基于模糊控制技術(shù)的谷物干燥控制系統(tǒng)研究與設(shè)計

摘 要： 谷物干燥處理是糧食存儲和農(nóng)產(chǎn)品加工中一個既重要又復(fù)雜的過程。由于該過程受諸多不確定因素的影響，因此實現(xiàn)精準(zhǔn)控制意義重大。介紹一種基于模糊控制技術(shù)的谷物干燥控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、參數(shù)選擇等方面進行論述，通過對谷倉內(nèi)溫度、濕度兩個參數(shù)的調(diào)節(jié)評價模糊控制技術(shù)運行的穩(wěn)定性和可靠性，取得理想的結(jié)果，為該技術(shù)的開發(fā)與推廣打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：模糊控制；谷物干燥；控制系統(tǒng)

中圖分類號：S24 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）11-0107-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.202411316

0 引言

谷物儲藏的安全問題一直是一個復(fù)雜而又重要的問題，如何設(shè)計一個谷物監(jiān)控系統(tǒng)來實時監(jiān)控谷物的溫濕度，并能及時對異常情況做出迅速地反映，這些都是需要深入研究的問題[1-2]。

我國的糧食儲存技術(shù)采用傳統(tǒng)谷物干燥系統(tǒng)還較多，從儲藏環(huán)境和管理制度等方面主要是借助于人工管理來實現(xiàn)，由此帶來的谷物儲藏的安全問題較多[3]。谷物管理的重點是要時刻監(jiān)測谷物的溫濕度，只有溫濕度達到合適的水平，谷物才能夠長時間儲存。如果谷物管理自動化水平不高，就需要人工經(jīng)常進入谷倉內(nèi)檢查谷物的溫濕度，這樣的管理方式會消耗大量的人力、物力，同時對人的身體也會造成一定的影響，并使谷物發(fā)生變質(zhì)的幾率大大升高[4-5]。因此，為了提高谷物干燥水平，開展以智能化控制為目標(biāo)的研究勢在必行[6]。

常規(guī)的計算機控制系統(tǒng)，大多是處理一些精確參數(shù)，每個參數(shù)通過計算機轉(zhuǎn)換為代碼語言，經(jīng)計算機處理后又輸出給系統(tǒng)一個精確結(jié)果去調(diào)節(jié)系統(tǒng)。而現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)大多具有多變量、非線性等特點，系統(tǒng)較為復(fù)雜，常規(guī)控制系統(tǒng)很難正確描述其動態(tài)過程，也就很難達到精準(zhǔn)控制的目的。模糊控制技術(shù)主要是建立在人工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用模糊控制器來巧妙地控制一個復(fù)雜系統(tǒng)的生產(chǎn)過程，其本質(zhì)是利用計算機來實現(xiàn)人工控制的經(jīng)驗[7]。這些經(jīng)驗在現(xiàn)實中通常具有一定的模糊性，如稍高、較小、偏大和過低等。因此，模糊控制器的輸入和輸出不是精確的數(shù)值，而是模糊集合，這使得模糊控制具有更強的魯棒性和適應(yīng)性，更適用于復(fù)雜系統(tǒng)。

模糊控制的原理是把精確的控制參數(shù)模糊化，通過模糊規(guī)則表進行模糊推理得出輸出變量的模糊集合，最后再去模糊化輸出精確變量以控制系統(tǒng)，使復(fù)雜、動態(tài)的系統(tǒng)達到穩(wěn)定的控制狀態(tài)。

目前，我國傳統(tǒng)的谷物干燥控制單憑傳統(tǒng)的儀器儀表和手工操作的方式是不能達到智能化，本項目在傳統(tǒng)谷物干燥系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和模糊控制技術(shù)等有機結(jié)合，提出了基于模糊控制技術(shù)的谷物干燥控制系統(tǒng)設(shè)計[8-9]。谷物干燥技術(shù)主要是去除谷物中的大量水分，以達到能夠長時間儲存的目的。因此，影響谷物干燥的主要因素是谷倉內(nèi)的溫度、濕度及谷倉的通風(fēng)條件，但這些條件綜合在一起，形成了一個動態(tài)的控制過程，往往不容易建立精確的數(shù)學(xué)模型[10-11]。而模糊控制技術(shù)正是利用了模糊推理等理論來控制復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，屬于智能控制的范疇，將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于谷物干燥過程，對提高我國谷物干燥系統(tǒng)的發(fā)展水平有著重大的意義[12]。

