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中國是世界大米生產(chǎn)第一大國．總產(chǎn)量占世界大米產(chǎn)量的30%以上。大米也是我國人民的主要口糧之一，隨著人民生活水平的提高、糧食消費(fèi)結(jié)構(gòu)及方式的改變和科技進(jìn)步，稻谷的精、深加工已成為發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)及國民經(jīng)濟(jì)的主要內(nèi)容之一．而稻谷品質(zhì)是第一要素，沒有好的稻谷，工藝再先進(jìn)也加工不出優(yōu)質(zhì)大米。因此，要搞好稻谷的精深加工必須把提高稻谷的內(nèi)在品質(zhì)放在首位。但由于干燥過程控制的嚴(yán)重滯后性和干燥結(jié)果的不可調(diào)整性，我國機(jī)械干燥在技術(shù)上達(dá)不到準(zhǔn)確控制干燥后稻谷質(zhì)量的要求，干燥過程中造成稻谷品質(zhì)劣變、食味差、爆腰率高、裂紋多，市場(chǎng)價(jià)值大大下降。本文通過研究稻谷干燥環(huán)節(jié)對(duì)稻谷品質(zhì)的影響．研究一種新的稻谷干燥機(jī)智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)干燥過程的控制．改善燥后稻谷品質(zhì)。
1、智能控制系統(tǒng)整體方案
在圖1的稻谷干燥機(jī)系統(tǒng)中，干燥風(fēng)機(jī)1向干燥塔上兩個(gè)干燥段供熱風(fēng)，干燥風(fēng)機(jī)2向干燥塔的下兩個(gè)干燥段供熱風(fēng)．熱風(fēng)源來自熱風(fēng)爐．干燥風(fēng)機(jī)2通過人口處冷風(fēng)閥加入冷風(fēng)使熱風(fēng)溫度降低．本控制系統(tǒng)充分利用現(xiàn)有設(shè)備的干燥工藝，主要特色是首先檢測(cè)塔內(nèi)各層段的排風(fēng)濕度．然后通過智能算法建立排風(fēng)濕度與相應(yīng)高度塔內(nèi)糧食含水量的關(guān)系，用排風(fēng)濕度間接反算出糧食含水量．這樣就可以大大減小檢測(cè)結(jié)果的滯后時(shí)間．從而提高控制系統(tǒng)的控制精度。系統(tǒng)一方面通過控制排糧速度控制各層的加熱時(shí)間．另一方面利用干燥風(fēng)機(jī)2入口的冷風(fēng)電動(dòng)閥門控制第三、四干燥段的熱風(fēng)溫度．從而控制被干燥糧食通過第三、四干燥段時(shí)的降水量，使被干燥糧在進(jìn)入冷卻層時(shí)的含水量達(dá)到給定的值，這個(gè)給定值根據(jù)計(jì)算機(jī)的在線學(xué)習(xí)．干燥糧在當(dāng)前大氣環(huán)境條件下（溫度和濕度），通過冷卻段時(shí)的含水量變化情況計(jì)算獲得，富通新能源生產(chǎn)銷售顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)、木屑?xì)饬魇胶娓蓹C(jī)等生物質(zhì)燃料成型、木屑烘干等機(jī)械設(shè)備。
2、智能控制系統(tǒng)的工作原理
稻谷干燥機(jī)智能控制系統(tǒng)的工作原理如圖2所示．主要通過以下方式解決糧食在干燥塔出口處的含水量控制問題：①系統(tǒng)控制量。系統(tǒng)控制量包括系統(tǒng)排糧速度和第三、四段的熱風(fēng)溫度。②總體目標(biāo)?？傮w目標(biāo)主要通過以下三種方式實(shí)現(xiàn)。a、通過電機(jī)變頻調(diào)速控制塔的排糧速度來控制被干燥糧在塔內(nèi)的干燥時(shí)間；b、通過控制在第三、四干燥段的熱風(fēng)溫度，控制糧食進(jìn)入緩蘇段時(shí)的含水量（通過檢測(cè)排氣濕度）；c、根據(jù)環(huán)境條件、第一第二干燥段的入口處熱風(fēng)壓力、溫度和兩層的排氣濕度對(duì)原糧含水量進(jìn)行預(yù)測(cè)．建立系統(tǒng)原糧含水量的智能預(yù)測(cè)模型。
2.1稻谷在干燥塔內(nèi)各段干燥時(shí)間的控制
在干燥塔各段熱空氣流量和熱空氣溫度一定的條件下．被干燥糧食的降水率取決于糧食在各段的干燥時(shí)間。因此，控制進(jìn)入干燥塔時(shí)具有某一含水量的被干燥糧食在塔內(nèi)各段的停留時(shí)間是一項(xiàng)重要的控制指標(biāo)。當(dāng)某一段糧食由入口處進(jìn)入到干燥塔時(shí)，由干燥塔頂端的位置傳感器可以檢測(cè)當(dāng)前糧食的位置高度．由于燥塔底部的變頻調(diào)速器的速度通過計(jì)算機(jī)計(jì)算出該段糧食在以后不同時(shí)刻在塔內(nèi)的位置。這樣在計(jì)算機(jī)內(nèi)就建立起塔內(nèi)糧食的動(dòng)態(tài)分布圖，如圖3所示。
