一种等离子体太阳能马铃薯干燥机及其控制方法与流程

本发明涉及粮食干燥技术领域，更具体的是，本发明涉及一种等离子体太阳能马铃薯干燥机及其控制方法。

背景技术：

国家农业部启动了马铃薯主粮化战略，马铃薯成为继稻米、小麦、玉米之外的第四大主粮。我国已成为马铃薯生产和消费大国，但从农户种植到企业加工，整个产业仍停留在较为粗放的阶段，尤其是已经收获的马铃薯的储藏，存在较大问题，损失严重。马铃薯需要在较低的水分下储藏，才能保证其不发芽与不霉变，进而保证农产品品质。因此在储藏前需要降低马铃薯的水分，制成脱水马铃薯，可以大大延长马铃薯的贮藏时间，也便于对马铃薯的再次加工和运输，满足马铃薯的主粮化需求。但是马铃薯加工过程中容易发生酶促褐变和非酶褐变，褐变会影响马铃薯的风味和营养价值，所以制备马铃薯加工的工艺流程一定要包括护色的步骤，常用的护色方法是高温漂烫处理或者是使用亚硫酸氢钠、柠檬酸等护色剂，使用过多护色剂会往往会改变马铃薯味道，也会对人得身体有一定危害；然而采用较高温度烘干就会存在非酶褐变造成的产品色泽过深的问题，但是降低温度烘干又会存在酶促褐变造成的产品色泽发黑问题，而且低温烘干时间较长，能耗较大。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种等离子体太阳能马铃薯干燥机，能够在较低温度下不使用护色剂，通过等离子体处理来防止褐变，并通过太阳能加热的气体对马铃薯进行鼓风干燥，既保持马铃薯的良好色泽和风味以及营养价值，还节约了能源。

本发明的另一个目的是提供一种等离子体太阳能马铃薯干燥机的控制方法，在保证马铃薯的良好色泽和风味的前提下，通过控制鼓风机的鼓风风量，加快马铃薯的烘干，降低能耗。

本发明提供的技术方案为：

一种等离子体太阳能马铃薯干燥机，包括：

烘干箱；以及

等离子体处理仪喷枪，其设置在所述烘干箱内壁上；

太阳能集热箱，其内部设置有气体通道，所述气体通道的出口与所述烘干箱底部连通。

优选的是，还包括：

马铃薯托盘，其以一定空隙层叠设置在所述烘干箱中；

旋风装置，其设置在所述烘干箱底部，与所述气体通道的出口相连通；

排气孔，设置在所述烘干箱顶部，用于排出气体；

鼓风机，其与所述气体通道的入口连通，用于提供烘干气体。

优选的是，所述马铃薯托盘为网格状结构。

优选的是，所述太阳能集热箱垂直于阳光入射方向设置，其顶层采用玻璃板，其他面均采用双层镀锌铁板。

优选的是，所述太阳能集热箱上设置有角度调节装置，其包括一高度可调节螺杆，用于根据日照角度调节所述太阳能集热箱的倾斜角度。

优选的是，所示气体通道为双层结构，所述太阳能集热箱内部设置有蓄热层，其围绕所述气体通道设置。

优选的是，还包括：

温度传感器，其设置在所述烘干箱内壁上，用于检测烘干箱内部温度；

重量传感器，其设置在所述马铃薯托盘上，用于检测烘干箱内马铃薯的重量；

转速传感器，其设置在所述鼓风机的风扇旋转轴上，用于检测鼓风机转速；

控制器，其连接所述鼓风机，等离子体处理仪探头，温度传感器，重量传感器和转速传感器，用于接收所述温度传感器，重量传感器和转速传感器的检测数据，并控制所述鼓风机的转速。

相应地，本发明还提供一种等离子体太阳能马铃薯干燥机的控制方法，包括：

将烘干箱内的温度ts、湿马铃薯的重量ms与烘干马铃薯的重量mh的重量差值占比δm/ms输入模糊控制器，所述模糊控制器中烘干箱内的温度ts和马铃薯的重量差值占比δm/ms分为7个等级；

模糊控制器输出鼓风机的转速n，输出分为7个等级；

所述烘干箱内的温度ts的模糊论域为[0,1]，其量化因子为60；所述马铃薯的重量差值占比δm/ms的模糊论域为[0,1]，其量化因子为0.78；输出鼓风机转速n的模糊论域为[0,1]，其量化因子为5400；

