番茄色选机气压自适应控制系统的设计研究开题报告.docx

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番茄色选机气压自适应控制系统的设计研究开题报告

研究生学位论文开题报告审批表

论文题目:

番茄色选机气压自适应控制系统的设计研究

学科、专业:

农业电气化与自动化

研究方向：

智能化检测与自动控制技术

研究生姓名:

指导教师：

（教授）

2019年11月17日

（本表一式二份,本人、学院各一份）

一、课题来源的项目名称及项目来源（属于国家、省、市、自治区、学校、自选中的哪一种？

项目编号。

）

课题名称：

加工番茄自动分选系统关键技术研究

课题来源：

兵团课题

二、课题的立项依据（研究意义、国内外研究现状及分析，附主要参考文献目录。

）（基础研究需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；应用研究需结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。

）

1.选题的背景及研究的意义；

近年来中国番茄产业飞速发展，番茄产量已占世界番茄总产量的21%，成为继美国、意大利之后的世界第三大番茄酱生产基地。

今年我国加工番茄总种植面积145万亩，其中新疆95万亩，内蒙古40万亩，甘肃张掖10万亩。

浓度、番茄红素含量、色泽差异等参数是评价番茄酱质量优劣主要指标。

这些指标的高低直接影响和制约着新疆番茄酱在国际上价格和竞争力。

决定浓度、番茄红素含量、色差指标等高低的主要因素就是成熟与非成熟番茄的比例，非成熟番茄含量越少番茄酱浓度、番茄红素含量、色差等指标越高。

为提高各项指标，目前酱厂主要依靠人工进行番茄分选以剔除非成熟番茄来提高番茄酱质量。

番茄分选主要体现在收获过程和工厂深加工过程中。

目前，番茄收获分为人工采收和机械采收。

人工采收的番茄虽然非成熟番茄及其他异物含量较少，但生产率低；机械采收虽生产率高但非成熟番茄及其他异物含量较高，加工过程中必须由人工来剔除，降低了生产效率，而且品质难以掌控。

番茄分选仅仅依靠人工实现，难以适应大规模工厂化生产的需要，严重制约了番茄产业的发展。

因此，为有效提高番茄加工质量和产业效率，提高其市场竞争力，促进番茄产业的发展，研制一种番茄颜色自动分选装置是很有必要的。

番茄色选是利用成熟番茄与非成熟番茄以及其他异物之间的颜色差别进行识别,将颜色差别转化为电信号，经过信号处理，驱动电磁阀，从而控制分选机构动作，将非成熟番茄以及其他异物从进料中剔除，达到分离优良番茄的目的。

番茄色选装置包括输送系统、检测系统、分选系统、控制系统。

分选系统的作用是对检测系统检测到的异常番茄进行剔除，控制系统的作用是实现对检测系统与分选系统进行控制，从而实现对分选装备的自动控制。

因此，控制系统的自动化程度直接影响番茄色选机的分选精度和分选效率。

在实际试验中发现，由于长时间工作，分选系统的气室内气压会随着气室进气量和消耗量的变化而波动，汽缸活塞开始运动的一小段时间内，不断变化的压差导致活塞速度不稳定，进而影响气缸的进气量，导致气缸响应时间、驱动速度、驱动力以及活塞杆位移的不同，直接影响剔除效果。

为此，需要对气室内气压分布情况和气压波动情况进行分析研究，得出气压波动模型，提出解决气压波动引起的机构不稳定，分选不佳的方法，设计根据气压波动情况自动调整驱动机构相应和动作时间的控制系统，达到提高分选精度的目的。

