基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的玉米果穗烘干裝置參數(shù)優(yōu)化*

費(fèi) 強(qiáng)，張維合，閆麗靜，唐聯(lián)耀，金 標(biāo)

（廣東科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 東莞 523083）

玉米果穗烘干過(guò)程是一個(gè)多輸入、多輸出的非線性系統(tǒng)[1]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是模擬人思維的一個(gè)非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其特色在于信息的分布式存儲(chǔ)和并行協(xié)同處理。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究?jī)?nèi)容相當(dāng)廣泛，課題組使用的前饋式的BP網(wǎng)絡(luò)是一種簡(jiǎn)單而用途廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它適用于非線性的模式識(shí)別和分類預(yù)測(cè)問(wèn)題[2]。應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)玉米果穗烘干工藝過(guò)程中烘干裝置進(jìn)行建模與目標(biāo)優(yōu)化，并利用遺傳算法對(duì)已優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 立式烘干倉(cāng)參數(shù)的設(shè)定

1.1 有效度

有效度按式（1）計(jì)算：

式中：K——使用有效度，%；

θ——干燥作業(yè)時(shí)間，單位為h；

Tg——故障及排除故障時(shí)間，單位為h。

1.2 干燥水分比率

課題組重點(diǎn)對(duì)玉米籽粒干燥率進(jìn)行研究。在薄層干燥試驗(yàn)中，玉米籽粒暴露在恒量干燥環(huán)境，其失重記錄在時(shí)間的上方，典型的結(jié)果如圖1所示，重量隨時(shí)間而減少，接近平衡重量We，即為漸近線。以測(cè)量的水分比率（MR）為縱坐標(biāo)，如圖1（b）所示，測(cè)量開(kāi)始值為1.0，逐漸趨近0。如果數(shù)據(jù)適合此指數(shù)曲線，形成MR=e-kθ，式中θ表示時(shí)間，圖1（b）的曲線在半對(duì)數(shù)座標(biāo)中為直線。如圖1（c）所示，k為干燥常數(shù)，k值是由顆粒內(nèi)部水分和干燥空氣的性質(zhì)決定的，它的大小是隨顆粒繼續(xù)干燥而減小。從圖1（c）中曲線斜度k1大于k2，此對(duì)數(shù)模式適合于實(shí)際干燥過(guò)程設(shè)計(jì)，此模式一般發(fā)生在水分比率上部范圍。例如，玉米中的水分從35%烘干至17.6%，干基（26%至15%，濕基），水分比率從1.0降至0.5左右，其干燥常數(shù)可仍視為常數(shù)[3]。水分比率一般可直接以凈重量代替水分含量，如式（2）：

圖1 典型的薄層干燥曲線

式中：下腳注θ表示干燥開(kāi)始后的特定時(shí)間，e表示平衡，i表示內(nèi)部條件。

薄層干燥試驗(yàn)分別測(cè)定了玉米粒和玉米穗的干燥率，但干燥效率接近0。在實(shí)際干燥系統(tǒng)中，足夠深的床或?qū)涌蓮臒峥諝馕『侠淼哪茉床糠?，最接近開(kāi)始引入空氣的那層進(jìn)行干燥，其干燥率最大，起到薄層干燥的作用。Hukill定義連續(xù)層為深層因子，其開(kāi)發(fā)了用于計(jì)算每個(gè)無(wú)因次單位時(shí)間的平均水分含量，最初水分含量和干燥空氣的條件，相似體和數(shù)字通過(guò)干燥模型很快地評(píng)估了不同干燥機(jī)的配置、能力、效率等對(duì)玉米性質(zhì)和干燥參數(shù)變化的影響[4]。圖1（a）樣品重量對(duì)持續(xù)時(shí)間（Wi=最初重量，We=平衡重量）；圖1（b）樣品重量轉(zhuǎn)換為水分比率；圖1（c）樣品水分比率對(duì)log（對(duì)數(shù)）比例；k1干燥常數(shù)用于最初干燥速率；k2用于最終干燥速率。

1.3 干燥均勻度

干燥后物料濕基含水率的最大值和最小值的差值。

1.3.1 濕基含水率

物料中的水分質(zhì)量與其總質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)（%）表示。按式（3）計(jì)算：

