劉新平

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院，湖北 孝感 432000）

農(nóng)作物烘干機(jī)恒溫控制算法的設(shè)計(jì)與仿真

劉新平

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院，湖北 孝感 432000）

為了適應(yīng)農(nóng)作物種子等產(chǎn)品的恒溫烘干要求和節(jié)能減排的目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種農(nóng)作物烘干機(jī)恒溫控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)使用加入Smith預(yù)估環(huán)節(jié)的模糊PlD控制算法，使烘干過程維持在設(shè)定溫度范圍內(nèi)。通過系統(tǒng)仿真應(yīng)用，設(shè)計(jì)的太陽能熱泵烘干機(jī)可提高烘干效率和工藝穩(wěn)定性，能夠滿足農(nóng)作物種子等恒溫烘干需求。

太陽能；空氣源熱泵；烘干機(jī)；模糊PlD；Smith預(yù)估器

農(nóng)作物種子等一些物料對(duì)烘干過程有較高的溫度控制要求，一般要求烘干溫度恒定在一個(gè)溫度范圍之內(nèi)，既不損壞農(nóng)作物種子的生物活性，又能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的烘干過程。針對(duì)這一實(shí)際需求，采用模糊PID和改進(jìn)的Smith預(yù)估控制算法，使烘干過程維持在預(yù)設(shè)溫度范圍內(nèi)，提高農(nóng)作物種子的烘干品質(zhì)和效率。

1 現(xiàn)有農(nóng)作物烘干機(jī)控制系統(tǒng)存在的問題分析

一些農(nóng)作物種子等物料對(duì)烘干溫度和時(shí)間的要求比較嚴(yán)格，烘干溫度與時(shí)間對(duì)水稻種子含水量和活力的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，若烘干溫度過高容易引起爆腰，使種子發(fā)芽率降低；若烘干實(shí)際溫度過低，會(huì)影響烘干效率，增加烘干成本。文獻(xiàn)［1］在茶葉烘干機(jī)溫度控制中采用模糊PID控制算法，取得了較好的應(yīng)用效果。但常規(guī)的模糊PID控制系統(tǒng)對(duì)于延遲大、非線性強(qiáng)、控制信號(hào)反應(yīng)慢的復(fù)雜烘干過程往往不能獲得令人滿意的控制效果。文獻(xiàn)［2］進(jìn)行自然空氣對(duì)流和強(qiáng)制空氣對(duì)流的方法輔助太陽能干燥稻谷的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)太陽能干燥中的谷物溫度一般低于70℃。

2 史密斯預(yù)估器的參數(shù)自整定模糊PlD控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用一階近似法對(duì)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要設(shè)備為變頻壓縮機(jī)、頻率調(diào)節(jié)器、循環(huán)水泵等，烘干房具體參數(shù)為長(zhǎng)7445mm×寬3400mm×高1847mm，板房外圍使用50mm厚的雙面彩鋼聚氨酯發(fā)泡保溫材料。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

烘干房溫度控制在80℃，誤差要求在±5℃（2）使烘干房的工作狀態(tài)調(diào)整為為手動(dòng)控制狀態(tài)，突然在頻率調(diào)節(jié)器的輸出端施加加一個(gè)60Hz的擾動(dòng)信號(hào)（在實(shí)驗(yàn)過程中保持信號(hào)頻率不變），每隔30S記錄一次烘干房的溫度值。為了方便對(duì)數(shù)學(xué)模型參數(shù)的求取，在繪制溫度響應(yīng)曲線時(shí)將縱坐標(biāo)（溫度值）整體下移一個(gè)環(huán)境溫度，實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境的溫度值為30℃。

由此方法可以得到烘干機(jī)溫度系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

根據(jù)上述所求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，將PID控制算法的實(shí)用性與模糊控制算法的智能性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，研究一種參數(shù)自整定模糊PID控制器對(duì)烘干房溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)包括一個(gè)常規(guī)PID控制器和一個(gè)模糊推理的參數(shù)校正部分。偏差E和偏差的變化率EC作為模糊系統(tǒng)的輸入，三個(gè)PID 參數(shù)Kp、Ki和Kd的變化值作為輸出，根據(jù)事先確定好的模糊控制規(guī)則作出模糊推理的參數(shù)校正，在線改變PID參數(shù)的值，從而實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自整定。

3 控制系統(tǒng)仿真研究

烘干房預(yù)設(shè)溫度值為80℃，假設(shè)烘干房在正常環(huán)境下溫度達(dá)到30℃，仿真響應(yīng)曲線如圖1所示［3］：

圖1 仿真響應(yīng)曲線圖

通過圖1的仿真響應(yīng)曲線圖可以看出：黃色曲線為帶有史密斯預(yù)估器的齊格勒—尼柯爾斯參數(shù)整定純PID控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線，易產(chǎn)生振蕩，超調(diào)量較大；藍(lán)色曲線為模糊控制曲線，雖可以減少系統(tǒng)的振蕩，但出現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)誤差，且穩(wěn)態(tài)誤差較大；紅色曲線為模糊PID控制曲線，克服了純PID控制和模糊控制的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)誤差小的理想性能指標(biāo)。可以有效避免烘干過程中過熱或者供熱不足的情況，提高了烘干效率。

4 結(jié)束語

研發(fā)一種以太陽能與空氣能熱泵并聯(lián)加熱的農(nóng)作物烘干機(jī)，烘干機(jī)能夠根據(jù)天氣情況智能選擇最優(yōu)的供熱模式。將模糊PID和改進(jìn)的Smith預(yù)估控制算法應(yīng)用到恒溫烘干控制系統(tǒng)中。建立起執(zhí)行機(jī)構(gòu)（變頻壓縮機(jī)）和被控對(duì)象（烘干房）的數(shù)學(xué)模型，完成對(duì)控制器相應(yīng)的設(shè)計(jì)。用MATLAB中的Simulink進(jìn)行仿真分析。由仿真結(jié)果可以看出，Smith預(yù)估控制技術(shù)在太陽能熱泵烘干控制系統(tǒng)應(yīng)用，比傳統(tǒng)的PID控制及模糊控制有更好的控制效果，節(jié)省烘干時(shí)間，改善了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，并在實(shí)際生產(chǎn)得到良好應(yīng)用。

［1］吳曉強(qiáng)，李亞莉，周紅杰.基于模糊PlD的茶葉烘干機(jī)恒溫控制系統(tǒng)研究［J］.食品與機(jī)械，2015，（31）：111-114.

［2］詹長(zhǎng)軍.太陽能熱泵聯(lián)合干燥裝置在干燥領(lǐng)域的比較優(yōu)勢(shì)［J］.農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2010（3）：22-23.

［3］郝鵬飛.時(shí)滯系統(tǒng)Fuzzy-Smith控制的仿真研究［J］.陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，5（26）：84-87.

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1671-3818（2016）10-0181-01

劉新平（1964-），男，湖北孝感人，教授，碩士，研究方向：汽車檢測(cè)技術(shù)、汽車節(jié)能產(chǎn)品的研發(fā)。