مدل سازی سینتیک خشک کردن چای با استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی WORD

 

کلمات کلیدی: خشک کردن برگچای، شبکه عصبی پس انتشار پیشخور و پیشرو، الگوریتم لونبرگ–مارکوارت

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فهرست جداول.......ز

فهرست تصاویر و نمودارها ........ح

فهرست علائم اختصاری.......ک

فصل اول: مقدمه وکلیات تحقیق 1

1-1 مقدمه.........2

1-2 تاریخچه پیدایش چای.......3

1-3 مشخصات گیاه شناسی........4

1-4 ترکیبات چای...............................................................................................................................5

1-5چگونگی پرورش چای در ایران..................................................................................................5

1-6ارقام چای قابل کشت در ایران...................................................................................................6

1-7 کاشت چای..................................................................................................................................6

1-8عوامل مؤثر در رویش گیاه چای..................................................................................................6

1-8-1درجه حرارت...........................................................................................................................6

1-8-2 نور..........................................................................................................................................7

1-8-3میزان آب.................................................................................................................................7

1-8-4کود..........................................................................................................................................7

1-9برداشت محصول (برگ چینی)....................................................................................................7

1-9-1انواع برداشت (چین)...............................................................................................................9

1-9-2طول مدت برداشت (دوره برگ چینی )..................................................................................9

1-10نکاتی برای داشتن چای مطلوب...............................................................................................11

1-11خشک کردن ...........................................................................................................................13

1-11-1انواع چای بر حسب خشک شدن.......................................................................................14

1-11-2روش های تولید چای..........................................................................................................15

1-11-3مراحل خشک کردن چای در کارخانه..................................................................................16

1-11-3-1پلاس...............................................................................................................................16

1-11-3-2مالش..............................................................................................................................18

1-11-3-3 تخمیر.............................................................................................................................19

1-11-3-4 خشک............................................................................................................................19

1-12نحوه کار با خشک کن آزمایشگاهی........................................................................................24

1-13شبکه عصبی مصنوعی.............................................................................................................26

1-14بیان مسئله................................................................................................................................27

1-15اهداف تحقیق..........................................................................................................................27

1-16مراحل انجام تحقیق................................................................................................................28

1-17ساختار تحقیق.........................................................................................................................29

فصل دوم: ادبیات وپیشینه تحقیق30

2-1پیشینه تحقیق.............................................................................................................................31

فصل سوم: روش تحقیق36

3-1 مقدمه.........................................................................................................................................37

3-2تاریخچه پیدایش شبکه های عصبی مصنوعی............................................................................37

3-3مزایای استفاده از شبکه های عصبی .........................................................................................40

3-4شبکه عصبی چندلایه..................................................................................................................41

3-4-1-1 الگوریتم پس انتشار خطا..................................................................................................42

3-4-2 مدلسازی خشک کردن چای توسط شبکه عصبی پرسپترون.................................................44

3-4-2-1 انتخاب داده های ورودی به شبکه....................................................................................45

3-4-2-2 پیکربندی شبکه عصبی.....................................................................................................45

3-4-3توابع فعالسازی......................................................................................................................48

3-4-4توپولوژی................................................................................................................................49

3-4- 5روش الگوریتم لونبرگ – مارکوارت ...................................................................................49

3-5 بررسی عملکرد شبکه................................................................................................................49 3-6 جمع بندی.................................................................................................................................50

فصل چهارم :محاسبات و یافته های تحقیق 52

4-1 مقدمه.........................................................................................................................................53

4-2 تأثیر متغیرها بر خشک شدن......................................................................................................53

4-3نتایج حاصل از مدلسازی توسط شبکه عصبی پیشخور و پیشرو..............................................63

4-4 جمعبندی.................................................................................................................................84

فصل پنجم:نتیجه گیری و پیشنهادها 85

5-1 مقدمه........................................................................................................................................86

5-2 نتایج تحقیق..............................................................................................................................86

5-3 پیشنهادهایی برای تحقیقات آتی................................................................................................87

مراجع 88

چکیده انگلیسی 93

فهرست جدول ها

4-1برخی از معادلات ترمودینامیکی................................................................................................59

4-2میزان تغییرضریب نفوذبا افزایش دما..........................................................................................60

4-3 معماری شبکه های عصبی مدل سازی شده برای یک برگ چای و توده ای از چای..............62

4-4نتایج آنالیز شبکه پس انتشار پیشخور برای یک برگ چایبا تعدادلایه هايپنهانوتعداد

نرون های متفاوت درهرلایهدردماهاوسرعت هاي متفاوتهواي خشک کردن.............................63

