張麗華 董天飛 牛文昭

(赤峰工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024005)

面食發(fā)酵制作過程繁瑣，耗時(shí)、耗力，各個(gè)步驟都會(huì)影響最后的發(fā)酵效果。將自動(dòng)化技術(shù)與面食的發(fā)酵制作結(jié)合起來誕生了發(fā)面機(jī)，簡化了面食的發(fā)酵制作過程，具有比人工制作更好的效果。但在發(fā)面機(jī)整個(gè)發(fā)酵過程中，自動(dòng)入料揉制面團(tuán)時(shí)存在抖動(dòng)幅度較大、難以控制等不足，需進(jìn)行控制系統(tǒng)的優(yōu)化。

基于模糊積分控制[1]的發(fā)面機(jī)發(fā)酵系統(tǒng)采用非線性控制方法，不依賴于數(shù)學(xué)模型，對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)變化不敏感，表現(xiàn)出極強(qiáng)的魯棒性，但在模糊控制域的劃分方面較為粗糙，無法實(shí)現(xiàn)高精度控制?；贐P控制[2]的發(fā)面機(jī)發(fā)酵系統(tǒng)的BP網(wǎng)絡(luò)可表示任意非線性函數(shù)，具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，容錯(cuò)性較好，可適用于復(fù)雜非線性系統(tǒng)，但在控制入料進(jìn)程時(shí)的運(yùn)行較為繁瑣，時(shí)效性較差。

文章擬提出一種基于數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)控制的優(yōu)化方法。通過對(duì)發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從人機(jī)交互界面中進(jìn)行面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料的人機(jī)交互和面板操作，優(yōu)化面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料的運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)基于DSP控制的面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料系統(tǒng)。采用誤差反饋控制算法進(jìn)行面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料的控制算法設(shè)計(jì)，再進(jìn)行面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)并進(jìn)行仿真試驗(yàn)分析，以驗(yàn)證方法的系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度。

1 發(fā)酵入料系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架和功能器件組成

發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料控制系統(tǒng)主要包括總體設(shè)計(jì)構(gòu)架、功能模塊設(shè)計(jì)和控制算法設(shè)計(jì)。結(jié)合集成的信息處理器進(jìn)行面食發(fā)酵自動(dòng)入料系統(tǒng)的模糊控制設(shè)計(jì)等對(duì)發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料系統(tǒng)總體構(gòu)架進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)方法優(yōu)化的入料系統(tǒng)功能器件組成如圖1所示。

總體設(shè)計(jì)構(gòu)架如圖2所示，采用PLC邏輯可編程芯片進(jìn)行面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料過程中的模糊控制，通過對(duì)面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料控制的硬件模塊化開發(fā)，設(shè)計(jì)面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料系統(tǒng)的上位機(jī)模塊，采用集成的DSP信息處理器進(jìn)行面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料系統(tǒng)的總線控制，采用ADSP21160作為核心處理器[3]進(jìn)行面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料控制系統(tǒng)的集成信息處理和控制指令的收發(fā)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，用ISA/EISA/Micro Channel擴(kuò)充總線進(jìn)行面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料控制系統(tǒng)的控制指令加載。

1. 面粉量控制系統(tǒng) 2. 出口 3. 控制閥門 4. 電加熱膜 5. 發(fā)面裝置 6. 自動(dòng)注水口 7. 酵母入料口 8. 攪拌裝置 9. 面粉入料口 10. 溫度控制器 11. 重量控制器圖1 自動(dòng)入料系統(tǒng)功能器件組成Figure 1 Functional components of automatic feeding system

圖2 發(fā)面機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架Figure 2 Overall design framework of the system

采用ADSP21160處理器系統(tǒng)作為面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料系統(tǒng)的主控芯片，結(jié)合DSP邏輯控制方法進(jìn)行面食發(fā)酵入料的機(jī)械振動(dòng)信息采集，主要采集物料的質(zhì)量信息、密度信息和入料的樣本屬性特征信息[4]，根據(jù)信息采集結(jié)果進(jìn)行面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料系統(tǒng)的參數(shù)信息融合。如圖3所示，固態(tài)繼電器(SSR)采用的是半導(dǎo)體元件組裝而成的無觸點(diǎn)開關(guān)，自動(dòng)入料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，主電路將固態(tài)繼電器S12串聯(lián)與振動(dòng)控制器直接連接在一起。該自動(dòng)入料控制系統(tǒng)由兩個(gè)固定電阻(Rq1和Rq3)和一個(gè)可變電阻(Rq2)組成，可應(yīng)對(duì)不同環(huán)境的影響，通過改變可變電阻的電阻值改變控制程序中的標(biāo)準(zhǔn)值，增強(qiáng)其控制程序控制穩(wěn)定性。

