基于模糊控制的南美白对虾冰—低温热泵干燥控制系统设计与试验

王国杰

母 刚1,2,3

霍 锦1,2

张 倩1,2,3

张国琛1,2,3

(1. 大连海洋大学机械与动力工程学院，辽宁 大连 116023；2. 大连海洋大学中新合作学院，辽宁 大连 116023；3. 辽宁省海洋渔业装备专业技术创新中心，辽宁 大连 116023)

据统计[1]，2019年中国水产养殖产量达5.08×107t，其中海水养殖产量为2.07×107t，占水产养殖的40.75%。生鲜水产品由于含水率高，增加了包装、贮藏和运输成本，此外过长的冷链也会降低品质，而干燥加工是一种有效的贮藏方法[2-4]。与一般物料不同，水产品对温度十分敏感，温度过高会影响干燥品质，温度过低又会延长干燥时间，增加干燥成本。为解决上述问题，有学者[5]提出冰—低温联合干燥技术，即干燥过程中物料处于冰温和低温两个温度区间。该技术既可以快速去除被干燥物料中的水分，又可以抑制物料内有害微生物的活动及各种酶活性[6-7]，最大限度保留被干燥物料的色泽、外形及营养成分[8-10]，适合于水产品的干燥加工。

冰温干燥起步于日本，山根昭美等[11]将鱼、面条等物料置于温度为-1.5～0.0 ℃，湿度为40%的环境下干燥，并与传统的20 ℃冷风干燥进行对比，发现冰温干燥在保持鲜度上效果良好。另有相关研究[12-14]表明，冰温干燥产品在口感、复水率等方面较其他干燥方式有显著优势。王丰[15]研发了一套冰温微波真空干燥设备，通过真空环境中物料水分蒸发使温度降至冰温带内，而后利用微波辐射加热物料使其脱水。厉建国等[16]在此基础上，改用电加热提供干燥所需热量，并将真空干燥箱置于冷库中，避免外界环境对干燥箱内温度的影响。但由于低压环境中物料温度变化加快，导致电加热启停频繁，控制精度较低。倪超等[17]设计了以PC为上位机，PLC为下位机的全封闭热泵干燥装置监控系统，实现了温湿度控制。母刚等[18]设计了基于LabVIEW的热泵干燥监测系统，能够自动采集温度、湿度和物料重量等参数。上述控制系统一定程度上提高了干燥效率与品质，但在响应速度、控制精度等方面仍存在不足。由于干燥过程是一个非线性、时变性、大惯性的复杂过程，难以建立其准确的数学模型，传统控制方式应用受限，而模糊控制对于解决多变量非线性系统具有显著优势[19-20]。张建锋[21]利用计算机控制技术和组态技术，设计了热泵干燥装置自动监控系统，运用模糊解耦控制算法进行推理，实现了对干燥过程的温湿度解耦控制。

文章拟在冰—低温热泵干燥系统基础上，重点开发其控制系统，通过基于模糊控制策略的软硬件设计实现干燥过程中温度数据实时采集，并根据环境参数在线调整执行机构，精准控制冰、低温干燥箱温度。通过对虾干燥试验验证设备性能，以期为冰—低温热泵干燥系统的推广应用提供依据。

1 冰—低温热泵干燥系统结构

冰—低温热泵干燥系统结构图如图1所示。其中，冰、低温干燥室内腔尺寸为350 mm×450 mm×450 mm，外层填充50 mm厚的岩棉作为保温层，内置4层物料托盘，门用密封条密封，两侧分别开有150 mm×150 mm的风道；离心风机(上海应发YY71-4)额定功率为250 W、转速为1 450 r/min；通风管道尺寸为200 mm×200 mm，采用1.5 mm厚的镀锌钢板，外层用50 mm厚的橡塑保温棉保温；整机尺寸为3 000 mm×1 300 mm×1 700 mm。

该系统具有冰温干燥和低温干燥两种模式，且可同时运行，既能单独进行冰温或低温干燥，又能分阶段进行冰—低温联合干燥，提高了热泵利用率与干燥效率。冰—低温热泵干燥系统由工质循环系统、空气循环系统和控制系统3部分组成。

工质循环系统是干燥系统的重要组成部分，干燥箱温湿度调节所需的热量和冷量均由其提供。工质循环系统由压缩机、辅助冷凝器、冷凝器Ⅰ、冷凝器Ⅱ、节流阀、蒸发器Ⅰ、蒸发器Ⅱ和其他制冷配件组成。其中，冷凝器Ⅰ和冷凝器Ⅱ提供干燥所需的热量，多余热量则由辅助冷凝器排出，以调节干燥箱温度。系统采用两级蒸发进行降温除湿，可使温度快速达到物料冰温带内。工质循环系统中设有4个电磁阀，可以改变工质流向实现对工质循环系统的调控。不同工况下，电磁阀的开闭状态及工质流向关系如表1所示。