4-5نتایج آنالیز شبکه پس انتشار پیشرو برای یک برگ چایبا تعدادلایه هايپنهانوتعداد

نرون های متفاوت درهرلایهدردماهاوسرعت هاي متفاوتهواي خشک کردن.............................65

4-6نتایج آنالیز شبکه پس انتشار پیشخور برای توده ای ازچایبا تعدادلایه هايپنهانوتعداد

نرون های متفاوت درهرلایهدردماهاوسرعت هاي متفاوتهواي خشک کردن.............................67

4-7نتایج آنالیز شبکه پس انتشار پیشرو برای توده ای از چایبا تعدادلایه هايپنهانوتعداد

نرون های متفاوت درهرلایهدردماهاوسرعت هاي متفاوتهواي خشک کردن.............................69

4-8 نتایج مراحل تست و آموزش..................................................................................................81

4-9مقایسه بین نتایج شبکه عصبی با روابط تجربی........................................................................82

4-10نتایج حاصل از دو نوع شبکه عصبی......................................................................................82

فهرست تصاویر ونمودارها

1-1 گل چای کاملیا...........................................................................................................................4

1-2 نمایی از یک شاخساره .............................................................................................................10

1-3نمایی ازدستگاه پلاس.................................................................................................................17

1-4نمایی از دستگاه مالش.................................................................................................................18

1-5 شمایی از خشک کن بستر سیال................................................................................................23

1-6 نمونه برگ سبز چای.................................................................................................................25

1-7 عکس (الف) و نمای شماتیک (ب) خشک کن پیشتاز ساخته شده جهت انجام.....................28

1-8دستگاه سرعت سنج هوا.............................................................................................................29

1-9ترازوی دیجیتال با سه رقم اعشار...............................................................................................29

1-10دماسنج اشعه ای.......................................................................................................................30

1-11آون (کوره) خشک کن.............................................................................................................30

3-1 مدل نرون(دموث و بیل)............................................................................................................41

3-2 طرحواره کلی از شبکه عصبی مورد استفاده...............................................................................44

3-3 تابع فعال سازی تانژانت سیگموئید............................................................................................48

4-1 تغییرات کاهش وزن چهارنمونه با زمان خشک شدن در دمای 35 درجه و سرعت 0.7 متر برثانیه برای یک برگ چای ...............................................................................................................54

4-2 تغییرات کاهش وزن میانگین نمونه ها بازمان خشک شدن دردمای 35 درجه و سرعت0.7

متر برثانیه برای یک برگ چای..........................................................................................................54

4-3 تغییرات کاهش وزن چهارنمونه بازمان خشک شدن در دمای 45 درجه و سرعت0.7 متربر

ثانیه برای یک برگ چای ..................................................................................................................55

4-4 تغییرات کاهش وزن میانگین نمونه ها بازمان خشک شدن در دمای 45 درجه و سرعت0.7

متربرثانیهبرای یک برگ چای..........................................................................................................55

4-5 تغییرات کاهش وزن چهارنمونه بازمان خشک شدن در دمای 55 درجه و سرعت0.7 متر بر

ثانیه برای یک برگ چای..................................................................................................................56

4-6 تغییرات کاهش وزن میانگین نمونه ها با زمان خشک شدن در دمای 55 درجه و سرعت0.7

متر برثانیه برای یک برگ چای.........................................................................................................56

4-7 تغییرات رطوبت (kg/kg) با زمان در سرعت 7/0 متر بر ثانیه برای یک برگ چای..................57

4-8 تغییرات نسبت رطوبت (بی بعد ) با زمان در سرعت 7/0 متر برثانیه برای یک برگ چای..........57

4-9تغییرات نسبت رطوبت (بی بعد)بازمان درسرعت های متفاوت ودردمای ثابت 35درجه برای

یک برگ چای...................................................................................................................................58

4-10تغییرات ln(MR)بازمان در سرعت7/0 متر بر ثانیه ودر سه دمای متفاوت برای یکبرگ چای...................................................................................................................................................59

4-11 نمودارln(MR)برحسب زمان در دمای 35 درجه و سرعت 0.7متر بر ثانیه برای یک

برگ چای.......................................................................................................................................60

4-12 نمودارln(MR)برحسب زمان در دمای 45 درجه و سرعت 0.7 متر بر ثانیه برای یک

برگ چای........................................................................................................................................61

4-13 نمودارln(MR)برحسب زمان در دمای 55 درجه و سرعت 0.7متر بر ثانیه برای یک

برگ چای........................................................................................................................................61