采用ADSP21160作為核心處理器進(jìn)行面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料系統(tǒng)的集成信息處理和控制指令的收發(fā)，采用嵌入式的交叉編譯方法進(jìn)行面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料系統(tǒng)的上位機(jī)通信，采用VIX總線控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料系統(tǒng)的總線集成控制[5]，包括面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料的信息采集模塊、AD信息輸出轉(zhuǎn)換模塊、上位機(jī)通信模塊、邏輯自動(dòng)控制模塊和人機(jī)交互控制模塊等，發(fā)面機(jī)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)[6]模塊如圖4所示。

圖3 自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理Figure 3 Design principle of automatic feeding system

圖4 發(fā)面機(jī)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)模塊Figure 4 Functional structure module of the system

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 信息采集模塊

設(shè)定發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料系統(tǒng)控制信息采集的動(dòng)態(tài)范圍為-22～+25 dB，采用ISA/EISA構(gòu)架模式進(jìn)行發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)的總線開發(fā)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)的總線傳輸協(xié)議，在ARM嵌入式微處理器環(huán)境下進(jìn)行發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換和信息采集[7]，構(gòu)建發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)的智能控制平臺(tái)，信息采集模塊如圖5所示，其中對(duì)應(yīng)英文為器件型號(hào)。

圖5 信息采集模塊Figure 5 Information acquisition module

2.2 AD轉(zhuǎn)換模塊

AD轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)的控制信息采樣和數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，采用Flash、RAM、SOC作為發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)控制的嵌入式調(diào)度，采用ADSP-BF537BBC-5A實(shí)現(xiàn)發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)控制總線設(shè)計(jì)，結(jié)合嵌入式的ARM進(jìn)行發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)的總線輸出控制設(shè)計(jì)[8]。在信息集成處理模塊中實(shí)現(xiàn)發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)控制的智能信息處理和人機(jī)交互設(shè)計(jì)，AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)如圖6所示。

2.3 邏輯自動(dòng)控制模塊

邏輯自動(dòng)控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制終端，在嵌入式環(huán)境下進(jìn)行發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料控制系統(tǒng)的程序加載，采用邏輯PLC控制方法進(jìn)行發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵的自適應(yīng)控制，在ZigBee組網(wǎng)協(xié)議中進(jìn)行發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料控制，構(gòu)造發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料控制的總線編譯控制器，在節(jié)能控制過程中實(shí)現(xiàn)發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料控制和人機(jī)交互，采用ISA/EISA構(gòu)架模式進(jìn)行發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)的邏輯自動(dòng)控制設(shè)計(jì)，在信息集成處理模塊中實(shí)現(xiàn)發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料控制的智能信息處理，邏輯自動(dòng)控制模塊如圖7所示。

圖6 AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)Figure 6 AD conversion module design

2.4 人機(jī)交互控制模塊

人機(jī)交互控制模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)計(jì)功能，采用APLC21160邏輯處理器芯片作為發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料控制的數(shù)字處理芯片，通過DSP發(fā)送發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)控制指令，在PLC中進(jìn)行發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)控制系統(tǒng)的總線控制和接口轉(zhuǎn)換，在執(zhí)行器中進(jìn)行發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)的控制指令收發(fā)轉(zhuǎn)換，結(jié)合嵌入式的ARM進(jìn)行發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)的入料感應(yīng)控制設(shè)計(jì)，通過LCDDMA、LPC3600進(jìn)行發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)的中央控制，得到人機(jī)交互控制模塊的硬件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)。在嵌入式的ARM環(huán)境下構(gòu)建發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料控制指令傳輸協(xié)議，結(jié)合集成DSP高速信息處理器進(jìn)行發(fā)酵機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)的硬件集成設(shè)計(jì)，得到系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)電路圖如圖8所示。

圖7 邏輯自動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)Figure 7 Design of logic automatic control module

圖8 系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)電路圖Figure 8 Integrated design circuit diagram of the system

3 控制算法設(shè)計(jì)

在上述進(jìn)行發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架和功能模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)的控制算法設(shè)計(jì)，采用模糊反饋?zhàn)赃m應(yīng)調(diào)節(jié)控制的方法進(jìn)行面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料系統(tǒng)的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)，構(gòu)造專家系統(tǒng)進(jìn)行入料過程中的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，得到調(diào)節(jié)系數(shù)[9-10]：

