基于模糊逻辑的燕窝杀菌釜冷却水循环参数自整定优化方法及系统与流程

本发明涉及食品杀菌过程智能控制与优化，具体涉及基于模糊逻辑的燕窝杀菌釜冷却水循环参数自整定优化方法及系统。

背景技术：

1、即食燕窝在高温杀菌后的冷却阶段，冷却速率影响燕窝产品的最终品质。冷却速率偏低时，燕窝持续处于较高温度，蛋白质变性和粘多糖溶出过程延长；冷却水流量过大或流动扰动较强时，瓶内燕窝受到的流体剪切作用增加，燕窝丝可能发生断裂或碎化。

2、现有杀菌釜冷却水循环控制通常采用固定参数的比例积分微分控制方式或固定规则的模糊控制方式。循环水泵频率、冷热水混合阀开度、冷却水流量及冷却水温度设定值的整定过程较多依赖人工经验。部分控制方式仅依据釜内温度偏差进行调节，未将燕窝中心温度、瞬时品质劣变速率、累积品质损伤指数和剪切应力指数共同引入规则权重更新及比例因子调整过程。

3、因此，本技术提供基于模糊逻辑的燕窝杀菌釜冷却水循环参数自整定优化方法及系统以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于模糊逻辑的燕窝杀菌釜冷却水循环参数自整定优化方法及系统，用以解决现有技术中冷却水循环控制参数无法依据燕窝中心温度、瞬时品质劣变速率、累积品质损伤指数及剪切应力指数进行自整定优化的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了基于模糊逻辑的燕窝杀菌釜冷却水循环参数自整定优化方法，包括：

3、采集釜内温度和冷却水流量；

4、将釜内温度与上一周期的燕窝中心温度代入流量动态时间常数，迭代得到燕窝中心温度，并将燕窝中心温度代入热损伤计算，将冷却水流量、杀菌釜内搁架结构及瓶体排列参数代入剪切应力计算，得到瞬时品质劣变速率、累积品质损伤指数和剪切应力指数；

5、将温度偏差和温度偏差变化率输入二维模糊规则库，按规则激活度及动态权重对流量修正值、温度修正值加权平均解模糊，以外层比例因子计算流量设定值和温度设定值并输出；

6、在施加控制量后的下一周期，基于温度偏差绝对值改善量、参考品质劣变速率和实测瞬时品质劣变速率计算效能奖励值，更新、归一化并裁剪动态权重；

7、基于累积品质损伤指数增大流量比例因子并降低温度比例因子，基于剪切应力指数对流量比例因子执行饱和压缩；

8、当燕窝中心温度和累积品质损伤指数增量满足冷却终点条件时，关闭冷却水循环并保存动态权重和比例因子，不满足冷却终点条件时，返回采集釜内温度和冷却水流量。

9、在其中一些具体实施例中，将釜内温度与上一周期的燕窝中心温度代入流量动态时间常数，迭代得到燕窝中心温度，进一步包括：

10、将冷却水流量按负指数关系换算为流量动态时间常数；

11、计算釜内温度与上一周期的燕窝中心温度之间的温度差；

12、将温度差乘以由控制周期除以流量动态时间常数所得比值的负指数补量，并与上一周期的燕窝中心温度相加，得到燕窝中心温度。

13、在其中一些具体实施例中，将燕窝中心温度代入热损伤计算，将冷却水流量、杀菌釜内搁架结构及瓶体排列参数代入剪切应力计算，得到瞬时品质劣变速率、累积品质损伤指数和剪切应力指数，进一步包括：

14、基于冷却水流量、阻力系数、冷却水密度和特征水力直径计算剪切应力指数；

15、将燕窝中心温度由摄氏温度转换为绝对温度，并将绝对温度、剪切应力指数、蛋白质变性活化能、指前因子、剪切损伤耦合系数和剪切损伤指数代入热损伤计算，得到瞬时品质劣变速率；

16、将各周期的瞬时品质劣变速率乘以控制周期后递推累加，并对累积值执行上限限幅，得到累积品质损伤指数。

17、在其中一些具体实施例中，将温度偏差和温度偏差变化率输入二维模糊规则库，按规则激活度及动态权重对流量修正值、温度修正值加权平均解模糊，进一步包括：

18、将釜内温度与目标终温之间的差值确定为温度偏差，将相邻周期温度偏差的差值除以控制周期确定为温度偏差变化率；

19、将温度偏差和温度偏差变化率分别划分为多个由负大至正大的语言区间，组合形成多条规则；

20、对每条规则的两个前件隶属度执行代数积计算，得到规则激活度；

21、以规则激活度和动态权重共同加权规则后件等级，分别得到流量修正值和温度修正值。

22、在其中一些具体实施例中，以外层比例因子计算流量设定值和温度设定值并输出，进一步包括：

23、将基础冷却水流量与流量比例因子和流量修正值的乘积相加，得到流量设定值；

24、将基础冷却水温度与温度比例因子和温度修正值的乘积相加，得到温度设定值；

25、将流量设定值发送至循环水泵变频器，将温度设定值发送至冷热水混合阀的控制器。

26、在其中一些具体实施例中，在施加控制量后的下一周期，基于温度偏差绝对值改善量、参考品质劣变速率和实测瞬时品质劣变速率计算效能奖励值，更新、归一化并裁剪动态权重，进一步包括：