图1 冰—低温热泵干燥系统结构

表1 不同工况下电磁阀状态与工质流向†

空气循环系统由混合段、回风段、冰温送风段和低温送风段组成。在风道的混合段安装有离心风机，为冰、低温干燥箱提供风量。两个干燥箱出口均安装风量调节阀，通过改变其开度控制干燥箱出口空气的混合比。

2 控制系统设计

2.1 硬件设计

2.1.1 硬件系统结构 冰—低温热泵干燥控制系统由PLC、触摸屏、数据采集系统、执行系统和电源模块组成。PLC是控制系统的核心，触摸屏是人与机器对话的窗口。数据采集系统由温湿度传感器、风速传感器和DP-MODBUS网关组成。执行系统由电磁阀、变频器和风机组成。电源模块为各元件提供其额定的工作电压。控制系统结构图如图 2所示。

2.1.2 硬件选型 选用CPU型号为313C-2DP的西门子PLC作为控制器，其内置16个DI/DO接口，集成2个PROFIBUS DP通讯接口。触摸屏型号为西门子Smart 700E，集成以太网接口。由于该 CPU未集成以太网接口，故配合ETH-MPI以太网转换器(大连德嘉国际电子公司)使用。S7-300 PLC通过ETH-MPI以太网转换器转换为PROFINET(TCP/IP)以太网协议，使用RJ45双绞线与计算机及触摸屏进行数据交换。触摸屏与计算机通过以太网连接，方便安装与通讯。使用DP-MODBUS协议转换器(大连德嘉国际电子公司)对RS-485传感器进行数据采集，并向变频器写入控制字。

图2 硬件系统结构

变频器型号为AS01-4W(韩国AY公司)，配备RS-485标准接口，可由PLC程序控制，可调节功率为0.0～0.4 kW，满足热泵系统中离心风机的功率要求；电磁阀选用进出口直径为10 mm的齐星电磁阀；温湿度传感器为RS-WS-2的RS-485型传感器(建大仁科公司)，风速传感器选择EE65系列传感器(奥地利E+E公司)，传感器参数见表2。风速传感器输出信号为模拟量，不能直接与数据采集模块进行数据传输，需使用 4～20 mA转RS-485模块(建大仁科公司)进行转换。

2.2 模糊控制策略

模糊控制是基于模糊集合理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理模拟人的思维方式，对难以建立数学模型的控制对象实施的一种智能控制方法。模糊控制系统结构包括模糊化、知识库(数据库和规则库)、模糊推理和解模糊化4部分。

南美白对虾干燥过程中，温度是影响干燥效率及干品品质的关键因素。图3为冰温模糊控制系统结构图，设冰温箱温度设定值为r(t)，传感器检测值为y(t)。模糊控制器采用“二维输入一维输出”结构，如图4所示。输入量为设定值r(t)与检测值y(t)的偏差e及偏差变化率ec。输出量为风机变频器的工作频率u，通过PLC向变频器写入控制字以调节风机转速来控制冰温箱温度。

(1)

表2 传感器技术参数

图3 冰温模糊控制系统结构

图4 模糊控制器结构

式中：

r(t)——t时刻冰温箱温度设定值，℃；

y(t)——t时刻冰温箱温度检测值，℃；

e(t)——t时刻温度偏差，℃；

ec(t)——t时刻温度偏差变化率，℃/s。

根据前期冰—低温热泵干燥南美白对虾试验经验，设定冰温箱温度偏差e与偏差变化率ec的基本论域分别为[-6,6]和[-3,3]，风机工作频率u的基本论域为[-3,3]；输入量模糊论域E、EC均为[-3,3]，量化因子分别为0.5和1.0，输出量模糊论域U为[-3,3]，比例因子为1。输入量和输出量的模糊论域划分为7档，即{-3,-2,-1,0,1,2,3}，其语言模糊子集为{NB,NM,NS,ZE,PS,PN,PB}，简记为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。

输入量和输出量的负大(NB)模糊子集采用z型隶属度函数(zmf)，正大(PB)模糊子集采用s型隶属度函数(smf)，其余模糊子集均采用三角形隶属度函数(trimf)，如图5所示。