4-14 تغییرات رطوبت (kg/kg) با زمان برای توده ای از چای در سرعت 7/0 متربرثانیه...............67

4-15 تغییرات نسبت رطوبت (بی بعد) با زمان برای توده ای از چای در سرعت 7/0 متر

برثانیه .............................................................................................................................................67

4-16 تغییرات رطوبت (kg/kg) با زمان برای توده ای از چای در سرعت1 متربرثانیه...................68

4-17 تغییرات نسبت رطوبت (بی بعد) با زمان برای توده ای از چای در سرعت 1 متر

برثانیه...............................................................................................................................................68

4-18 تغییرات نسبت رطوبت با زمان در دو سرعت متفاوت ودمای ثابت 55 درجه برای

توده ای از چای...............................................................................................................................69

4-19چگونگی یادگیری شبکه^ءFFBP برای یک برگ چای ،الگوریتم یادگیری LM ،تابعآستانه TANSIG با توپولوژی1-11-4.......................................................................................................74

4-20مقایسه نسبت رطوبت پیش بینی شده با نسبت رطوبت تجربی در مرحله^ء آموزش

برای یک برگ چای......................................................................................................................75

4-21مقایسه نسبت رطوبت پیش بینی شده با نسبت رطوبت تجربی در مرحله^ء ارزیابی برای

یک برگ چای...............................................................................................................................75

4-22مقایسه نسبت رطوبت پیش بینی شده با نسبت رطوبت تجربی در مرحله^ءاعتبارسنجی

برای یک برگ چای......................................................................................................................76

4-23مقایسه نسبت رطوبت پیش بینی شده با نسبت رطوبت تجربی درکل مراحل برای یک

برگ چای.......................................................................................................................................76

4-24 مقایسه نتایج داده های تجربی با خروجی شبکه عصبی برای یک برگ چای با تعداد

نرون های بهینه یازده در لایه پنهان...............................................................................................77

4-25 چگونگی یادگیری شبکه^ءFFBP برای توده ای از چای ،الگوریتم یادگیری LM ،تابع آستانه TANSIG با توپولوژی1-20-4......................................................................................................78

4-26مقایسه نسبت رطوبت پیش بینی شده بانسبت رطوبت تجربی درمرحله^ء آموزش برای

توده ای از چای............................................................................................................................79

4-27مقایسه نسبت رطوبت پیش بینی شده بانسبت رطوبت تجربی درمرحله^ء ارزیابی برای

توده ای از چای.............................................................................................................................79

4-28مقایسه نسبت رطوبت پیش بینی شده با نسبت رطوبت تجربی در مرحله^ء اعتبارسنجی

برای توده ای از چای...................................................................................................................80

4-29مقایسه نسبت رطوبت پیش بینی شده با نسبت رطوبت تجربی در کل مراحل برای

توده ای از چای...........................................................................................................................80

4-30 مقایسه نتایج داده های تجربی با خروجی شبکه عصبی برای توده ای از چای با تعداد

نرون های بهینه بیست در لایه پنهان.............................................................................................81

4-31مقادیرMSEبرای یک برگ از چای باالگوریتم یادگیری LMوبرخی ازتوپولوﮊی های

شبکه FFBPو……...……………………………………………………………………CFBP83

4-32مقادیرMSEبرای توده ای از چای باالگوریتم یادگیری LMوبرخی ازتوپولوﮊی های

شبکهFFBPوCFBP.....................................................................................................................83

فهرست علائم اختصاری

زمان........................................................................................................................................ (min)t

دما........................................................................................................................................... T (°c)

رطوبت.............................................................................................................................. X(kg/kg)

رطوبت اولیه(در لحظه صفر).......................................................................................................

رطوبت تعادلی............................................................................................................................

نسبت رطوبت......................................................................................................... (بدون بعد) MR

سرعت.................................................................................................................................. m/s))V

وزن نمونه در هر لحظه....................................................................................................... kg))

وزن نمونه خشک شده....................................................................................................... kg))

لایه پنهان....................................................................................................................................... Z ورودی لایه مخفی............................................................................................................. z _

خروجی لایه مخفی.......................................................................................................................

ورودی به لایه خروجی................................................................................................... y _

خروجی لایه خروجی.................................................................................................................

بایاس در لایه مخفی ..................................................................................................................

بایاس در لایه خروجی...............................................................................................................

پس انتشار خطا............................................................................................................................ BP

ورودی شبکه(تجربی)...........................................................................................................

خروجی شبکه(پیش بینی شده)..............................................................................................

