基于FPGA的模糊控制器管理蔗糖提取
作者:Deepali Vyas 在读硕士研究生 印度拉贾斯坦 Lakshmangarh市Mody科技大学deepalivyas100@yahoo.com
Yogesh Misra 研究员 印度拉贾斯坦 Chittorgarh 市 Mewar 大学 yogeshmisra@yahoo.com
H. R. Kamath 主任 印度中央邦 Indore 市 Malwa 理工学院 rskamath272@gmail.com
采用赛灵思 Virtex-6 FPGA 实现的三输入模糊控制器可在甘蔗制糖过程中保持甘蔗水平高度。
食糖是日常生活中广泛使用的重要食品配料成分。全球一半以上的原糖都从甘蔗中榨取获得。印度是仅次于巴西的世界第二大食糖生产国,从事甘蔗种植的农民及其家属数量有 6000 万,产值达 120 亿美元。
由于甘蔗汁的提取是非线性过程,因此我们的团队将模糊逻辑作为改善流量的方法。Mody 科技大学 (MITS) 研究人员的分析表明,利用赛灵思 FPGA 设计和实现的模糊控制器的性能优于传统控制器。如果每天压榨 2,500 吨甘蔗,就需要 26.6 kg/s 的流速。
在具体研究如何实现三输入模糊控制器之前,我们有必要了解食糖制造的基本知识。
如何提取甘蔗
图 1 给出了甘蔗汁提取流程图。甘蔗坯料是指制糖厂把从甘蔗种植者手中收购来的甘蔗进行称重,并卸在院子内。利用起重机将甘蔗放在传送带上。甘蔗传送带不断移动,负责将甘蔗送到食糖生产厂房内。
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图 1–甘蔗汁提取流程图
甘蔗首先通过两组旋转切刀。切刀将甘蔗切成小段,然后撕蔗机将小段甘蔗切成小块纤维。倾斜传送带将这些大约 1-2cm 的甘蔗块送入Donnelly 榨糖机。压榨机的两三个压辊对甘蔗块进行压榨以提取甘蔗汁。该过程在五六套压榨机中重复进行。剩余的残留物称为甘蔗渣被送到锅炉中作为燃料使用;提取的甘蔗汁需要送去净化,然后送到蒸发器中做成蔗糖。
待加工的甘蔗非常不均匀,在提取汁液过程中会对压榨机效率产生不利影响,可导致压榨机故障、停机和设备堵塞。为了获得最佳的甘蔗汁提取效果,有必要使 Donnelly 榨糖机中的甘蔗水平面保持所需的高度。
我们希望模糊逻辑比传统控制器更好地改变倾斜传送带的速度,以消除甘蔗供给不均的问题并保持所需的甘蔗水平高度。这就是为什么我们尝试将模糊逻辑概念引入制糖领域。
2014 年,我们所做的第一步是设计一款双输入模糊控制器,用来精确监测两个参数的变化:倾斜传送带上的甘蔗重量以及 Donnelly 榨糖机中的甘蔗高度。该控制器的作用是保持榨糖机中的恒定高度,以维持所需的26.6kg/s 的流速。当我们将检测结果与传统控制器的结果进行对比时,可清楚看到双输入模糊控制器的效果要好得多。由于甘蔗在辊子间被压碎,因此我们决定在相同算法中导入第三个参数——辊速——作为实验参数。在加入第三个参数辊速后表明,该变量与其他两个变量同样重要。
因此,2014 年我们将辊速作为第三个参数。我们利用这个附加参数重新设计了算法,并使用 MATLAB® 实现。当新型三输入控制器软件实现方案完成后[3],下一步是实现算法和使用赛灵思 FPGA 开发整个模糊系统。FPGA 这种可重编程芯片能够对电子电路进行实时的硬件实现。这种芯片非常可靠,性价比高,而且可在制造之前检查电路性能。因此,赛灵思 Virtex®-6 FPGA 成为了完美的硬件实现解决方案。
硬件设计
图 2 给出了三输入模糊控制器的算法。三输入模糊控制器的控制原理与双输入版本相同,只是根据三个输入进行修改,并在 MATLAB 上实现。控制原理为:控制器控制重量、高度和辊速的三个速度等级,即低辊速(RL:12cm/s),中辊速(RM:14.3cm/s)和高辊速(RR:16.6cm/s)。
在 MATLAB 上设计控制器后,下一步是设计用于测量输入参数所需的硬件。称重传感器用于测量倾斜传送带上的甘蔗量。为了测量榨糖机中的甘蔗水平高度,我们在设计中添加了高度传感器。测速发电机用于测量辊子的旋转速度。
称重传感器、高度传感器和测速发电机的输出仅为微伏。为了能在接下来的步骤中使用这些指标,我们必须将输出电压值放大成可测量的电平,也就是从微伏变为毫伏。我们使用 PSpice 上的信号调节系统来进行放大。接下来,我们利用与调节系统串联的模数转换器 (ADC) 将结果转为数字值
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