2.2干燥塔各段智能化模型的建立
理論與實(shí)踐證明．模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以以任意精度逼近任意非線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程。如前所述，干燥塔的工作過程屬大時(shí)滯、多擾動(dòng)的強(qiáng)非線性系統(tǒng)，無法用正常的數(shù)學(xué)手段對(duì)其精確建模，而智能控制正是為解決這一問題提出來的．并已在許多工程過程中取得了成功的應(yīng)用，因此智能控制是解決干燥塔系統(tǒng)控制問題的最佳手段。
建立各干燥段的智能化模型的意義在于控制過程中通過檢測(cè)熱空氣的溫度、壓力和塔內(nèi)排出氣體的濕度來預(yù)測(cè)運(yùn)行于該段內(nèi)糧食的降水率和含水量。用這種方法我們建立了各干燥段和冷卻段的智能化模型。
2.3干燥塔含水量控制采用全局優(yōu)化智能控制
如圖3所示．在干燥塔內(nèi)各段糧食的含水量是有一定的差異性的．含水量不同的糧食在塔內(nèi)的各段內(nèi)運(yùn)行的時(shí)間不應(yīng)該相同，所以從整體方面應(yīng)將其進(jìn)行全局優(yōu)化處理。各批含水量不同的糧食在干燥塔內(nèi)的干燥過程采用全局優(yōu)化的智能控制方案。通過圖2中干燥塔人口的糧食溫度、含水量、流量和出口糧食的含水量檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算該部分物料在塔內(nèi)各段的分布情況，再與該部分物料在各段末所檢測(cè)得的含水量（由出口排風(fēng)濕度換算獲得）比較，進(jìn)而計(jì)算出該段在當(dāng)前塔狀態(tài)下（各段進(jìn)氣量和溫度）在各段的干燥時(shí)間。綜合塔內(nèi)的各段物料的狀態(tài)．優(yōu)化干燥時(shí)間，當(dāng)局部物料差異較大時(shí)，在第三、四段由控制閥控制熱風(fēng)量，使其達(dá)到給定值。冷卻段的壓力、溫度和濕度檢測(cè)可以表明環(huán)境條件對(duì)糧食出口含水量的影響．進(jìn)而控制物料在第四階段的含水量的設(shè)定值。
在圖5中，冷卻段的智能模型用于確定在當(dāng)前的氣候條件下，經(jīng)過四個(gè)干燥段和緩蘇段后，在經(jīng)歷不同時(shí)間的冷卻段運(yùn)行時(shí)，糧食含水量的變化情況．進(jìn)而確定被加熱糧食在運(yùn)行通過第四段末時(shí)的含水量以確定第三、四段的熱風(fēng)溫度。
2.4第三、四干燥段的熱風(fēng)溫度的控制
由于在糧食加熱過程中，如上所述的全局優(yōu)化控制過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程．即隨著新的糧源的給入，干燥塔內(nèi)各段糧食含水量是動(dòng)態(tài)變化的．所以優(yōu)化過程也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。要求系統(tǒng)根據(jù)新糧食含水量不斷地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果，而系統(tǒng)中不能滿足要求的部分則由第三、四段集中進(jìn)行補(bǔ)償。第三、四干燥段的控制系統(tǒng)圖如圖6所示。
3、智能控制系統(tǒng)的組成
糧食干燥機(jī)智能控制系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分兩大部分組成。
3.1硬件部分組成
硬件部分主要包括傳感器部分、接口箱、主機(jī)、可編程控制器PLC、繼電器陣列，開關(guān)電源以及不間斷電源等。傳感器部分包括入機(jī)糧含水率檢測(cè)儀、出機(jī)糧含水率檢測(cè)儀、廢氣溫濕度傳感器、壓力傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器和高低風(fēng)溫傳感器等，這些傳感器的布置如圖7所示。接口箱、主機(jī)（包括工控機(jī)機(jī)箱、鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器等，機(jī)箱中配置有總線底板、CPU主板、2塊PCL818數(shù)據(jù)采卡和一塊PCL728模擬量輸出卡）、可編程控制器PLC、繼電器陣列、含水率檢測(cè)傳感器的變送器、開關(guān)電源以及不間斷電源等分層安裝在一個(gè)控制柜內(nèi)．控制柜內(nèi)部的布置如圖8所示。
3.2軟件部分組成