随着机械制造技术的逐渐提高，色选机主体以及压缩空气等辅助系统的可靠性要求越来越高。

现在使用的番茄分选机构在剔除青番茄的同时会带出较多的成熟番茄，同时也会有小部分的青番茄混入红番茄中，没有被分选出去，影响了分选效果。

带出比较大的主要原因是气缸的响应时间长、而落空未分选的青番则是由汽缸响应时间过短造成的。

总之，分选效果不理想都是由于气压波动引起的汽缸响应时间不同造成的。

因此对响应时间与气压波动的关系研究和控制设计势在必行。

2.研究领域国内外的研究动态及发展趋势

在近一个世纪的发展过程中，经典控制理论与现代控制理论的体系已基本完善，成为目前主要的控制理论。

在20世纪40年代控制技术成为一种理论，20世纪50年代经典控制理论形成理论，经典控制理论的数学基础是拉普拉斯变换，系统的数学模型是传递函数，主要的分析和分析方法有Bode图法、根轨迹法、劳斯（Routh）判据、奈魁斯特（Nquist）稳定判据、PID控制等。

经典控制系统理论虽然至今仍广泛应用在许多工程技术领域中，但也存在着明显的局限性，主要表现在：

主要用于但输入单输出线性时不变系统而难以有效地处理多输入多输出系统；只采用外部描述方法讨论控制系统的输入输出关系，而难以揭示系统内部的特性；控制系统设计方法基本上是一种奏效法而不是提供最优控制的方法和手段等。

20世纪50年代核反应堆控制研究，尤其是航天控制研究的推动下，控制理论在1960年前后开始了从经典阶段到现代阶段的过渡，其中的重要标志是卡尔曼（R.E.Kalman）系统地把状态空间法引入到系统与控制理论中。

但是，由于实际工业生产过程非常复杂，无法用数学模型精确描述，使得现代先进控制技术在工业的应用滞后了十多年的时间。

70年代中、后期，计算机技术持续发展所带来的强大计算机能力使得求解许多过去难以完成的计算问题成为可能，并促进了计算机在工业控制中的广泛应用，出现了以集散控制系统和可编程控制器（PLC）为代表的新型控制系统平台。

这一切都孕育着控制领域的新突破。

1980年前后，来自过程控制界的两位开拓者，法国的Richalet和美国的Cutler分别报道了各自有关解决约束多变量系统实时控制问题的研究成果和工业应用情况，及著名的模型预测启发式控制（MPHC）和动态矩阵控制（DMC）。

现代流程工业已开始接受先进控制的概念。

80年代，出现了许多约束模型预测控制的工程化软件包。

通过模型识别、优化算法、控制结构分析、参数整定、系统稳定性和鲁棒性等一系列研究工作，基于模型的控制理论体系和商品化软件已基本形成，并成为目前过程控制中应用最成功的先进控制技术。

现代控制理论以状态空间模型为基础，研究系统内部的结构，剔除可控性、可观测性概念及分析方法，也提出了一系列设计方法，如LQR（LinearQuadraticGaussian）最优控制方法、Kalman滤波器方法、极点配置方法、基于状态观测器的反馈控制方法等。

现代控制理论克服了经典控制的许多局限性，它能够解决某些非线性和时变系统的控制问题，适用于多输入多输出反馈系统，可以实现最优控制规律。

此外，现代控制理论不仅能够研究确定性的系统，而且可以研究随机的过程，既包含了随机控制系统的分析和实际方法。

然而，当现代控制理论应用于一般工业控制时也暴露处本身的一些缺陷。

如现代控制理论要求以精确的数学模型为基础，但对于没有精确数学模型的控制系统，其性能指标也往往不是用精确的数学表达式描述，直接采用最优控制方法设计的控制器往往过于复杂而不便应用等。

20世纪末，在状态空间法继续发展的同时，许多新型的控制理论与方法也有了很大的发展，如由于物理系统的精确模型实际上难以得到，真正优良而使用的控制系统设计又必须允许模型结构和参数在一定范围内变化，既具有鲁棒性，因此，20世纪80年代以来，控制系统的鲁棒性研究又引起了高度重视，鲁棒控制理论的得到了很大的发展；尽管许多的复杂过程难以用数学方式描述并实现目标控制，可熟练的操作工、技术人员或专家却能操作自如并获得较满意的控制效果，因此，将人的知识经验直接用于生产过程控制的智能控制系统，如模糊控制，人工神经网络、专家系统等，在20世纪末亦在理论研究和实际应用方面取得成功进展。

