连续式玉米干燥机测控系统的研究

发布时间：2020-09-21 08:16

　　我国具有庞大的人口基数和粮食产量,并且每年都在稳步提升。但是根据不完全统计数据分析,收获后的粮食在运输、储存和加工生产中因没有得到适时的干燥处理而产生霉变腐烂高达700亿斤,几乎占到了我国粮食总产量的5%,给我国造成的直接经济损失不容小觑。粮食干燥作为粮食储藏管理前的重要环节,其技术的发展直接关系到粮食安全,具有重要的战略意义。采用粮食干燥机对粮食进行机械化产后处理可以有效的减少干燥时间,大幅度的提升工作效率,具有减少人力投入和增加经济创收等重要意义。干燥机的测控系统是整个机械化生产中的核心技术,也是保证粮食完全干燥的前提。本文在充分考虑玉米干燥过程特性的基础上提出了干燥积温的概念,并结合过程控制技术、虚拟仪器技术和模糊PID控制技术,设计出一种基于积温理论控制的干燥机智能测控系统,并在连续式玉米干燥机上得到了试验验证。本文主要内容如下:(1)介绍了国内外粮食干燥机的发展过程和现状以及目前主流干燥机的测控系统,讲述了模糊控制和模糊PID控制在粮食干燥机中的应用,并结合当前存在的问题提出了相应的解决方案,其中阐述了玉米积温控制的基本思想,并将积温理论作为本测控系统控制的核心。在分析了玉米深床干燥和薄层干燥区别的前提下,探索了积温与出机水分之间的关系,由此建立了玉米深床干燥过程控制中的积温预测模型。同时通过薄层干燥模型可推导出相应的深床水分预测模型,进而预测干燥机中每段粮食的实时水分。(2)在整个测控系统中,将积温值作为长期控制的变量,预测出机水分作为短期控制的变量。通过判断等效积温值与理论积温值的差值,实现长期调整和短期调整的切换,若等效积温值与理论积温值的差值超出标准范围时,则利用模糊控制进行调节,直至积温值符合要求进而进入短期调整阶段;短期调整中则利用模糊PID控制进行调节,直至预测出机水分符合标准要求,则计算空闲时间输出给变频器控制排粮电机工作。并在控制系统中引入加权温度和的概念,用来判断干燥过程是否进入平稳状态,若干燥过程中因外界环境发生骤变,则通过判断出机水分进而改变理论积温,使系统经过调整再次达到新的稳态。(3)根据理论计算和人工经验对测控系统进行分析,将玉米出机水分在不同工况下的变化分为若干个状态,依据工作状态的不同分别建立模糊控制器和模糊PID控制器中各个控制决策。结合LabVIEW软件,编写测控系统的控制程序,并在小型玉米干燥机上进行玉米干燥试验,利用上位机与PLC、温控表、温湿度传感器和变频器等部件进行通讯,实时采集数据并进行控制。对玉米出机水分进行了跟踪测量,试验结果表明此系统在运行过程中稳定性和可靠性都能够较好的满足玉米干燥的控制要求。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S226.6
【部分图文】：

曲线,平衡温度,积温,曲线

W——粮食湿基含水率，%；ERH——空气相对湿度，%；1C 、2C 、3C ——MCPE 方程中的常数值，其值与作物品种有关。（注：玉米解吸过程对应的 =581.393， =35.840， =0.235）利用公式 2.2 可以绘制下图 2.2，由图可以看出当玉米含水率（湿基）一定的前提下，平衡温度会随着环境相对湿度的增加而出现大幅度的增长；当环境相对湿度一定的前提下，平衡温度会随着玉米含水率（湿基）的增加不断减小。整体看来在相对湿度低于 50%、玉米含水率（湿基）高于 14%（玉米安全水分）的情况下，平衡温度均在 0℃以下，并且玉米含水率（湿基）越高，平衡温度将远低于 0℃。因为平衡温度是干燥开始的起点，我们认为粮食温度只要高于平衡温度则即有干燥作用，但是当粮食温度略高于平衡温度时其降水过程非常缓慢。因此，在实际的干燥作业过程中，我们可以根据环境状态（干燥机中最后一个排潮口的相对湿度值）将干燥目标水分对应的平衡温度作为整个干燥过程的起始点，再通过积温公式进行计算当前的等效积温值并应用到干燥机的过程中[30]。例如：当玉米干燥的目标水分为 14%、排潮口湿度为 60%时，所对应的 Te=5℃。

示意图,粮食,玉米,二维

吉林大学硕士学位论文代表经过 j 个干燥时间步长后，第 i 层玉米薄层的温度； H步长后，穿过第 i 层玉米薄层后空气的含湿量；代表经过 j 个干燥时间步长后，穿过第 i 层玉米薄层后空气的层的初始含水率（干基）；代表各玉米薄层的初始温度； H j，0 代表空气的初始含湿量度；

散点图,变化率,散点图,积温

图 3.4 温度和变化率散点图随着自然论域范围的增加，模糊论域的单位等级宽度将会增大，那么会降低系统灵敏性[57]。为了控制调节精度将理论积温上限值的 7%左右定义为积温偏差值。本验的积温值在 24000℃ min 附近，因此将积温偏差变化值定义在 1600 附近，即值的偏差基本论域一般在[-1600,1600]，偏差变化率的基本论域一般在[-196,196],空时间调整量的基本论域一般在[-1.5,1.5]，详细参数见下表 3.2：表 3.2 不同工况下各参数变化范围参数值工况 1 工况 2 工况 3 工况 4 单位温度和 120 140 160 180 ℃等效积温变化率 1104 1288 1472 1656 ℃·min/min等效积温调整范围 ±1600 ±1600 ±1600 ±1600 ℃·min空闲时间调整范围 ±1.45 ±1.24 ±1.09 ±0.97 min总干燥时间变化范围 ±52.2 ±44.7 ±39.24 ±34.78 min因此可以计算量化因子 Ke，Kec和比例因子 Ku分别为：

【参考文献】