軟件部分主要包括參數(shù)設(shè)置模塊、傳感器標(biāo)定與檢測(cè)模塊、樣本數(shù)據(jù)庫管理模塊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊、干燥過程設(shè)置模塊、干燥過程計(jì)算機(jī)仿真模塊、干燥過程智能控制模塊和打印報(bào)表模塊等。
4、智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)稻谷干燥機(jī)干燥工藝過程為大滯后強(qiáng)非線性和難于建立精確系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用在線與離線相結(jié)合的自學(xué)習(xí)智能控制方法。采用理論分析、計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)時(shí)控制試驗(yàn)相結(jié)合的方法．由理論分析與計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真為系統(tǒng)研制提供干燥過程參數(shù)．并對(duì)系統(tǒng)控制結(jié)果提供定性的指導(dǎo)：通過在線樣本的采集和智能優(yōu)化算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全局性的定量分析，建立由單機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)所確定的過程智能模型．再通過智能優(yōu)化算法調(diào)用人工智能模型，獲取系統(tǒng)建立的控制規(guī)則。在具體實(shí)施過程中采用人機(jī)對(duì)話與系統(tǒng)自組織自學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法。系統(tǒng)軟件采用Visual C++編寫，工作界面友好，過程參數(shù)顯示直觀。
4.1操作界面
系統(tǒng)根據(jù)操作功能分為一個(gè)主界面和5個(gè)輔助功能界面．主界面的主要功能是顯示系統(tǒng)運(yùn)行過程中干燥塔各部分實(shí)時(shí)檢測(cè)所得到的測(cè)試數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)，提供手動(dòng)操作按鈕以及調(diào)節(jié)參數(shù)用的文本框等。所顯示的項(xiàng)目包括：人機(jī)糧含水率、出機(jī)糧含水率、排糧電機(jī)頻率顯示、高低溫干燥段熱風(fēng)溫度的顯示環(huán)境及各層溫濕度的顯示、生產(chǎn)率指標(biāo)——排糧速度顯示、變頻器手動(dòng)調(diào)節(jié)功能等。
4.2 系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的建立
由于干燥機(jī)工作過程為大時(shí)滯強(qiáng)非線性，而且入機(jī)糧為間斷給糧，所以使用通常的前饋反饋控制理論很難達(dá)到理想的控制效果，因此本系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)臨時(shí)數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)塔中過去12個(gè)小時(shí)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫由采樣程序建立，采樣程序按系統(tǒng)設(shè)置的采樣周期將數(shù)據(jù)循環(huán)存儲(chǔ)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)發(fā)送給主界面顯示程序進(jìn)行顯示。采樣程序工作的數(shù)據(jù)流如圖9①所示。
4.3實(shí)時(shí)樣本抽取
實(shí)時(shí)樣本抽取由實(shí)時(shí)樣本抽取程序完成。定時(shí)采樣器在完成采樣程序的調(diào)用后，再調(diào)用實(shí)時(shí)樣本抽取程序。實(shí)時(shí)樣本抽取程序根據(jù)系統(tǒng)中所記錄的上下料位開關(guān)在過去時(shí)間的狀態(tài)情況，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中計(jì)算出當(dāng)前出機(jī)糧段在塔內(nèi)運(yùn)行過程中各段的廢氣溫濕度平均值、運(yùn)行速度平均值、高低溫加熱層風(fēng)溫平均值和人機(jī)糧出機(jī)糧含水率．形成一個(gè)完善的樣本．存入實(shí)時(shí)樣本文件系統(tǒng)中，其工作數(shù)據(jù)流如圖9②所示。實(shí)時(shí)樣本庫為連續(xù)存儲(chǔ)，每隔24小時(shí)形成一個(gè)文件。為節(jié)省硬盤空間，樣本庫采用二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)。