在国外，有些学者把这些先进的控制方法称之为AdvancedControlTheory而区别与经典控制（ClassicControlTheory）和现代控制理论（ModernControlTheory）。

近30年来，先进控制理论，如大系统理论，各类智能控制等也日益取得了较大的发展。

今天的控制理论及其技术已成为机电工程、航空航天等现代工程技术中不可或缺的一部分，并在经济学、生物学、医学等领域中得到了越来越广泛的应用。

众所周知，自动化是提升制造业水平的主要手段之一，而控制系统又是自动化技术的核心部分，采用先进适用的控制系统，可以大力促进制造装备的自动化水平。

控制系统正在出现许多新的变化的推动力之一就是日益快速发展的各种各样的新技术、新方法、新概念。

国际上，控制装置的技术发展呈现出在数字化、智能化和网络化技术的支持下，实现高可靠性、多功能性与高适用性的发展趋势。

自动控制系统则向功能模块化、规模大型化、网络开放化的方向发展，系统软件则呈现出接口标准化、应用便捷化、行业专业化的发展趋势。

三、课题的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题。

（此部分为重点阐述内容）

（一）研究内容

1.气缸驱动气压确定

对番茄色选机剔除弹齿在不同气压下对番茄击打过程进行测试，分析番茄所受击打力、气缸推进速度以及分选效果等。

找出合适的分选气压。

2.番茄色选机气室耗气量及气压变化研究

研究不同品质番茄对气室耗气量及气压变化的影响，建立耗气量与气压变化关系模型。

3.气压波动自适应控制系统设计研究

（1）控制算法设计

根据耗气量与气压变化的关系，设计控制气压波动的算法。

（2）控制系统设计

设计气压波动自适应控制电路，搭建控制装置。

（二）研究目标：

通过对加工番茄自动分选装置的分析研究，结合目前国内外对控制技术的研究和发展现状，采用实验研究方法，运用数值模拟和仿真软件，建立控制气压波动的算法，设计气压波动自适应控制系统，达到对气室气压稳定控制的目的。

拟解决的关键问题：

1.确定驱动汽缸的气压值

2.确定耗气量与气压变化的关系

3.自适应控制算法的设计

4.自适应控制系统的设计

四、拟采取的研究方案及可行性分析。

（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）

1.研究方案：

本课题拟通过对目前番茄色选机气室气压不稳定而影响番茄分选效果的分析研究，采用现代控制理论的设计方法，实验与仿真研相结合的研究方法，使用成熟的软件，确定合适的气压，建立气压与耗气量的关系模型，编译算法，设计自适应控制系统，达到对气压稳定的控制。

2.技术路线：

收集国内外有关控制技术的资料，通过对目前研制的番茄色选机分选过程中气压特性的研究，分析研究气压波动性对分选效果的影响，建立数学模型，研究算法，设计气压自适应控制系统。