模糊控制规则是总结有经验的操作者或专家的控制知识经验，制定出的模糊条件语句的集合，通常简写成一个表即模糊控制规则表。确定模糊控制规则的原则是使系统输出响应的动静态特性达到最佳。当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主；当误差较小时，选择控制量要防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。通过Mamdani合成推理方法，采用“if A and B then C”的结构模式，根据上述原则并结合前期冰—低温热泵性能及干燥工艺试验的手动控制经验，得到49条模糊控制规则，如表3所示。

图5 隶属度函数

为了满足工程上的使用要求，利用计算机技术在Matlab软件上对模糊控制器进行仿真，得到如图6 所示输出变量曲面。每个坐标表示一个模糊变量，坐标轴范围即为模糊论域。当输入量偏差E和偏差变化率EC均为-3时，输出量U为-3，与表3的结果一致。

根据表3的模糊控制规则进行模糊推理后得到的结果是一个模糊集合，需要对其进行解模糊化处理才能驱动执行机构，系统采用面积重心法(centroid)进行解模糊化处理。

2.3 软件设计

2.3.1 控制流程 通过冰—低温热泵干燥控制系统对温度进行调节，使物料在适宜的环境中进行干燥，保证水产品干品品质。图7为冰—低温热泵干燥系统控制流程图，开机运行后系统进行初始化，包括 Modbus协议初始化，外设I/O区刷新和中间继电器清零等；通过人机界面设定干燥物料所需的环境参数；利用传感器采集干燥箱内部温度和湿度数据，并传输给S7-300 PLC；经模糊控制程序运算得相应的控制信号，控制电磁阀、变频器等部件执行相应动作，调节冰、低温干燥箱的温度参数，为干燥物料提供适宜的干燥环境。

表3 模糊控制规则表

图6 输出变量曲面

2.3.2 数据通讯 系统使用的协议为Modbus-RTU通讯协议，用到的功能码主要为03H和06H，其中 03H用来读取温湿度传感器的数值，06H用来写入变频器的频率。配置DP-MODBUS协议转换器作为 Profibus从站，同时作为Modbus主站。为确保与各传感器之间正常通讯，需设定其波特率和校验码与 Modbus从站设备一致。根据传感器出厂默认参数，设置系统通讯参数为8N1，即8位数据位，无奇偶校验，1位停止位，波特率为9 600 bit/s。

2.3.3 人机界面 人机界面包括欢迎界面、监测界面、设置界面和报警界面。图8为部分界面图。使用WinCC Flexible软件对Smart700IE触摸屏进行界面设计。监测界面显示冰、低温干燥箱温湿度和风速的实时数据，并设置有跳转按钮实现与各个子界面切换。设置界面包括温湿度数值的实时曲线显示、温度设定和频率设定。风机频率有手动和自动两种控制方式，手动控制是在调试过程中可通过加减按钮调节风机工作频率；自动控制则是通过程序自动设定风机的工作频率。

图7 控制流程图

3 试验与分析

3.1 试验材料与仪器

3.1.1 材料及主要仪器

南美白对虾：市售；

冰—低温热泵干燥装置：自研；

真空干燥箱：DZF型，上海跃进医疗器械有限公司；

电子天平：JA3003型，上海精科天平仪器厂；

便携式测色仪：4500S型，美国Hunter Lab公司；

电子数显卡尺：SF2000型，桂林广陆数字测控有限公司；

数显恒温水浴锅：HH-4型，国华电器有限公司。

3.1.2 对虾预处理 参照王伟华等[22]的方法。预处理后对虾质量为(6.04±0.24) g/尾，并按(90±3) g/袋将其保存于自封袋中备用。

3.2 试验方法

3.2.1 空载试验 分别使用PID控制和模糊控制两种方式调节冰温干燥箱和低温干燥箱温度至-2，20 ℃。温湿度采集点位于冰、低温干燥箱入口处，采样周期为1 min。

图8 人机界面

3.2.2 干燥试验 设定冰温干燥箱温度为-2 ℃，低温干燥箱温度为20 ℃。将预处理后的南美白对虾分为5组，每组用量1袋，分别进行冰温干燥、低温干燥、联合干燥1 (冰温干燥至含水率60%转为低温干燥)、联合干燥2 (冰温干燥至含水率50%转为低温干燥)和联合干燥3 (冰温干燥至含水率40%转为低温干燥)。

3.2.3 含水率测定 根据GB/T 5009.3—2016将南美白对虾干燥至恒重。按式(2)计算对虾含水率[23]。

(2)

式中：

Wt——t时刻物料含水率，%；

mt——t时刻物料质量，g；

m0——干燥前物料质量，g；

W0——物料初始含水率。

3.2.4 色度差测定 取南美白对虾样品5只，用色度仪测定并记录其干燥前后的L*,a*,b*，并按式(3)计算南美白对虾的色度差。

(3)