(1)

調(diào)節(jié)發(fā)面機(jī)入水隔網(wǎng)定向角度，采用非線性時(shí)變補(bǔ)償?shù)姆椒?，得到面食發(fā)酵機(jī)組件結(jié)構(gòu)控制模型表示為：

usw=-Ksat[S(t)/μ]/(λgx+gθ)。

(2)

確定不同規(guī)格發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵的密度，初始通量調(diào)節(jié)的不等式：

(3)

確定發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料的線性補(bǔ)償規(guī)則，在相同運(yùn)行壓力條件下，得到自適應(yīng)控制律為：

(s2+λxs+αx)λex(s)+(s2+λθs+βθ)eθ(s)=λ(s+1+λx)ex(0)+(s+1+λθ)eθ(0)。

(4)

發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵的條件轉(zhuǎn)移概率密度分布函數(shù)為：

H(s)=D[sI-Am]-1I。

(5)

在運(yùn)行壓力增長的條件下，采用多通道加權(quán)控制的方法，得到流體密度調(diào)節(jié)誤差收斂于：

(6)

確定補(bǔ)償規(guī)則，根據(jù)截面幾何形狀，得到發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料的流體控制模型方程為：

(7)

式中：

Km——流體密度,g/cm3；

δ——入料流體流速,m/s；

θ——進(jìn)水隔網(wǎng)偏移角度(其中sinθp=θp，cosθp=1),(°)。

使用上述算法進(jìn)行發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料的自動(dòng)控制，提高發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料的優(yōu)化控制能力，達(dá)到優(yōu)化發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵控制系統(tǒng)。

4 仿真試驗(yàn)

4.1 控制性能

為了驗(yàn)證試驗(yàn)方法在實(shí)現(xiàn)發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料控制中的性能，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。設(shè)置面食發(fā)酵機(jī)械自動(dòng)入料控制的載頻為120 Hz，低頻轉(zhuǎn)換頻率為10 Hz，發(fā)面機(jī)的電機(jī)輸入電壓為100～220 V，時(shí)鐘電平輸出μ=4π×10-7H/m，控制指令的調(diào)頻幅度在4 V以內(nèi)，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，將試驗(yàn)方法與基于模糊積分控制和基于BP控制方法進(jìn)行發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料控制。由圖9可知，試驗(yàn)方法進(jìn)行發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料控制的自適應(yīng)性較好，且控制性能較穩(wěn)定，試驗(yàn)方法具有良好的控制性能。

圖9 發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料的控制性能曲線Figure 9 Control performance curve of automatic feeding of dough machine

4.2 控制誤差

由表1可知，試驗(yàn)方法進(jìn)行發(fā)面機(jī)自動(dòng)入料控制在不同迭代步數(shù)下的誤差均低于基于模糊積分控制和基于BP控制方法，說明試驗(yàn)方法具有高精度控制性能。

表1 控制誤差值對(duì)比結(jié)果Table 1 Error comparison of three methods after iteration

5 結(jié)論

針對(duì)發(fā)面機(jī)發(fā)酵時(shí)入料過程中揉制面團(tuán)的抖動(dòng)幅度較大導(dǎo)致入料控制性能差的問題，提出一種基于數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)控制的優(yōu)化方法。針對(duì)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)中的自動(dòng)入料系統(tǒng)，通過實(shí)現(xiàn)面食發(fā)酵入料的自動(dòng)配置和優(yōu)化配比控制，設(shè)計(jì)集成信息處理和收發(fā)轉(zhuǎn)換的控制指令，通過對(duì)系統(tǒng)的信息采集模塊、AD信息輸出轉(zhuǎn)換模塊、上位機(jī)通信模塊、邏輯自動(dòng)控制模塊和人機(jī)交互控制，完成自動(dòng)入料系統(tǒng)的優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于基于模糊積分控制和基于BP控制的方法，且入料控制誤差在迭代500次時(shí)僅為0.1%，表現(xiàn)出良好的控制精度，提高了面食發(fā)酵機(jī)自動(dòng)入料系統(tǒng)的控制能力，增強(qiáng)了發(fā)面機(jī)自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)的整體性能，保證了后續(xù)發(fā)酵的效果。研究的不足之處在于受實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和試驗(yàn)條件的限制，驗(yàn)證試驗(yàn)指標(biāo)不夠全面，以后會(huì)在研究中加強(qiáng)系統(tǒng)模塊的細(xì)化，為相關(guān)研究領(lǐng)域提供參考。