五、本课题的特色与创新之处。

创新点：

1.通过实验确定驱动汽缸最佳效果的气压值，为后续研究提供理论基础。

2.通过研究耗气量与气压变化的关系，建立数学模型，设计算法，为系统的设计提供了理论依据。

3.解决了气压波动对色选机分选效果影响的问题，提高了系统的可靠性。

六、课题研究进度计划安排及预期研究结果。

研究进度计划安排：

1.对加工番茄及其色选装置性能进行调研和研究。

2.查阅相关文献，深入了解番茄色选机以及控制技术发展的国内外现状和发展趋势，撰写综述和开题报告。

3.深入学习控制技术和仿真分析软件，进行实验研究，建立气压与耗气量模型，设计自适应控制系统，进行实验与优化。

4.整理资料，撰写论文。

5.制作答辩幻灯片，准备答辩。

预期研究成果：

1.通过实验研究确定最佳的驱动汽缸气压

2.对气压波动性进行深入研究，建立数学模型仿真分析

3.实现对控制算法的设计

4.完成控制系统的搭建，进行实验研究与结果分析

七、工作基础（与本课题相关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩）

准备工作：

前期已搜集查阅了大量相关论文，对目前色选机的研究现状和存在问题有了一定的了解，熟悉LABVIE平台设计研究方法，对控制系统设计和研究方法有了一定的认知。

前期参与了番茄色选机40通道样机的实验研究，有了一定的研究基础。

八、工作条件（包括已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决的途径。

）

现有条件：

硬件条件：

色选机样机（用于搭建系统，进行后期实验），气压传感器（用于检测气体压强），Labview实验平台。

软件条件：

Protel电路图绘制与仿真软件、MATLAB仿真分析软件；Labview仿真分析软件。

实验条件：

兵团农业机械重点实验室以及天业番茄制品有限公司

为试验提供了试验场所，现有番茄色选机样机及Labview实验台可用于试验与结果分析。

可能遇到的困难和问题与解决途径：

对耗气量与气压变化的建模、控制算法的设计可能存在理论知识的缺乏，可能会遇到一些问题，需要进一步查阅相关资料，与老师和同学进行交流讨论，同时对软件进一步熟悉，深入研究。

九、研究进度及时间安排

研究工作阶段

主要研究内容

起止日期

调查研究

查阅番茄色选机相关资料

2009.8-2009.10

撰写综述

整理资料，撰写研究综述

2009.11

开题报告

确定研究内容，撰写开题报告

2009.11

设计研究

试验研究，建模分析，控制系统的设计研究

2009.12-2010.10

论文撰写

番茄色选机气压自适应控制系统的设计研究

2010.10-2011.03

论文评阅

番茄色选机气压自适应控制系统的设计研究

2011.04-2011.05

论文答辩

番茄色选机气压自适应控制系统的设计研究

2011.06

十、论文工作出差计划

出差地点

任务和要求

起止日期

兵团有关部门

调查了解番茄有关情况

2009.8-2009.10

天业酱厂

进行番茄色选装置性能调研及研究

2009.8-2009.10

十一、经费预算与来源

开支项目名称

金额

经费来源

实验费

4000元

课题经费

书本费

1000元

研究生经费

打印、复印费

1000元

研究生经费和课题经费

材料、零部件费

5000元

课题经费

总计

11000元

十二、指导教师审核意见：

孙小丽同学对所选的研究课题已做了比较充分的准备工作：

查阅了大量的文献资料，初步掌握了项目的国内外研究现状和发展趋势，了解了气动分选系统中气压波动性在加工番茄自动分选装置中的影响，明确了研究目标和研究内容，并对控制系统的研究方法有了一定认知，具有一定的创新性。

课题立题依据充分，紧贴目前兵团及新疆番茄生产实际，如果能够取得预期成果，不但可以解决番茄自动分选过程中气压波动引起的分选系统不稳定性的问题，而且为提高番茄色选机分选效果和自动化推广应用奠定了坚实的基础，同时为兵团及新疆的番茄加工业节省大量的人力、物力、财力，创造良好的经济效益和社会效益。

课题研究目标明确，内容具体，技术路线基本合理，研究和试制、试验条件基本具备，工作量符合要求，拟用计算机辅助设计研究、试验设计等先进方法；课题理论研究有一定的深度和难度，有利于学生得到良好的科学研究训练和科研素质的提高。