4.4優(yōu)化樣本的抽取
優(yōu)化樣本數(shù)據(jù)是供系統(tǒng)智能建模程序使用的，數(shù)據(jù)由優(yōu)化用樣本抽取程序獲取。當(dāng)實(shí)時(shí)樣本抽取程序獲得一個(gè)完整的樣本并寫入實(shí)時(shí)樣本庫后，同時(shí)調(diào)用優(yōu)化用樣本抽取程序，根據(jù)圖4-3中樣本采樣差值的設(shè)置．查詢優(yōu)化用樣本文件系統(tǒng)決定是否將其寫入樣本庫，其工作過程的數(shù)據(jù)流如圖9③所示。
4.5智能建模
智能建模在系統(tǒng)中完成由優(yōu)化樣本數(shù)據(jù)建立特定干燥機(jī)智能模型的功能．由智能建模程序具體實(shí)施。智能建模程序調(diào)用智能優(yōu)化算法對(duì)優(yōu)化樣本庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，形成模型規(guī)則，存入智能模型文件系統(tǒng)，其工作數(shù)據(jù)流如圖9④所示。
4.6智能控制規(guī)則創(chuàng)建
智能控制規(guī)則創(chuàng)建由智能控制規(guī)則線程完成。當(dāng)智能建模程序完成了模型規(guī)則的創(chuàng)建后，啟動(dòng)該線程，調(diào)用智能優(yōu)化算法進(jìn)行智能控制規(guī)則創(chuàng)立。在創(chuàng)立過程中．規(guī)則創(chuàng)立程序調(diào)用智能模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化出機(jī)糧含水率誤差的累積值，獲得不同入機(jī)糧含水率在不同的高溫層風(fēng)溫的最佳排糧速度值、不同均勻度下入機(jī)糧含水率的低層風(fēng)溫值，存入智能規(guī)則文件系統(tǒng)，形成智能控制規(guī)則。
4.7智能控制的實(shí)時(shí)實(shí)施
當(dāng)智能控制規(guī)則形成后．系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置智能規(guī)則形成標(biāo)記．采樣實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序在調(diào)用完優(yōu)化用樣本實(shí)時(shí)抽取程序后檢測(cè)到該標(biāo)記，該標(biāo)記調(diào)用智能控制程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
5、結(jié)論
通過理論研究、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)運(yùn)行考核，證明本稻谷干燥機(jī)智能控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①本控制系統(tǒng)對(duì)稻谷干燥過程中各主要參數(shù)對(duì)干燥結(jié)果的影響進(jìn)行了分析．所產(chǎn)生的智能模型能夠很好的逼近系統(tǒng)的真實(shí)模型，有效地解決了由于多變量、大時(shí)滯、強(qiáng)非線性等特點(diǎn)所造成的糧食干燥過程難于控制的問題。②本控制系統(tǒng)能夠迅速反映、指出問題所在，能在干燥參數(shù)等方面及時(shí)做出調(diào)整和修正．使整個(gè)烘干系統(tǒng)不因局部問題而受到太大的影響。③本控制系統(tǒng)軟件界面友好，采用圖形化人機(jī)接口，安裝簡單，操作簡單，維護(hù)容易，便于用戶使用。④本控制系統(tǒng)是科技含量較高的人機(jī)互動(dòng)系統(tǒng)．干燥環(huán)節(jié)從糧食入機(jī)開始實(shí)行全方位立體控制，使用本系統(tǒng)可節(jié)省大量的人力物力，利于提高糧食干燥的生產(chǎn)效率和品質(zhì)，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。
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當(dāng)前位置:
稻谷干燥智能控制系統(tǒng)的研究
來源：環(huán)球糧機(jī)網(wǎng)發(fā)布時(shí)間：2015-08-16 16:21:57