式中：

ΔE*——干燥前后的色度差；

ΔL*——干燥前后的黑白度差；

Δa*——干燥前后的红绿度差；

Δb*——干燥前后的黄蓝度差。

3.2.5 收缩率与复水率测定 取南美白对虾样品5只，用电子数显卡尺测量其干燥前后虾头后部最厚部位尺寸。取干燥后南美白对虾样品5只，称重，将其置于600 mL沸水中10 min，于筛网上沥干水分，称重。分别按式(4)和式(5)计算收缩率、复水率。

(4)

(5)

式中：

r——对虾收缩率，%；

v——干燥前虾头后部尺寸，mm；

v0——干燥后虾头后部尺寸，mm；

Rf——对虾复水率，%；

mf——对虾复水后质量，g；

mg——对虾复水前质量，g。

3.3 结果与分析

3.3.1 温湿度控制效果 由图9可知，空载试验中冰、低温干燥箱初始温度为 16.6 ℃，模糊控制下冰温干燥箱温度达到目标值时用时约20 min，低温干燥箱温度达到目标值时用时约 17 min。由表4可知，稳态后模糊控制下冰温干燥箱温度为-2.5～-1.7 ℃，最大温差0.8 ℃，与PID控制下最大温差1.5 ℃相比，波动范围缩小了46.7%；模糊控制下低温干燥箱温度为20.3～ 21.4 ℃，最大温差1.1 ℃，较PID控制下最大温差2.6 ℃缩小了57.7%。综上，与PID控制相比，模糊控制缩小了冰、低温干燥箱稳态下温度波动范围，稳态性能和控制效果得到改善。稳态后冰温箱湿度范围为52.7%～55.9%，低温箱湿度范围为14.2%～15.9%。

3.3.2 对虾干燥效果 由图10(a)可知，冰温干燥、低温干燥和联合干燥均能有效降低南美白对虾含水率。其中，低温干燥对虾至目标含水率用时最短为22 h，是因为低温干燥组在5组试验中平均温度最高(20 ℃左右)。冰温干燥用时最长，干燥76 h后含水率仍为23.46%，并且很难下降，是由于冰温干燥箱环境湿度过高(52.7%～55.9%)导致对虾吸湿和解吸平衡，因此有必要进行冰—低温联合干燥进一步降低其含水率。冰—低温联合干燥中，冰温干燥至含水率为60%，50%，40%分别用时10，20，36 h，由冰温干燥转换为低温干燥后干燥速率明显提高，同样物料中水分由内向外迁移受温度影响。温度越高，物料内外温差越大，越有利于水分的扩散[24]。此外，不同干燥模式下干燥速率均为初期快而后逐渐下降，这是因为干燥速率受空气相对湿度与物料含水率差值的影响。干燥初始阶段，空气相对湿度与物料含水量差值较大，有利于物料内水分的扩散。随着干燥的进行，物料含水率降低，二者之间差值变小，减缓了水分扩散的速度[25]。

图9 温湿度变化曲线

表4 不同控制方式下干燥箱温度

图10 干燥效果

由图10(b)可知，联合干燥1和联合干燥3干燥前后对虾的色度差最小，较大程度地保存了对虾的色泽，可能是由于各种酶的活性和微生物活动减小，避免了对虾中不饱和脂肪酸氧化和表面发黄。影响收缩率的主要因素是干燥过程中肌纤维的收缩使得物料组织结构塌陷，由图10(c)可知，联合干燥2的对虾组织结构变化最小；而影响复水率的主要因素是干燥产品的内部孔隙度，孔隙度越大复水率越高，联合干燥1的复水率最高。

4 结论

针对冰—低温热泵干燥南美白对虾过程中非线性、大惯性和时滞性等问题，设计了基于模糊控制的控制系统。该系统结构简单，运行稳定，具备冰温干燥、低温干燥和冰—低温联合干燥3种运行模式，以满足不同干燥需求。试验表明，基于模糊算法的控制系统可使干燥箱温度快速达到冰、低温干燥所需温度，稳态后温度波动小，控制精度高。冰—低温联合干燥既能快速有效地去除对虾中的水分，又能保留对虾的色泽，且在收缩率与复水率方面有一定优势，适合南美白对虾的冰—低温自动化干燥加工。由于试验中的干燥品质评价指标较少，后续可从质构、感官、微观结构等方面综合评价对虾干燥品质，为进一步的应用与推广提供更为充分的数据支撑。