農(nóng)作物烘干機恒溫控制算法的設(shè)計與仿真

劉新平

（湖北職業(yè)技術(shù)學院汽車學院，湖北 孝感 432000）

農(nóng)作物烘干機恒溫控制算法的設(shè)計與仿真

劉新平

（湖北職業(yè)技術(shù)學院汽車學院，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，設(shè)計一種農(nóng)作物烘干機恒溫控制系統(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)計的太陽能熱泵烘干機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；模糊PlD；Smith預(yù)估器

農(nóng)作物種子等一些物料對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，又能實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的烘干過程。針對這一實際需求，采用模糊PID和改進的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)作物烘干機控制系統(tǒng)存在的問題分析

一些農(nóng)作物種子等物料對烘干溫度和時間的要求比較嚴格，烘干溫度與時間對水稻種子含水量和活力的影響時發(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；若烘干實際溫度過低，會影響烘干效率，增加烘干成本。文獻［1］在茶葉烘干機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)對于延遲大、非線性強、控制信號反應(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［2］進行自然空氣對流和強制空氣對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

采用一階近似法對被控對象的數(shù)學模型進行求解。實驗系統(tǒng)的主要設(shè)備為變頻壓縮機、頻率調(diào)節(jié)器、循環(huán)水泵等，烘干房具體參數(shù)為長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。實驗步驟如下：

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)整為為手動控制狀態(tài)，突然在頻率調(diào)節(jié)器的輸出端施加加一個60Hz的擾動信號（在實驗過程中保持信號頻率不變），每隔30S記錄一次烘干房的溫度值。為了方便對數(shù)學模型參數(shù)的求取，在繪制溫度響應(yīng)曲線時將縱坐標（溫度值）整體下移一個環(huán)境溫度，實驗時環(huán)境的溫度值為30℃。

由此方法可以得到烘干機溫度系統(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控制算法的實用性與模糊控制算法的智能性相結(jié)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，研究一種參數(shù)自整定模糊PID控制器對烘干房溫度控制系統(tǒng)進行控制。系統(tǒng)包括一個常規(guī)PID控制器和一個模糊推理的參數(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，實現(xiàn)了系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)誤差小的理想性能指標?？梢杂行П苊夂娓蛇^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，烘干機能夠根據(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)行機構(gòu)（變頻壓縮機）和被控對象（烘干房）的數(shù)學模型，完成對控制器相應(yīng)的設(shè)計。用MATLAB中的Simulink進行仿真分析。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)省烘干時間，改善了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，并在實際生產(chǎn)得到良好應(yīng)用。

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

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

［3］郝鵬飛.時滯系統(tǒng)Fuzzy-Smith控制的仿真研究［J］.陜西科技大學學報，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：汽車檢測技術(shù)、汽車節(jié)能產(chǎn)品的研發(fā)。