تابع سیگموئید.......................................................................................................................... F(X)

ضریب نفوذ......................................................................................................................... (m/s)D

ثابت تعادل.................................................................................................................................... K

ورودی های خطا(دلتا(........................................................................................................... _

وزن هر نرون................................................................................................................................ W

خطا.............................................................................................................................................

فصل اول

مقدمه و کلیات تحقیق

1-1 مقدمه:

محصولات کشاورزی در مقادیر بالا تولید می شوند ولی بلافاصله مصرف نمی شوند با این حال بسیاری از این محصولات را می توان با استفاده از پردازش های خاص حفظ کرد.یکی از این روش ها خشک کردن است .]21[

خشک کردن قدیمی ترین روش برای جلوگیری از فساد غذاست .خشک کردن فرآیندی است برای افزایش عمر مفید محصولات کشاورزی بدون از دست دادن خواص مغذی قبل ازمصرف. خشک کردن به عنوان یک روش کاربردی نگهداری در مقیاس صنعتی به منظور به حداقل رساندن فساد بیوشیمیائی ،شیمیائی و میکرو بیولوژی با کاهش مقدار آب و فعالیت آب از مواد تعریف میشود. در فرآیند خشک کردن،آب از درون مواد غذایی توسط نفوذ به سطح مواد به وسیله ی هوا منتقل می شود و از آنجا به وسیله ی جابجایی به جریان هوا منتقل می شود .]21،22[

ماده ای که در این تحقیق مورد مطالعه قرار گرفته است چای می باشد .چای ،بهترین نوشیدنی پس از آب است .امروزه چای دم کرده یکی از پرطرفدارترین نوشیدنی های غیرالکلی در جهان است وتقریباً مصرف آن هم ردیف بامصرف قهوه (کافه)است.]23[

چای ارزش غذائی فراوانی دارد زیرا علاوه بر کافئین و پلی فنول های اکسید شده ،مقادیری مواد پروتئینی وهیدرات های کربن نیز دارد و به همین سبب ارزش واقعی گرمازائی یک فنجان چای حدود 4کیلوکالری (170گرم) است .چای ویتامین های متعددی دارد که جزو ویتامین Bمرکب محسوب می شوند .چای بر حسب خشک کردن انواع مختلفی دارد چای سبز،چای سیاه ونیمه تخمیری]5[

مصرف تیانین موجود در چای، در کاهش میزان فشارخون بالا مؤثراست.چای واژه ای است چینی و در گویش چینی جنوبی چای تلفظ می شود وبا همان تلفظ چای وارد زبان فارسی شده است.در گویش چینی شمالی،تی تلفظ می شودو ارتفاع آن گاهی تا8 متر می رسد.چای تقریباً بدون چربی است ودارای طعمی کمی تلخ و گس است ومهم ترین خواص آن عبارتند ازضدافسردگی ضدقند خون،ضد باکتری ،ضد سرطان ،ضد ویروس ،مقوی قلب،محافظ کبد ،کاهنده ی پرفشاری خون ،کاهش دهنده ی چربی خون ،کاهش دهنده ی تری گلیسیرید و جلوگیری از پوسیدگی دندان]4[

1-2تاریخچه پیدایش چای

بر اساس قوانین بین المللی ،نامگذاری گیاهی ،نام علمی صحیح چای ،کاملیا سینن سیس Camellia sinen sis میباشد ،بدین ترتیب تمام انواع چای را متعلق به یک گونه میدانستند که در آن دو واریته[1] به نام چای چینی شناخته شده بود ،متعاقب این اقدامات Kitamura در سال 1950 واریته چینی راCamellia sinen sis Var sinensis و واریته آسامی را Camellia sinensis Var assamia نام گذاری نمود.آنچه برای چایسازی کشت می شوند عبارتند از چای آسامی ،چای چینی،چای کامبوجی.]11[

چای در چین از زمان های بسیار دور مورد استفاده قرار می گرفته است وشهرتش متوجه این کشور می باشد . چای در چین قبل از تاریخ مسیح شناخته شده است ،داستان اکتشاف اتفاقی چای بدین شرح است که زمانی یک دانشمند دوره ی باستان مشغول جوشاندن آب برای غذای بعدازظهرش بود که ضمن قراردادن هیزم درآتش(شاخه ها یی از یک بوته چای ) مقداری از برگهای شاخه ،داخل ظرف آب افتاد ،پس از اینکه این شخص جرعه ای از آن رانوشید احساس نشاط به اودست داد که تأثیرآن اورا وادار به استفاده مداوم از این نوشیدنی نمود .از این رو ،این دست یافته،دست به دست گشت تا اینکه در سراسرکشور رواج یافت.