一种果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统及控制方法，该系统包括主控模块以及与主控模块连接的信号采集模块和执行机构，所述信号采集模块包括温度传感器和湿度传感器，所述执行机构包括制冷机组和加湿设备；所述信号采集模块中包括的各部分通过数字控制模拟电子开关CD4051中的各通道与主控模块连接。本发明系统能够实现对果蔬保鲜陈列柜温度和湿度两个参数的控制，能够将果蔬保鲜陈列柜环境温度和相对湿度保持在设定的范围内，有效延长果蔬货架销售时间并保持其商品价值，本发明系统通过模糊PID控制计算方法获取湿度控制量，具有控制精确度高、稳定性强和可靠性高的优点。
【专利说明】一种果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种温湿控制系统，特别涉及一种果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]随着现代商业的发展和人民生活水平的提高，冷藏、冷冻食品的消费日益普遍，果蔬保鲜陈列柜是超市商店等最为常见的一种果蔬保鲜方式。果蔬保鲜与温度、湿度、气体成分、光等相关因素均有直接关系，采摘后贮藏环境的温度和湿度是两大关键因素。大多数果蔬组织中水分占80%?90%以上，水分是影响果蔬嫩度、鲜度和味道的重要因素，果蔬采收后，水分得不到补充，在运贮过程中容易蒸发散失水分而引起萎焉、失重和失鲜，严重影响果蔬的商品价值。其失水程度不仅仅与果蔬的种类、品种有关，更与果蔬贮藏运输环境密切相关。研究表明:低温可以抑制果蔬呼吸和其他一些代谢过程，并且能减少水分子动能，使液态水的蒸发速度降低，从而延缓衰老，保持水果的新鲜与饱满；采收后的果蔬吸收植物根部水分的过程终止，果蔬中水分的损失可以引起结构、质地和表面的变化，因此减少水分损失对于保持果蔬新鲜度和质量起着关键的作用。减少采摘后水果蔬菜水分的损失主要依靠果蔬和周围环境中水蒸气压差以及果蔬表面及内部组织对水分蒸发作用的抗性。
[0003]传统的水果蔬菜销售采用陈列柜低温贮藏的方式实现果蔬的保鲜，在降温过程中，大量水蒸气在蒸发盘管凝结，导致环境相对湿度大大降低，从而加快果蔬货架销售期间的品质下降，并且导致干耗加重等问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种稳定、可靠以及精确度高的果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统。该控制系统实现了果蔬保鲜陈列柜温度和湿度两个参数的控制，能够将果蔬保鲜陈列柜环境温度和相对湿度保持在设定的范围内，延长了果蔬保鲜期，避免果蔬出现干耗等影响品质的问题。
[0005]本发明的第二目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种上述果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统实现的温湿控制方法。
[0006]本发明的第一目的通过下述技术方案实现:一种果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统，包括主控模块以及与主控模块连接的信号采集模块和执行机构，所述信号采集模块包括温度传感器和湿度传感器，所述执行机构包括制冷机组和加湿设备；所述信号采集模块中包括的各部分通过数字控制模拟电子开关CD4051中的各通道与主控模块连接。
[0007]优选的，所述加湿设备包括超声波加湿器、为超声波加湿器供水的加湿水箱以及为水箱补充水源的水泵，其中加湿设备中的水泵和超声波加湿器分别与主控模块连接；所述信号采集模块还包括设置在加湿水箱中的液位传感器。
[0008]更进一步的，所述加湿设备中包含有9个超声波加湿器，分为五组，其中第一组包括I个超声波加湿器，第二组包括3个超声波加湿器，第三组包括5个超声波加湿器，第四组包括7个超声波加湿器，第五组包括9个超声波加湿器；所述主控模块根据加湿量控制其中一组超声波加湿器工作。
[0009]优选的，所述主控模块还连接有保护装置和报警装置，所述保护装置为熔断器装置，所述报警装置包括指示灯和蜂鸣器。
[0010]优选的，所述主控模块还连接有用于设置目标保鲜参数范围的键盘以及用于显示保鲜参数的液晶显示器，其中保鲜参数包括温度参数和湿度参数。
[0011]优选的，所述主控模块与执行结构之间连接有光电耦合器和复合晶体管阵列ULN2003，通过光电耦合器对主控模块输出的控制信号与执行结构进行隔离。