27、对规则激活度大于预设激活门限的规则，计算当前周期与下一周期温度偏差绝对值的差值，并判定差值符号；

28、将差值符号乘以温度偏差改善权重，并将参考品质劣变速率减去下一周期瞬时品质劣变速率后乘以品质劣变抑制权重，将两项相加得到效能奖励值；

29、将动态权重与学习率和效能奖励值的乘积相加得到更新权重；

30、对全部更新权重归一化，并将低于预设裁剪门限的更新权重置零后再归一化；

31、对规则激活度不大于预设激活门限的规则保持当前动态权重。

32、在其中一些具体实施例中，基于累积品质损伤指数增大流量比例因子并降低温度比例因子，基于剪切应力指数对流量比例因子执行饱和压缩，进一步包括：

33、将累积品质损伤指数与累积损伤阈值的比值输入双曲正切函数；

34、将双曲正切函数输出乘以累积损伤增益系数并叠加至流量基础比例因子；

35、基于剪切应力指数超过临界剪切应力指数的超出量确定饱和函数输入，在剪切应力指数不超过临界剪切应力指数时将所述超出量置零，基于饱和函数输出压缩流量比例因子；

36、将双曲正切函数输出乘以温度抑制系数后从温度基础比例因子中扣除，得到温度比例因子。

37、在其中一些具体实施例中，当燕窝中心温度和累积品质损伤指数增量满足冷却终点条件时，关闭冷却水循环并保存动态权重和比例因子，进一步包括：

38、将燕窝中心温度低于或等于目标终温与预设温差之和，并且过去预设时段内的累积品质损伤指数增量小于预设增量门限，确定为冷却终点；

39、在冷却终点关闭冷却水循环；

40、提取本批次经过归一化和裁剪后的动态权重与流量比例因子、温度比例因子，写入边缘数据库，并在下一批次开始冷却时读取为初始参数。

41、在其中一些具体实施例中，更新、归一化并裁剪动态权重，还包括：

42、将当前效能奖励值与预设历史控制周期窗口内的效能奖励值按时间递减权重累加，得到规则累计奖励值；

43、当规则累计奖励值为负且剪切应力指数超过预设剪切应力预警值时，降低规则的学习率后计算更新权重；

44、当规则累计奖励值为正且累积品质损伤指数超过累积损伤阈值时，按流量修正值和温度修正值的符号分别增大流量修正方向规则的更新权重和降低温度修正方向规则的更新权重；

45、对更新权重归一化并执行裁剪。

46、基于同一构思，本发明还提供基于模糊逻辑的燕窝杀菌釜冷却水循环参数自整定优化系统，包括：

47、数据采集模块，配置为采集釜内温度和冷却水流量；

48、品质及剪切计算模块，配置为将釜内温度与上一周期的燕窝中心温度代入流量动态时间常数，迭代得到燕窝中心温度，并将燕窝中心温度代入热损伤计算，将冷却水流量、杀菌釜内搁架结构及瓶体排列参数代入剪切应力计算，得到瞬时品质劣变速率、累积品质损伤指数和剪切应力指数；

49、模糊控制模块，配置为将温度偏差和温度偏差变化率输入二维模糊规则库，按规则激活度及动态权重对流量修正值、温度修正值加权平均解模糊，以外层比例因子计算流量设定值和温度设定值并输出；

50、权重整定模块，配置为在施加控制量后的下一周期，基于温度偏差绝对值改善量、参考品质劣变速率和实测瞬时品质劣变速率计算效能奖励值，更新、归一化并裁剪动态权重；

51、比例因子调整模块，配置为基于累积品质损伤指数增大流量比例因子并降低温度比例因子，基于剪切应力指数对流量比例因子执行饱和压缩；

52、批次管理模块，配置为当燕窝中心温度和累积品质损伤指数增量满足冷却终点条件时，关闭冷却水循环并保存动态权重和比例因子，不满足冷却终点条件时，返回采集釜内温度和冷却水流量。

53、与现有技术相比，其有益效果在于：

54、本发明公开了基于模糊逻辑的燕窝杀菌釜冷却水循环参数自整定优化方法及系统，通过釜内温度、冷却水流量和流量动态时间常数迭代形成燕窝中心温度，并将燕窝中心温度、剪切应力指数和热损伤计算关系共同用于形成瞬时品质劣变速率和累积品质损伤指数，使得冷却控制过程能够获得与燕窝热损伤和流体剪切作用关联的控制输入，从而解决了现有技术中仅依据釜内温度偏差进行调节而无法反映燕窝内部品质状态变化的问题。

55、基于温度偏差和温度偏差变化率形成二维模糊规则库的规则激活度，并将动态权重加入流量修正值和温度修正值的加权平均解模糊过程，控制量施加后的温度偏差绝对值改善量、参考品质劣变速率和实测瞬时品质劣变速率共同形成效能奖励值，动态权重通过更新、归一化和裁剪过程参与后续控制周期的规则计算，使得参与当前冷却状态的模糊规则权重能够随温度变化和品质劣变状态持续更新优化，从而提高了冷却水循环参数对不同工况的自适应能力。

56、基于累积品质损伤指数调整流量比例因子和温度比例因子，并基于剪切应力指数对流量比例因子执行饱和压缩，使得流量设定值和温度设定值的形成过程同时包含冷却进程、品质损伤和剪切应力条件，从而在累积品质损伤增加时增强换热调节能力，并在剪切应力接近临界值时自动限制流量调节幅度，兼顾了冷却效率、燕窝品质保持和机械安全约束。

57、在燕窝中心温度和累积品质损伤指数增量满足冷却终点条件时关闭冷却水循环，并保存动态权重、流量比例因子和温度比例因子，下一批次读取保存参数作为初始参数，使得批次间形成参数继承过程，从而减少了批次间重复整定的时间和能耗，提高了多批次连续生产的控制效率和产品一致性。