采用賽靈思 Virtex-6 FPGA 實(shí)現(xiàn)的三輸入模糊控制器可在甘蔗制糖過程中保持甘蔗水平高度。

食糖是日常生活中廣泛使用的重要食品配料成分。全球一半以上的原糖都從甘蔗中榨取獲得。印度是僅次于巴西的世界第二大食糖生產(chǎn)國，從事甘蔗種植的農(nóng)民及其家屬數(shù)量有 6000 萬，產(chǎn)值達(dá) 120 億美元。

由于甘蔗汁的提取是非線性過程，因此我們的團(tuán)隊(duì)將模糊邏輯作為改善流量的方法。Mody 科技大學(xué) (MITS) 研究人員的分析表明，利用賽靈思 FPGA 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的模糊控制器的性能優(yōu)于傳統(tǒng)控制器。如果每天壓榨 2,500 噸甘蔗，就需要 26.6 kg/s 的流速。

在具體研究如何實(shí)現(xiàn)三輸入模糊控制器之前，我們有必要了解食糖制造的基本知識(shí)。

如何提取甘蔗
圖 1 給出了甘蔗汁提取流程圖。甘蔗坯料是指制糖廠把從甘蔗種植者手中收購來的甘蔗進(jìn)行稱重，并卸在院子內(nèi)。利用起重機(jī)將甘蔗放在傳送帶上。甘蔗傳送帶不斷移動(dòng)，負(fù)責(zé)將甘蔗送到食糖生產(chǎn)廠房?jī)?nèi)。

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圖 1–甘蔗汁提取流程圖

甘蔗首先通過兩組旋轉(zhuǎn)切刀。切刀將甘蔗切成小段，然后撕蔗機(jī)將小段甘蔗切成小塊纖維。傾斜傳送帶將這些大約 1-2cm 的甘蔗塊送入Donnelly 榨糖機(jī)。壓榨機(jī)的兩三個(gè)壓輥對(duì)甘蔗塊進(jìn)行壓榨以提取甘蔗汁。該過程在五六套壓榨機(jī)中重復(fù)進(jìn)行。剩余的殘留物稱為甘蔗渣被送到鍋爐中作為燃料使用；提取的甘蔗汁需要送去凈化，然后送到蒸發(fā)器中做成蔗糖。

待加工的甘蔗非常不均勻，在提取汁液過程中會(huì)對(duì)壓榨機(jī)效率產(chǎn)生不利影響，可導(dǎo)致壓榨機(jī)故障、停機(jī)和設(shè)備堵塞。為了獲得最佳的甘蔗汁提取效果，有必要使 Donnelly 榨糖機(jī)中的甘蔗水平面保持所需的高度。

我們希望模糊邏輯比傳統(tǒng)控制器更好地改變傾斜傳送帶的速度，以消除甘蔗供給不均的問題并保持所需的甘蔗水平高度。這就是為什么我們嘗試將模糊邏輯概念引入制糖領(lǐng)域。

2014 年，我們所做的第一步是設(shè)計(jì)一款雙輸入模糊控制器[1]，用來精確監(jiān)測(cè)兩個(gè)參數(shù)的變化：傾斜傳送帶上的甘蔗重量以及 Donnelly 榨糖機(jī)中的甘蔗高度。該控制器的作用是保持榨糖機(jī)中的恒定高度，以維持所需的26.6kg/s 的流速。當(dāng)我們將檢測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)控制器的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比時(shí)，可清楚看到雙輸入模糊控制器的效果要好得多。由于甘蔗在輥?zhàn)娱g被壓碎，因此我們決定在相同算法中導(dǎo)入第三個(gè)參數(shù)——輥速——作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)。在加入第三個(gè)參數(shù)輥速后表明，該變量與其他兩個(gè)變量同樣重要。

因此，2014 年我們將輥速作為第三個(gè)參數(shù)[2]。我們利用這個(gè)附加參數(shù)重新設(shè)計(jì)了算法，并使用 MATLAB? 實(shí)現(xiàn)。當(dāng)新型三輸入控制器軟件實(shí)現(xiàn)方案完成后[3]，下一步是實(shí)現(xiàn)算法和使用賽靈思 FPGA 開發(fā)整個(gè)模糊系統(tǒng)。FPGA 這種可重編程芯片能夠?qū)?a target="_blank">電子電路進(jìn)行實(shí)時(shí)的硬件實(shí)現(xiàn)。這種芯片非?？煽浚詢r(jià)比高，而且可在制造之前檢查電路性能。因此，賽靈思 Virtex?-6 FPGA 成為了完美的硬件實(shí)現(xiàn)解決方案。

硬件設(shè)計(jì)
圖 2 給出了三輸入模糊控制器的算法。三輸入模糊控制器的控制原理與雙輸入版本相同，只是根據(jù)三個(gè)輸入進(jìn)行修改，并在 MATLAB 上實(shí)現(xiàn)?？刂圃頌椋嚎刂破骺刂浦亓?、高度和輥速的三個(gè)速度等級(jí)，即低輥速(RL：12cm/s)，中輥速(RM：14.3cm/s)和高輥速(RR：16.6cm/s)。
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