[0012]本发明的第二目的通过下述技术方案实现:一种果蔬保鲜陈列柜温湿控制方法，包括如下步骤:
[0013]S1、系统初始化:开启系统；
[0014]S2、判断系统中当前的目标温度参数范围和目标湿度参数范围是否符合所要保鲜的果蔬；若是，则进入步骤S4 ;若否，则进入步骤S3 ；
[0015]S3、根据所要保鲜的果蔬对温度参数和湿度参数的需求对系统中的目标温度参数范围和目标湿度参数范围进行重新设定；然后进入步骤S4 ；
[0016]S4、信号采集模块采集果蔬保鲜陈列柜当前的温度参数和湿度参数，并将其采集到的温度参数和湿度参数数据传送到主控模块中，主控模块对接收到的温度参数和湿度参数数据采用平均滤波法进行滤波处理；
[0017]S5、主控模块将信号采集模块采集到的温度参数和湿度参数分别与目标温度参数范围和目标湿度参数范围进行对比，判断当前采集的温度和湿度参数是否分别在目标温度参数范围和目标湿度参数范围内；
[0018]若是，则回到步骤S2;
[0019]若否，则主控模块启动制冷机组和/或加湿设备对当前的温度和/或湿度进行调整，其中主控模块采用模糊PID控制算法计算湿度控制量，并且输出到加湿设备中，加湿设备根据其所接收到的湿度控制量信号对当前果蔬保鲜陈列柜环境进行湿度控制。
[0020]优选的，所述步骤S5中模糊PID控制算法计算当前果蔬保鲜陈列柜环境的湿度控制量的具体步骤如下:
[0021]S5.1、精确量的模糊化:
[0022]S5.1.1、确定湿度误差、湿度误差变化率和湿度PID控制量修正值的基本集合论域；
[0023]S5.1.2、将湿度误差、湿度误差变化率和湿度PID控制量修正值的基本集合论转换成模糊集合论域；
[0024]S5.1.3、确定湿度误差、湿度误差变化率和PID控制量修正值模糊论域上模糊子集的个数和每个模糊子集的语言变量；
[0025]S5.1.4、根据模糊子集的个数和每个模糊子集的语言变量，分别建立湿度误差、湿度误差变化率和PID控制量修正值的语言变量模糊集合隶属度函数；
[0026]S5.2、制定模糊控制规则和实现模糊推理:
[0027]S5.2.1、建立PID控制量修正值的控制规则表；
[0028]S5.2.2、实现模糊推理:根据输入的模糊量和知识库进行模糊推理，从而获取模糊控制量，具体步骤如下:
[0029]S5.2.2.1、获取当前湿度误差e和误差变化率ec ；
[0030]S5.2.2.2、比较当前湿度误差e与模糊控制临界值E ；
[0031]当e〈E时，PID控制器的控制参数选取初始值Kp(l、Ki0和Kd(l，则Kp = Kp0, Ki = Ki0,Kd = Kdo ;进入步骤 S5.4.2 ；
[0032]当e≥E时，启用模糊控制，进入步骤S5.2.2.3 ；
[0033]S5.2.2.3、根据湿度误差的语言变量模糊集合隶属度函数将当前湿度误差e量化为模糊论域中的语言变量，即得到输入的湿度误差模糊量；并且判断当前湿度误差e是否大于系统设定的湿度误差上限值或小于湿度误差下限值:若是，则当前湿度误差e设置为系统的湿度误差上限值或下限值；
[0034]根据湿度误差变化率的语言变量模糊集合隶属度函数将当前湿度误差变化率ec量化为模糊论域中的语言变量，即得到输入的湿度误差变化率模糊量；并且判断湿度误差变化率ec是否大于系统设定的湿度误差变化率上限值或小于湿度误差下限值:若是，则将当前湿度误差变化率ec设置为系统的湿度误差变化率上限值或下限值；
[0035]S5.2.2.4、求模糊控制量:通过查找PID控制量修正值的控制规则表，根据步骤S5.2.2.3获取的当前湿度误差e和当前湿度误差变化率ec在模糊论域中的语言变量确定PID控制量修正值的模糊输出量，进入步骤S5.3 ；
[0036]S5.3、将PID控制量修正值的模糊输出量进行清晰化计算，得到PID控制量修正值的清晰输出量Λ K' Ρ、ΛΚ' jPAK' d，进入步骤S5.4;
[0037]S5.4、PID控制量计算与输出:
[0038]S5.4.1、获取PID控制器的控制参数值KpKi和Kd:
[0039]Kp = Kp0+Λ K' ρ，
[0040]Ki = Ki0+ Λ K' ρ
[0041]Kd = Kdo+ Δ K1 d ；
[0042]Kp(l、Ki(l和Kdtl分别是PID控制器的控制参数值初始参数，Λ K, ρ、ΛΚ, JPAK, d是步骤S5.3获取的PID控制器修正值的清晰输出量；
[0043]S5.4.2、PID控制量计算:PID控制器根据e、eC、Kp、Ki和Kd进行运算，得出湿度控制量。
[0044]更进一步的，所述步骤S5.1.1的湿度误差的基本集合论域为:
[0045][-e, e] = [_5，5]；