1 谷物干燥控制系統(tǒng)

1.1 整體設(shè)計

本研究針對谷物干燥過程中測控精度不達標(biāo)、溫度不均勻、影響品質(zhì)等生產(chǎn)實際問題，通過理論分析設(shè)計了基于模糊控制技術(shù)的谷物干燥控制系統(tǒng)。通過模糊數(shù)學(xué)把谷物所處復(fù)雜環(huán)境定量化，即將其轉(zhuǎn)化為模糊控制算法，以代替人工經(jīng)驗，從而實現(xiàn)谷物干燥控制系統(tǒng)的智能化管理。

研究對象是谷物干燥控制系統(tǒng)，主要進行模糊控制系統(tǒng)設(shè)計、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計和控制系統(tǒng)軟件設(shè)計3 個方面的研究。通過對這3 個部分的研究結(jié)果最終實現(xiàn)谷物干燥的智能化控制，以達到實現(xiàn)“智慧農(nóng)業(yè)”的目的。谷物干燥控制系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1 所示。

1.2 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

模糊控制系統(tǒng)是一個負反饋控制系統(tǒng)，最終能夠達到自動調(diào)節(jié)參數(shù)的目的。主要由數(shù)據(jù)采集（A/D 及D/A 轉(zhuǎn)換器、傳感變送器等）、模糊控制器、執(zhí)行機構(gòu)和被控對象等部分組成，其系統(tǒng)組成框圖如圖2 所示。

1.2.1 模糊控制器

模糊控制器由計算機實現(xiàn)，是模糊控制系統(tǒng)的核心單元，控制算法通過計算機軟件和硬件實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用國產(chǎn)宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52 單片機作為模糊控制系統(tǒng)的核心器件。程序設(shè)計語言采用匯編語言。

1.2.2 A/D 轉(zhuǎn)換和D/A 轉(zhuǎn)換

考慮到計算機只能接收數(shù)字信號， 因此選用A/D（實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換）和D/A（實現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機或數(shù)據(jù)從計算機的輸出。本系統(tǒng)采用普通的ADC0809大規(guī)模集成電路芯片。

1.2.3 執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)依據(jù)控制系統(tǒng)的輸出去調(diào)節(jié)被控對象采取相應(yīng)的措施，如對谷倉內(nèi)環(huán)境進行加熱或通風(fēng)等。本系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)主要有烘干機、鼓風(fēng)機等。烘干機可以提供熱量以加熱谷物，加熱方式可以是燃氣的或電熱的[13]；鼓風(fēng)機主要是將熱空氣通入谷倉以吸收熱量進行干燥。

1.2.4 被控對象

谷物干燥過程本身就是一個受多種因素影響的復(fù)雜過程，被控對象具有多變量、非線性、有滯后和易受干擾等特點，數(shù)學(xué)模型難以精準(zhǔn)描述該過程，而目前普遍采用模糊控制作為解決方案。根據(jù)谷物干燥過程中各種因素的影響程度，本系統(tǒng)選擇溫度和濕度兩個關(guān)鍵因素作為被控對象。

1.2.5 檢測裝置

本系統(tǒng)檢測裝置主要指溫度傳感器和濕度傳感器，兩者的作用是把谷倉里的非電量（溫度和濕度）信號采集出來，經(jīng)過穩(wěn)壓、濾波和放大等環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為便于測量的電壓或電流信號。通常，對檢測裝置的精度和穩(wěn)定性等要求較高。

