農作物烘干機恒溫控制算法的設計與仿真

劉新平

（湖北職業技術學院汽車學院，湖北 孝感 432000）

農作物烘干機恒溫控制算法的設計與仿真

劉新平

（湖北職業技術學院汽車學院，湖北 孝感 432000）

為了適應農作物種子等產品的恒溫烘干要求和節能減排的目標，設計一種農作物烘干機恒溫控制系統。控制系統使用加入Smith預估環節的模糊PlD控制算法，使烘干過程維持在設定溫度范圍內。通過系統仿真應用，設計的太陽能熱泵烘干機可提高烘干效率和工藝穩定性，能夠滿足農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預估器

農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，既不損壞農作物種子的生物活性，又能實現穩定、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預估控制算法，使烘干過程維持在預設溫度范圍內，提高農作物種子的烘干品質和效率。

1 現有農作物烘干機控制系統存在的問題分析

一些農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現，若烘干溫度過高容易引起爆腰，使種子發芽率降低；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，取得了較好的應用效果。但常規的模糊PID控制系統對于延遲大、非線性強、控制信號反應慢的復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，結果發現太陽能干燥中的谷物溫度一般低于70℃。

2 史密斯預估器的參數自整定模糊PlD控制系統設計

采用一階近似法對被控對象的數學模型進行求解。實驗系統的主要設備為變頻壓縮機、頻率調節器、循環水泵等，烘干房具體參數為長7445mm×寬3400mm×高1847mm，板房外圍使用50mm厚的雙面彩鋼聚氨酯發泡保溫材料。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調整為為手動控制狀態，突然在頻率調節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。為了方便對數學模型參數的求取，在繪制溫度響應曲線時將縱坐標（溫度值）整體下移一個環境溫度，實驗時環境的溫度值為30℃。

由此方法可以得到烘干機溫度系統的傳遞函數為：

根據上述所求系統的傳遞函數，將PID控制算法的實用性與模糊控制算法的智能性相結合，實現優勢互補，研究一種參數自整定模糊PID控制器對烘干房溫度控制系統進行控制。系統包括一個常規PID控制器和一個模糊推理的參數校正部分。偏差E和偏差的變化率EC作為模糊系統的輸入，三個PID 參數Kp、Ki和Kd的變化值作為輸出，根據事先確定好的模糊控制規則作出模糊推理的參數校正，在線改變PID參數的值，從而實現PID參數的自整定。

3 控制系統仿真研究

烘干房預設溫度值為80℃，假設烘干房在正常環境下溫度達到30℃，仿真響應曲線如圖1所示［3］：

圖1 仿真響應曲線圖

通過圖1的仿真響應曲線圖可以看出：黃色曲線為帶有史密斯預估器的齊格勒—尼柯爾斯參數整定純PID控制系統響應曲線，易產生振蕩，超調量較大；藍色曲線為模糊控制曲線，雖可以減少系統的振蕩，但出現了穩態誤差，且穩態誤差較大；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，實現了系統調節時間短、超調量小，穩態誤差小的理想性能指標。可以有效避免烘干過程中過熱或者供熱不足的情況，提高了烘干效率。

4 結束語

研發一種以太陽能與空氣能熱泵并聯加熱的農作物烘干機，烘干機能夠根據天氣情況智能選擇最優的供熱模式。將模糊PID和改進的Smith預估控制算法應用到恒溫烘干控制系統中。建立起執行機構（變頻壓縮機）和被控對象（烘干房）的數學模型，完成對控制器相應的設計。用MATLAB中的Simulink進行仿真分析。由仿真結果可以看出，Smith預估控制技術在太陽能熱泵烘干控制系統應用，比傳統的PID控制及模糊控制有更好的控制效果，節省烘干時間，改善了控制系統的調節品質，并在實際生產得到良好應用。

［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研究［J］.食品與機械，2015，（31）：111-114.

［2］詹長軍.太陽能熱泵聯合干燥裝置在干燥領域的比較優勢［J］.農業工程技術，2010（3）：22-23.

［3］郝鵬飛.時滯系統Fuzzy-Smith控制的仿真研究［J］.陜西科技大學學報，2008，5（26）：84-87.

TK511

A

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、汽車節能產品的研發。