同意开题！

签字：

年月日

十三、教研室主任或学位点负责人审核意见：

孙小丽同学的“番茄色选机气压波动自适应控制系统的设计研究”课题立题依据充分；选题新颖，紧贴兵团及新疆番茄生产加工实际，具有较好的使用价值和广阔的应用前景。

课题准备工作充分，技术路线合理，研究方法先进；该课题具有一定的难度和深度，有助于提高学生的科研开发能力和科研综合素质。

且实验室有完善的实验条件，课题研究的前期准备工作充分，能按期完成研究的目标

签字：

年月日

十四、开题报告审核

考核内容

文字报告

选题的依据及其意义

口头报告

概念清楚、条理清晰、论证严谨

国内外研究现状分析

回答问题正确、逻辑性强

研究内容，研究方案的合理性

已有工作基础，预期研究成果

选题创新性、科学性

开题报告的文字表达

论文开题评议：

孙小丽同学对所选的课题已做了比较充分的准备工作；初步掌握了项目的国内外研究现状、存在问题和发展趋势，明确了研究目标和主要内容。

阅读了相关的专业书籍，认真学习了与课题有关的知识，收集了大量相关文献资料。

课题立题依据充分，符合我国加工番茄技术发展的需要，如能取得预期成果，不但可以对我国番茄分选技术的发展产生重大影响，而且也为番茄分选控制系统的发展提供了理论依据。

拟进行的研究内容具有广阔的研究前景，所以本项目的研究将极具潜力，尤其在全国最大的农业基地之----新疆更有研究价值。

本课题将把方案优选，采用现代控制理论的设计方法，实验与仿真研相结合等先进方法运用到设计与试验中，不但能节省大量的人力、物力，且能增加目标系统的科学性、可靠性。

从开题情况看，孙小丽同学表达清楚，概念明确，条理清晰，论证严谨，回答问题比较正确，逻辑性强，对所选课题准备充分。

课题研究目标明确，内容具体，技术路线基本合理，试验条件基本具备，工作量符合要求，基本能达到预期的研究成果。

课题的理论研究有一定的深度和难度，有利于科研素质的提高。

存在的问题及改进措施：

课题新、任务重，要根据预期进展，制定详细的工作计划，早动手、早准备，可以把一些成熟的研究方法和手段，应用于本课题的研究，确保本课题的顺利完成，以免影响论文的进度。

考核结果：

□通过□不通过

考核组长（签名）：

年月日

考核小组成员名单

姓名

研究方向

职称

工作单位

考核成员签名

附：

参考文献

[1]熊新民.微机自动原理与系统[M].北京:

电子工业出版社,2003.

[2]梅晓蓉.自动控制原理[M].科学出版社.2006

[3]王俊峰，张玉生.机电一体化检测与控制技术[M].人民邮电出版社，2006

[4]王树青，金晓明.化学工业出版社[M].化学工业出版社，2005

[5]吴金戍沈庆阳.8051单片机实践与应用[M].北京：

清华大学出版社，2004

[6]刘少军.现代控制方法及计算机辅助设计[M].中南大学出版社，2003

[7]B.A.别赛克尔斯基.数字自动控制系统[M].科学出版社，1984

[8]范萌,彭光正，薛阳，赵彤.单出杆低摩擦汽缸位置伺服控制系统的分析与研究

[J].机床与液压,2003,

（2）.

[9]杨云,吕艳慧，李天石.启动脉宽调制开关伺服系统驱动模式的研究[J].西安交通大学学报,2002（9）

[10]石俊峰，赵惠清.初始进气阶段汽缸的运动特性分析[J].北京化工大学学报,

2008，

（2）.

[11]程森林,王辉甫，卢婉冰.基于纲量分析的气缸动力学系统建模与仿真[J].液压与气动,2008,（7）.