[0046]所述湿度误差变化率的基本集合论域为:
[0047][-e，e]=[-5，5];
[0048]所述PID控制量修正值Λ Κρ、Λ Ki和Λ Kd的基本集合论域分别为:
[0049][-kp, kp] = [-0.45, 0.45],
[0050][-1ci，kj = [-0.09，0.09]，
[0051][-kd, kd] = [-1.2, 1.2]；
[0052]步骤S5.1.2中将湿度误差的基本集合论域分成2n等份，取n = 5，分割点个数为2n+l = 11，将这11个分割点作为模糊集合论域元素，获取的湿度误差的模糊集合论域为:
[0053]E= {_5，_4，_3，_2，_1，0，1，2，3，4，5}；[0054]将湿度误差变化率的基本集合论域分成2m等份，取m = 5，分割点个数为2m+l =11，将这11个分割点作为模糊集合论域元素，获取的湿度误差变化率的模糊集合论域为:
[0055]E= I 5 -4，-3，-2，-1, O, 1，2，3，4，5}；
[0056]将PID控制量修正值Λ Κρ、Λ Ki和Λ Kd的基本集合论域均分成2d等份，取d = 3，分割点个数为2d+l = 7，将这7个分割点作为模糊集合论域元素，则获取的PID控制量修正值ΛΚρ、AKi和AKd的模糊集合论域分别为:
[0057]Δ Kp = {-0.45，-0.3，-0.15，0，0.15，0.3，0.45}，
[0058]Δ Ki = {-0.09，-0.06，-0.03，0，0.03，0.06，0.09}，
[0059]Δ Kd = {-1.2，-0.8，-0.4,0,0.4,0.8,1.2}；
[0060]所述步骤S5.1.3中湿度误差、湿度误差变化率和PID控制量修正值的模糊集合论域上模糊子集的个数为7，其中7个模糊子集的语言变量分别为正大、正中、正小、零、负小、负中和负大；
[0061]所述步骤S5.1.4中构建的湿度误差、湿度误差变化率的语言变量模糊集合隶属函数为高斯函数隶属函数:
[0062]
【权利要求】
1.一种果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统，包括主控模块以及与主控模块连接的信号采集模块和执行机构，其特征在于，所述信号采集模块包括温度传感器和湿度传感器，所述执行机构包括制冷机组和加湿设备；所述信号采集模块中包括的各部分通过数字控制模拟电子开关⑶4051中的各通道与主控模块连接。
2.根据权利要求1所述的果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统，其特征在于，所述加湿设备包括超声波加湿器、为超声波加湿器供水的加湿水箱以及为水箱补充水源的水泵，其中加湿设备中的水泵和超声波加湿器分别与主控模块连接；所述信号采集模块还包括设置在加湿水箱中的液位传感器。
3.根据权利要求2所述的果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统，其特征在于，所述加湿设备中包含有9个超声波加湿器，分为五组，其中第一组包括I个超声波加湿器，第二组包括3个超声波加湿器，第三组包括5个超声波加湿器，第四组包括7个超声波加湿器，第五组包括9个超声波加湿器；所述主控模块根据加湿量控制其中一组超声波加湿器工作。
4.根据权利要求1所述的果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统，其特征在于，所述主控模块还连接有保护装置和报警装置，所述保护装置为熔断器装置，所述报警装置包括指示灯和蜂鸣器。
5.根据权利要求1所述的果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统，其特征在于，所述主控模块还连接有用于设置目标保鲜参数范围的键盘以及用于显示保鲜参数的液晶显示器，其中保鲜参数包括温度参数和湿度参数。
6.根据权利要求1所述的果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统，其特征在于，所述主控模块与执行结构之间连接有光电耦合器和复合晶体管阵列ULN2003，通过光电耦合器对主控模块输出的控制信号与执行 结构进行隔离。