输入和输出的模糊集为{nb，nm，ns，0，ps，pm，pb}。

优选的是，还包括模糊pid控制器：

输入第i个烘干过程的马铃薯理想重量差值占比和马铃薯重量差值占比δm/ms的偏差e、偏差变化率ec，输出pid的比例系数kp、比例积分系数ki和微分系数kd，比例系数kp、比例积分系数ki和微分系数kd输入pid控制器进行鼓风机转速n误差补偿控制。

优选的是，

所述马铃薯理想重量差值占比和马铃薯重量差值占比δm/ms的偏差e的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为1；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-2,2]，其量化因子为1；

本发明至少具备以下有益效果：

(1)本发明的等离子体太阳能马铃薯干燥机，能够在较低温度下不使用护色剂，通过等离子体处理来防止褐变，并通过太阳能加热的气体对马铃薯进行鼓风干燥，既保持马铃薯的良好色泽和风味以及营养价值，还节约了能源。

(2)本发明的等离子体太阳能马铃薯干燥机的控制方法，能够在保证马铃薯的良好色泽和风味的前提下，根据烘干箱内的温度ts、马铃薯理想重量差值占比和马铃薯重量差值占比δm/ms，控制鼓风机的转速n，加快马铃薯的烘干，降低能耗。

附图说明

图1为本发明所述等离子体太阳能马铃薯干燥机的结构示意图。

图2是本发明所述模糊控制器和模糊pid控制器的示意图。

图3是本发明所述模糊控制器的输入烘干箱内的温度ts的隶属度函数图。

图4是本发明所述模糊控制器的输入马铃薯的重量差值占比δm/ms的隶属度函数图。

图5是本发明所述模糊控制器的输出鼓风机的鼓风转速n的隶属度函数图。

图6是本发明所述模糊pid控制器的输入偏差e的隶属度函数图。

图7是本发明所述模糊pid控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数图。

图8是本发明所述模糊pid控制器的输出比例系数kp的隶属度函数图。

图9是本发明所述模糊pid控制器的输出比例积分系数ki的隶属度函数图。

图10是本发明所述模糊pid控制器的输出微分系数kd的隶属度函数图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再次阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。

如图1所示，本发明提供一种等离子体太阳能马铃薯干燥机，包括：烘干箱110；以及等离子体处理仪喷枪130，其设置在所述烘干箱110内壁上，利用对气体施加足够的能量使之离化成为等离子状态，利用这些活性组分的性质对待烘干马铃薯进行表面处理，以抑制其褐变而影响其风味；太阳能集热箱140，其内部设置有气体通道141，所述气体通道141的出口与所述烘干箱110底部连通；本实施例中，还包括马铃薯托盘120，其以一定空隙层叠设置在所述烘干箱110内部；旋风装置111，其设置在所述烘干箱110底部，与所述气体通道141的出口相连通，用于改变入口热风方向，将从太阳能集热箱140中加热输送进来的热空气以旋转的方式送入到烘干箱内，增大热风与马铃薯的接触面积，提高烘干效率；鼓风机150，其与所述气体通道141的入口连通，用于提供烘干气体。在所述烘干箱110顶部设置有排气孔112，用于排出从烘干箱110底部输送进来的气体，维持烘干箱110内外压强平衡。本实施例中，所述马铃薯托盘为网格状结构，增大马铃薯与热风的接触面积，加快马铃薯的烘干。所述太阳能集热箱140垂直于阳光入射方向设置，以便其更好的吸收太阳能，并将其转化为热能，其顶层采用玻璃板，其他面均采用双层镀锌铁板，同时，太阳能集热箱140上设置有角度调节装置142，用于根据日照角度调节所述太阳能集热箱140的倾斜角度，更好的吸收太阳能。所述角度调节装置142为一高度可调节螺杆，通过调节螺杆的高度来调整太阳能集热箱140的倾斜度。所述气体通道141为双层结构，所述太阳能集热箱内部设置有蓄热层(图中未示出)，其围绕所述气体通道141设置，减少了热量流失，提高烘干效率。

本实施例干燥机还包括：温度传感器(图中未示出)，其设置在所述烘干箱110内壁上，用于检测烘干箱内部温度；重量传感器(图中未示出)，其设置在所述马铃薯托盘上，用于检测烘干箱内马铃薯的重量；转速传感器(图中未示出)，其设置在所述鼓风机的风扇旋转轴上，用于检测鼓风机转速；以及控制器160，其连接所述鼓风机150，等离子体处理仪喷枪130，温度传感器，重量传感器和转速传感器，用于接收所述温度传感器，重量传感器和转速传感器的检测数据，并控制所述鼓风机150的转速。