1.3 谷物干燥控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件電路包括信號檢測部分 （即溫濕度傳感器）、信號調(diào)理、A/D 轉(zhuǎn)換部分、單片機、D/A 轉(zhuǎn)換部分和執(zhí)行機構(gòu)等8 部分組成。其中，監(jiān)測和控制的都是谷物的表面溫度和濕度值，通過多個溫度和濕度傳感器對谷倉內(nèi)不同位置谷物的溫度和濕度進行測量，并將測量信號進行穩(wěn)壓、濾波和放大等環(huán)節(jié)的處理后，通過A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送給單片機進行模糊控制算法分析處理，并由顯示電路進行顯示，之后又把單片機處理之后的數(shù)字量通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量，并發(fā)出命令給執(zhí)行機構(gòu)，即由暖風(fēng)機或加溫器等設(shè)備對谷倉內(nèi)的溫度和濕度值進行合理的調(diào)控?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

1.4 谷物干燥控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的核心是軟件，軟件的任務(wù)有系統(tǒng)參數(shù)檢測和數(shù)據(jù)信息管理兩個方面。具體包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定；數(shù)據(jù)信息的采集、存儲和處理；信息輸出等功能?？刂葡到y(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。

單片機語言方面，主要有匯編語言、C 語言和BASIC 語言等。本系統(tǒng)的編程語言采用匯編語言，主要是因為其能夠直接操作單片機的寄存器和內(nèi)存，使用時編程效率高、執(zhí)行速度快、使用靈活方便。

軟件系統(tǒng)流程包括單片機的初始化、數(shù)據(jù)采集子程序、模糊處理子程序及顯示和打印子程序等。軟件系統(tǒng)啟動后，首先要對單片機和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等設(shè)備進行初始化，接下來進行各個數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、顯示及打印等，最后輸出控制系統(tǒng)的輸出信號，完成整個軟件流程?？刂葡到y(tǒng)軟件流程如圖5 所示。

1.5 模糊控制器設(shè)計

模糊控制器不需要精確的數(shù)學(xué)模型即可對非線性系統(tǒng)進行精確控制，處理過程分為模糊化、模糊推理和去模糊化3 個部分。本系統(tǒng)主要針對溫度和濕度兩個參數(shù)進行模糊控制，即溫度和濕度作為系統(tǒng)的兩個輸入變量。模糊控制器的首要工作是對此兩個變量進行模糊化處理，也就是首先將溫度、濕度兩個輸入信號的精確量進行模糊化處理，后續(xù)通過模糊規(guī)則表進行模糊推理并輸出，而最終執(zhí)行機構(gòu)只能接收精確的輸出信號，因此還要將輸出的模糊量去模糊化以得到精確的輸出指令。

以谷倉內(nèi)溫度為例，選擇溫度偏差e、偏差變化率Ec 和輸出控制量U 作為系統(tǒng)參數(shù)。溫度偏差e 的變化范圍[?60， 60 ]°C，對溫度的精確數(shù)值進行模糊化，設(shè)定其量化范圍{?6， +6}；模糊化等級分為7 級，分別為NB（負大）、NM（負中）、NS（負?。?、ZO （零）、PS （正?。?、PM（正中）和PB（正大）[14]。根據(jù)谷倉內(nèi)的溫度變化特性，制定模糊規(guī)則，如當(dāng)溫度偏差較大時，為將溫度快速降低到設(shè)定值，則溫度誤差量化因子要取較大值；反之，當(dāng)溫度偏差較小時，溫度誤差量化因子要取較小值。因此，制定合適的模糊控制規(guī)則是設(shè)計模糊控制器的關(guān)鍵。而通過模糊推理，得到的輸出也是一個模糊集合，所以還要進行去模糊化得到一個精確的輸出值去驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)開啟或關(guān)閉相關(guān)設(shè)備，以使谷倉內(nèi)溫度保持合適。