7.一种果蔬保鲜陈列柜温湿控制方法，其特征在于，包括如下步骤: 51、系统初始化:开启系统； 52、判断系统中当前的目标温度参数范围和目标湿度参数范围是否符合所要保鲜的果蔬；若是，则进入步骤S4 ;若否，则进入步骤S3 ； 53、根据所要保鲜的果蔬对温度参数和湿度参数的需求对系统中的目标温度参数范围和目标湿度参数范围进行重新设定；然后进入步骤S4 ； 54、信号采集模块采集果蔬保鲜陈列柜当前的温度参数和湿度参数，并将其采集到的温度参数和湿度参数数据传送到主控模块中，主控模块对接收到的温度参数和湿度参数数据采用平均滤波法进行滤波处理； 55、主控模块将信号采集模块采集到的温度参数和湿度参数分别与目标温度参数范围和目标湿度参数范围进行对比，判断当前采集的温度和湿度参数是否分别在目标温度参数范围和目标湿度参数范围内； 若是，则回到步骤S2; 若否，则主控模块启动制冷机组和/或加湿设备对当前的温度和/或湿度进行调整，其中主控模块采用模糊PID控制算法计算湿度控制量，并且输出到加湿设备中，加湿设备根据其所接收到的湿度控制量信号对当前果蔬保鲜陈列柜环境进行湿度控制。
8.根据权利要求7所述的果蔬保鲜陈列柜温湿控制方法，其特征在于，所述步骤S5中模糊PID控制算法计算当前果蔬保鲜陈列柜环境的湿度控制量的具体步骤如下:S5.1、精确量的模糊化: S5.1.1、确定湿度误差、湿度误差变化率和湿度PID控制量修正值的基本集合论域； S5.1.2、将湿度误差、湿度误差变化率和湿度PID控制量修正值的基本集合论转换成模糊集合论域； S5.1.3、确定湿度误差、湿度误差变化率和PID控制量修正值模糊论域上模糊子集的个数和每个模糊子集的语言变量； S5.1.4、根据模糊子集的个数和每个模糊子集的语言变量，分别建立湿度误差、湿度误差变化率和PID控制量修正值的语言变量模糊集合隶属度函数； S5.2、制定模糊控制规则和实现模糊推理: S5.2.1、建立PID控制量修正值的控制规则表； S5.2.2、实现模糊推理:根据输入的模糊量和知识库进行模糊推理，从而获取模糊控制量，具体步骤如下:
S5.2.2.1、获取当前湿度误差e和误差变化率ec ； S5.2.2.2、比较当前湿度误差e与模糊控制临界值E ； 当e〈E时，PID控制器的控制参数选取初始值Kp(l、Ki0和Kdtl,则Kp = Kp0, Ki = Ki0, Kd =Kdo ;进入步骤S5.4.2 ； 当e≥E时，启用模糊控制，进入步骤S5.2.2.3 ； S5.2.2.3、根据湿度误差的语言变量模糊集合隶属度函数将当前湿度误差e量化为模糊论域中的语言变量，即得到输入的湿度误差模糊量；并且判断当前湿度误差e是否大于系统设定的湿度误差上限值或小于湿度误差下限值:若是，则当前湿度误差e设置为系统的湿度误差上限值或下限值； 根据湿度误差变化率的语言变量模糊集合隶属度函数将当前湿度误差变化率ec量化为模糊论域中的语言变量，即得到输入的湿度误差变化率模糊量；并且判断湿度误差变化率ec是否大于系统设定的湿度误差变化率上限值或小于湿度误差下限值:若是，则将当前湿度误差变化率ec设置为系统的湿度误差变化率上限值或下限值； S5.2.2.4、求模糊控制量:通过查找PID控制量修正值的控制规则表，根据步骤S5.2.2.3获取的当前湿度误差e和当前湿度误差变化率ec在模糊论域中的语言变量确定PID控制量修正值的模糊输出量，进入步骤S5.3 ； S5.3、将PID控制量修正值的模糊输出量进行清晰化计算，得到PID控制量修正值的清晰输出量Λ K' Ρ、ΛΚ' jPAK' d，进入步骤S5.4; S5.4、PID控制量计算与输出: S5.4.1、获取PID控制器的控制参数值Kp、Ki和Kd: Kp = Kp0+Λ ρ， Ki = UAr i， Kd = Kdo+λ r d； KpQ、Ki(l和Kdtl分别是PID控制器的控制参数值初始参数，ΛΚ, Ρ、ΛΚ, jPAK,,是步骤S5.3获取的PID控制器修正值的清晰输出量； S5.4.2,PID控制量计算:PID控制器根据e、ec、Kp、Ki和Kd进行运算，得出湿度控制量。
9.根据权利要求8所述的果蔬保鲜陈列柜温湿控制方法，其特征在于，所述步骤S5.1.1的湿度误差的基本集合论域为:
[_e, e] = [-5，5]； 所述湿度误差变化率的基本集合论域为:
10.根据权利要求7所述的果蔬保鲜陈列柜温湿控制方法，其特征在于，所述步骤S4中信号采集模块设置在加湿设备水箱中的液位传感器将采集到的液位信号传送给主控模块； 当水箱中的液位低于下限位置时，所述步骤S5中主控模块控制水泵工作，向水箱中补充水源，当水箱液位达到水箱液位上限位置时，则主控模块控制水泵停止工作。
【文档编号】G05D27/02GK104020806SQ201410280235
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】李君 , 岑康华, 王海林, 陆华忠, 吕恩利, 傅涛, 唐本源 申请人:华南农业大学