗干擾性能，即所述控制系統(tǒng)能夠很好地提高殺菌溫度精度。

圖6 仿真結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

為提高果汁殺菌溫度控制精度，將模糊控制方法引入到傳統(tǒng)PID控制器中，通過(guò)模糊規(guī)則實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線自適應(yīng)調(diào)整，并在PLC中實(shí)現(xiàn)控制算法。仿真結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠快速實(shí)現(xiàn)溫度的收斂，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)溫度，且達(dá)到目標(biāo)溫度后溫度波動(dòng)較小，該溫度控制方法可有效提高殺菌效果，提升果汁品質(zhì)。