根據(jù)以上過程，模糊控制器結(jié)構(gòu)組成如圖6 所示。

2 監(jiān)測結(jié)果分析

干燥控制系統(tǒng)對谷倉內(nèi)溫度、濕度的控制曲線如圖7 所示。倉內(nèi)起始溫度和濕度分別為3.6 °C 和43%，溫度、濕度期望值分別設(shè)定為50 °C 和20%。由圖7 可知，倉內(nèi)溫度經(jīng)歷了升高?降低?穩(wěn)定的變化過程，而濕度則經(jīng)歷兩次上升?兩次下降?穩(wěn)定的變化過程。還發(fā)現(xiàn)，溫度、濕度達到預(yù)期設(shè)定值的時間分別為28 和36 min。有研究也得出了類似的結(jié)論，束仁冬等[14] 通過試驗發(fā)現(xiàn)，溫度、濕度達到預(yù)期值的時間分別為29和 35 min。上述結(jié)果說明了本研究結(jié)果的可靠性，也說明了該模糊控制系統(tǒng)實現(xiàn)了干燥過程中對溫度和濕度兩個參數(shù)的控制，也證明模糊控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度迅速、超調(diào)量小、穩(wěn)定時間長及良好的穩(wěn)態(tài)性能等特點。

3 結(jié)束語

本研究對基于模糊控制技術(shù)的谷物干燥控制系統(tǒng)進行了研究，結(jié)果表明：①控制系統(tǒng)具有較好的運行可行性、精度可靠性及操控便捷性；②改善了谷倉內(nèi)的溫濕度環(huán)境，谷物干燥水平進一步提高；③提高了系統(tǒng)的自動化水平；④降低了系統(tǒng)能耗，提高了效率。

糧食安全問題受到越來越多的關(guān)注，未來針對糧食存儲的安全性、穩(wěn)定性和可靠性會提出更高的要求。后續(xù)可以從以下3 個方面進行深入研究：以研發(fā)出更加高效、更加節(jié)能、更加環(huán)保的干燥設(shè)備為目標(biāo)，研發(fā)和創(chuàng)新糧食干燥設(shè)備；以提高干燥效率和干燥質(zhì)量為目標(biāo)，推廣應(yīng)用新干燥技術(shù)，如微波干燥[15]、熱泵干燥[16-17]、紅外線干燥[18]、電磁干燥[19] 等；以實現(xiàn)智能化控制為目標(biāo)，引入和優(yōu)化智能管控系統(tǒng)[20]。

參考文獻

［1］彭彥昆．我國糧食干燥技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢[J]．農(nóng)產(chǎn)品加工，2013（5）：6-7．

［2］金驍．谷物干燥工藝優(yōu)化及過程控制技術(shù)研究[D]．杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2019．

JIN Xiao． Research on grain drying process optimization and processcontrol technology[D]．Hangzhou：Zhejiang University of Technology，2019．

［3］路云龍，張千紅，周懿涵，等．小麥?zhǔn)斋@后干燥作業(yè)對內(nèi)在品質(zhì)的影響[J]．南方農(nóng)機，2021，52（21）：36-41．

［4］劉萍，陸海莉，盧青．江蘇省糧食產(chǎn)地綠色烘干減損技術(shù)體系構(gòu)建與探索[J]．農(nóng)業(yè)工程，2022，12（12）：51-55．

LIU Ping，LU Haili，LU Qing．Construction and exploration of greendrying and loss reduction technology system in grain producing areas ofJiangsu Province[J]． Agricultural Engineering， 2022， 12（ 12） ： 51-55．

［5］潘保利，潘久君．稻谷收獲、干燥和倉儲節(jié)糧減損技術(shù)[J]．農(nóng)業(yè)工程，2022，12（8）：68-71．

PAN Baoli， PAN Jiujun． Technology of grain saving and loss reductionfor paddy harvesting， drying and storage[J]． Agricultural Engineering，2022，12（8）：68-71．

［6］陳武東，蘇東鶴，劉睿，等．常見智能谷物干燥機控制技術(shù)與發(fā)展趨勢探析[J]．農(nóng)機使用與維修，2023（5）：86-88．

CHEN Wudong， SU Donghe， LIU Rui， et al． Common intelligentgrain dryer control technology and development trend analysis[J]．AgriculturalMachinery Using amp; Maintenance，2023（5）：86-88．

［7］王保利．單片機控制技術(shù)在谷物干燥中的應(yīng)用研究[D]．楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2003．

WANG Baoli． Research of the single-chip microcomputer control systemin the grain drying process[D]．Yangling：Northwest A amp; F University，2003．