马铃薯烘干操作时，将马铃薯均匀切块或者薄片后放入清水中浸泡，清水的温度小于20℃；将马铃薯块沥水后放入烘干箱110中的网格状马铃薯托盘120上，等离子体处理5-30min；鼓风机150将太阳能集热箱140中的热空气鼓入烘干箱110内，控制烘干箱内的温度低于60℃，调整鼓风机的转速，将马铃薯块干燥至水分含量低于10％。

本发明的等离子体太阳能马铃薯干燥机，能够在一定温度下不使用护色剂，通过等离子体处理来防止褐变，并通过太阳能加热的气体对马铃薯进行鼓风干燥，既保持马铃薯的良好色泽和风味以及营养价值，还节约了能源。

本发明还提供一种等离子体太阳能马铃薯干燥机的控制方法，如图2所示，控制器包括模糊控制器和模糊pid控制器，包括以下步骤：

步骤1、烘干箱内的温度ts、湿马铃薯的重量ms与烘干马铃薯的重量mh的重量差值占比δm/ms、鼓风机的转速进行模糊处理；在无控制时，烘干箱内的温度ts的模糊论域为[0,1]，其量化因子为60；马铃薯的重量差值占比δm/ms的模糊论域为[0,1]，其量化因子为0.78；鼓风机的转速的模糊论域为[0,1]，其量化因子为5400。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中烘干箱内的温度ts和马铃薯的重量差值占比δm/ms分为7个等级；输出鼓风机的转速n，输出分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{nb，nm，ns，0，ps，pm，pb}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函，详见图3、4和5。其中所述模糊控制器的模糊控制规则为：

(1)烘干箱内的温度ts一定，马铃薯的重量差值占比δm/ms增大，需要增大鼓风机的转速n；

(2)马铃薯的重量差值占比δm/ms一定，烘干箱内的温度ts增大，需要减小鼓风机的转速n；

模糊控制的具体控制规则详见表一。

表一鼓风机的转速的模糊控制表

模糊控制器的输入烘干箱内的温度ts、马铃薯的重量差值占比δm/ms，用模糊控制规则表一得出模糊控制器的输出鼓风机的转速n，鼓风机转速n利用重心法解模糊化。

步骤2、模糊pid控制器

将第i个烘干过程的马铃薯理想重量差值占比和马铃薯重量差值占比δm/ms的偏差e、偏差变化率ec、输出pid的比例系数kp、比例积分系数ki和微分系数kd进行模糊处理；在无控制时，偏差e的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为1；偏差变化率ec的模糊论域为[-2,2]，其量化因子为1；pid的比例系数kp模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1。pid的比例积分系数ki模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；pid的微分系数kd模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中偏差e、偏差变化率ec分为7个等级；输出pid的比例系数kp、比例积分系数ki和微分系数kd分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{nb，nm，ns，0，ps，pm，pb}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，详见图6-10。其模糊控制规则为：

1、当偏差|e|较大时，增大kp的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的kd，通常取ki＝0；

2、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小kp的取值，使ki较小，选择适当大小的kd；

3、当偏差|e|较小时，增大kpki的取值，为避免出现在系统稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的kd；当|ec|较小时，取较大的kd；具体的模糊控制规则详见表二、三和四。

表二pid的比例系数kp的模糊控制表

表三pid的比例积分系数ki的模糊控制表

表四pid的微分系数kd的模糊控制表

输入第i个烘干过程的马铃薯理想重量差值占比和马铃薯重量差值占比δm/ms的偏差e、偏差变化率ec，输出pid的比例系数kp、比例积分系数ki和微分系数kd，比例系数kp、比例积分系数ki和微分系数kd用高度法进行解模糊化，输入pid控制器进行鼓风机转速n误差补偿控制，其控制算式为：

经实验反复确定，模糊pid控制器对鼓风机转速n进行精确控制，鼓风机转速n为模糊控制器的输出鼓风机转速和pid控制器的鼓风机转速误差补偿值的加和，使鼓风机进行精确控制其转速，使鼓风机转速的偏差小于0.1％。

本发明的等离子体太阳能马铃薯干燥机的控制方法，能够在保证马铃薯的良好色泽和风味的前提下，根据烘干箱内的温度ts和马铃薯重量差值占比δm/ms，控制鼓风机的转速n，加快马铃薯的烘干，降低能耗。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。