式中：M——物料的濕基含水率，%；

W——物料的水分質(zhì)量，單位為kg；

m——物料的總質(zhì)量，單位為kg。

1.3.2 干基含水率

物料中的水分質(zhì)量與其干物質(zhì)質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)（%）表示。按式（4）計(jì)算：

式中：Mg——物料的干基含水率，%；

mg——物料中的干物質(zhì)質(zhì)量，單位為kg。

烘干后的含水率應(yīng)均勻，并符合品質(zhì)要求，主要性能指標(biāo)應(yīng)符合如表1所示的規(guī)定。

表1 性能指標(biāo)表

2 烘干裝置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 BP網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其中：X1，物料的水分質(zhì)量；X2，物料的總質(zhì)量；X3，物料中的干物質(zhì)質(zhì)量；X4，干燥作業(yè)時(shí)間；Y1，有效度；Y2，干燥均勻度；Y3，水分比率。

圖2 烘干裝置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

2.2 仿真結(jié)果

應(yīng)用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱[5]實(shí)現(xiàn)BP網(wǎng)絡(luò)模型的創(chuàng)建、計(jì)算及仿真，其仿真結(jié)果如表2所示。

表2 仿真結(jié)果

3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的玉米果穗烘干裝置參數(shù)優(yōu)化原理

通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工具箱對(duì)玉米果穗烘干裝置的干燥有效度、干燥均勻度、水分比率進(jìn)行優(yōu)化，獲取相應(yīng)的最優(yōu)工作參數(shù)。若以某目標(biāo)為主要目標(biāo)，如f1(x)要求實(shí)現(xiàn)最優(yōu)（最大），而對(duì)其他目標(biāo)只滿足一定規(guī)格要求即可，如下：

其中，當(dāng)f′i=﹣∞或f″i=∞，就變成單邊限制，這樣問(wèn)題便可化成求下述非線性規(guī)劃問(wèn)題：

對(duì)于單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果而言，所得到的立式干燥機(jī)性能指標(biāo)（干燥有效度、干燥均勻度、水分比率）均符合農(nóng)產(chǎn)品烘干設(shè)備技術(shù)條件（甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)）。對(duì)烘干裝置而言，首先應(yīng)盡可能保證玉米果穗在干燥時(shí)水分比率降到最小值；在此基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減小果穗的干燥破損率及果穗軸碎芯。

函數(shù)最優(yōu)解為Fun3=0.587 227 744 018 677 6，應(yīng)用線性插值法，此時(shí)，玉米果穗的水分質(zhì)量為3.185 kg、果穗總質(zhì)量為17.46 kg、果穗干物質(zhì)質(zhì)量為12.32 kg、干燥作業(yè)時(shí)間為148.13h；此時(shí)，F(xiàn)un1=99.480 000 2、Fun2=5.479 104 9。

4 烘干裝置的參數(shù)優(yōu)化驗(yàn)證

應(yīng)用遺傳算法對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型中所優(yōu)化的指標(biāo)、因素自變量數(shù)值進(jìn)行驗(yàn)證。應(yīng)用遺傳算法對(duì)上述函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化求解[6]，玉米果穗烘干性能指標(biāo)優(yōu)化參數(shù)如表3所示。

表3 玉米果穗烘干性能指標(biāo)

由表3單目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可以看出，干燥有效度（Fun1）、干燥均勻性（Fun2）及水分比率（Fun3）與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果分別相差0.023%、0.001%、0.001%。

5 結(jié)論

以玉米果穗的水分質(zhì)量、果穗的總質(zhì)量、果穗的干物質(zhì)質(zhì)量和干燥作業(yè)時(shí)間為自變量，干燥有效度、干燥均勻度、水分比率為響應(yīng)值，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的玉米果穗烘干裝置最佳工作參數(shù)為：玉米果穗的水分質(zhì)量2.80 kg～3.2 kg、果穗的總質(zhì)量16.96 kg～17.53 kg、果穗的干物質(zhì)質(zhì)量8.25 kg～12.556 kg、干燥作業(yè)時(shí)間140 h～148.2 h。參數(shù)較優(yōu)化前的干燥有效度增大0.15%～0.38%，干燥均勻度增大0.97%～1.70%；水分比率減小0.084～0.274。