基于FPGA的模糊控制器控制蔗糖提取性能比传统控制器更高的实验与验证

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。

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[1]，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[2]。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)。