[12]田静.高速开关阀PWM控制电路的开发[J].中国民航学院学报,2003,（12）

[13]赵国晋，朱明才.高速开关阀自动调平系统的研究[J].机床与液压，2003（3）

[14]何攀，严宏志.气动打标系统动态特性分析[J].包卷工程，2007（12）

[15]钟伟，陶国良，刘昊，向忠.气动钉枪的数学建模与仿真研究[J].浙江大学学报，2008

（2）

[16]张河新，李建朝，韩建海，周海强.时间控制在脉宽调制气动调压阀中的应用[J].液压与气动.2004（9）

[17]王祖温，王海涛，包钢，李哲.压力波动自适应缓冲高速气缸的研究[J].机械工程学报.2003（7）

[18]黄俊，李小宁.气缸爬行现象的建模与仿真[J].液压与气动，2004（6）

[19]文丽松,高磊.热处理炉温度自动控制系统的设计与改造[J].计测技术2008（28）

[20]杜巧连，陈旭辉，吴文山，金向平，倪兆荣.PWM高速开关阀的特性分析与应用研究[J].液压气动与密封.2002（6）

[21]蒋守勇，李作丽，成勇.基于MATLAB的气缸摩擦力补偿与仿真研究[J].煤炭工程.2007

（1）

[22]李剑锋，冯春增，唐晓强，段文军.折页机预置系统的自动控制设计[J].北京工业大学学报.2009（4）

[23]罗小辉，傅晓云，李宝仁.一种高速气缸模型的仿真研究[J].机床与液压,2006（8）

[24]王福生，孟晓风.一种气体压力控制方法及应用[J].测控技术,2001（4）

[25]坎杂,李景彬,江英兰等．5MZX一96脱绒棉种色选机的研究[J].石河子大学学报（自然科学版），2005（6）

[26]张若宇，坎杂，李景彬，李江波等.番茄色选机的研制[J].2006（6）

[27]李超，坎杂，张若宇，李江波.FPGA在番茄色选机检测系统中的应用[J].农机化研究.2009（3）

[28]盛歆漪,须文波,边继东.基于DSP的大米色选机智能控制设计[J].粮食与饲料工业.2003（4）

[29]蔡文青，倪向东.枸杞色选机的研制[J].新疆农机化.2007

（2）

[30]林茂先.我国色选机自主创新产业化进程及发展趋势[J].农产品加工.2008

（2）

[31]张麟.色选机光学检测系统的原理及结构[J].粮食与饲料工业.1997（4）

[31]黄东海,郑力新,黄传明.DSP色选机分选系统数字信号处理算法[J].华侨大学学报：

自然科学版.2006（3）

[32]许瑞峰,刘康珍.PID在工业自动控制中的运用[J].中国最新技术企业,2009,

（2）

[33]孙柏林.对我国自动化控制系统发展趋势的分析_需求牵引_技术推动[J],自动化博览.2009

（2）

[34]赵灿,张金贵.基于DSP的磁流变阀流量控制系统设计[J].微计算机信息,2009,（1-2）.

[35]乔维德.永磁无刷直流电动机的模糊PID控制研究[J].电气传动自动化，2009,

（2）.

[36]马西峰.直流电机的复合PID控制系统研究[J].甘肃科技,2009,（4）

[37]李佑策，邱士浩，芮丰，王保松.模块化电液控制系统设计与应用[J].流体传动与控制,2009,

（2）

[38]JIANGZe-min，ZHANGBai-hai，WANGTao，PENGGuang-zheng，ModelingandSimulationoftheCharacteristicsofPneumaticCushionCylinders[J].JournalofBeijingInstituteofTechnology，2002

（2）

[39]JosephR.Perkins;SylvesterL.Woodland.Mechanicalrejectionsystemforautomaticsortingmachines[P].US:

4314645,1982.2.9

[40]TorstenNilsTengsater.Ejectormeansforproducesorter[P].US:

3990581,1976.12.9

[41]AlbertG.Story.Methodandapparatusforseparatingpotatoesfromstonesandsoilclods[P].US:

3675769,1972.6.11

[42]HansA.Sandbank.Apparatusforseparatingobjectsofaparticularkindfromastreamoffallingobjects[P].US:

4168005,1979.9.18

[43]DavidL.Slight.Apparatusforseparatingcropsfromother