［8］魏建國．我國谷物干燥技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r、存在的問題和發(fā)展趨勢[J]．農(nóng)民致富之友，2014（15）：50．

［9］李天光．我國糧食烘干技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．農(nóng)民致富之友，2017（7）：249．

［10］張立輝．谷物干燥過程模擬及測控新方法的研究[D]．長春：吉林大學(xué)，2014．

ZHANG Lihui． Research on grain drying process simulation and newmeasurement and control methods[D]． Changchun： Jilin University，2014．

［11］姚渠， 尹君， 李瑞敏， 等． 我國糧食干燥技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]．糧食加工，2022，47（3）：77-79．

YAO Qu，YIN Jun，LI Ruimin，et al．Development status and trendof grain drying technology in China[J]． Grain Processing， 2022，47（3）：77-79．

［12］袁冠威．模糊技術(shù)在溫控對象中的應(yīng)用研究[D]．廣州：華南理工大學(xué)，2011．

YUAN Guanwei． Application of the fuzzy technology in temperature control[D]． Guangzhou： South China University of Technology，2011．

［13］肖培軍，任金山．低溫循環(huán)式烘干機的常熱源探討[J]．糧食與食品工業(yè)，2019，26（2）：50-52．

XIAO Peijun，REN Jinshan．Discussion on the constant heat source oflow-temperature circulating dryer[J]． Cereal amp; Food Industry， 2019，26（2）：50-52．

［14］束仁冬，孟令啟，李進，等．基于模糊解耦控制的玻璃溫室大棚的環(huán)境監(jiān)控[J]．江漢大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，49（6）：87-96．

SHU Rendong， MENG Lingqi， LI Jin， et al． Environment monitoringof glass greenhouse based on fuzzy decoupling control[J]．Journal ofJianghan University （Natural Science Edition），2021，49（6）：87-96．

［15］于嘯，張中平，解佩勛，等．連續(xù)式微波干燥機智能控溫系統(tǒng)的研制[J]．自動化與技術(shù)應(yīng)用，2021，40（11）：21-26．

YU Xiao， ZHANG Zhongping， JIE Peixun， et al． Development ofintelligent temperature control system for continuous microwavedryer[J]．Techniques of Automation and Applications，2021，40（11）：21-26．

［16］黃毅成，於海明，繆磊，等．熱泵干燥技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．農(nóng)業(yè)工程，2020，10（6）：61-65．

HUANG Yicheng， YU Haiming， MIAO Lei， et al． Research statusand development trend of heat pump drying technology[J]． AgriculturalEngineering，2020，10（6）：61-65．

［17］繆磊，趙榮，呂虎，等．基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣源熱泵式谷物干燥機試驗研究[J]．農(nóng)業(yè)工程，2023，13（10）：60-64．

MIAO Lei， ZHAO Rong， LYU Hu， et al． Experimental research onair source heat pump grain dryer based on internet of things[J]．AgriculturalEngineering，2023，13（10）：60-64．

［18］黃盛杰，吳煜，沈健民．糧食干燥設(shè)備發(fā)展趨勢：從熱風(fēng)干燥到石墨烯遠紅外輻射[J]．江蘇農(nóng)機化，2021（1）：33-36．

［19］佟童， 吳春升， 田新慶， 等． 電磁加熱谷物真空干燥工藝研究[J]．農(nóng)機使用與維修，2023（8）：72-75．

TONG Tong，WU Chunsheng，TIAN Xinqing，et al．Study on vacuumdrying process of electromagnetic heating grain[J]． AgriculturalMachinery Using amp; Maintenance，2023（8）：72-75．

［20］成曉輝．智能預(yù)測控制在谷物干燥過程中的應(yīng)用研究[J]．計算機測量與控制，2017，25（5）：91-93，98．

CHENG Xiaohui． Application of intelligent predictive control in graindrying process[J]．Computer Measurement and Control，2017，25（5）：91-93，98．

基金項目： 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院2020 年自然科學(xué)基金項目（ZK20-45）

基金項目： 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院2020 年自然科學(xué)基金項目（ZK20-45）