常見智能谷物干燥機(jī)控制技術(shù)與發(fā)展趨勢探析

陳武東,蘇東鶴,劉 睿,李喜陸,姜 巖,何樹國,馬文軍

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院佳木斯分院,黑龍江 佳木斯 154004)

0 引言

谷物干燥主要是指利用熱能將谷物中的水分或者其他溶劑去除的過程,最終收獲固體成品的技術(shù)[1]。谷物干燥可以防止谷物在儲藏過程中由于水分過多發(fā)生霉?fàn)€或者變質(zhì)等問題,并且,有利于谷物運(yùn)輸和進(jìn)一步加工作業(yè)等。谷物干燥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要工序之一,是實現(xiàn)糧食生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)全程機(jī)械化發(fā)展的重要技術(shù)措施之一[2-3]。

谷物干燥是谷物適時收獲的重要保障,谷物成熟后,在地里停留時間越長,產(chǎn)量越低,而且容易出現(xiàn)倒伏,尤其是玉米,提高谷物干燥能力可以實現(xiàn)糧食適時收獲,減少農(nóng)業(yè)損失[4-5]。提前進(jìn)行谷物收獲,還可以合理安排人力、物力,以及提高土地利用率。以南方水稻收獲為例,水稻在南方是一年兩熟,收獲早稻之后要立即播種晚稻。但是收獲早稻時期常逢陰雨,因此,需要集中大部分勞動力去搶收早稻,否則會影響后續(xù)晚稻的種植與產(chǎn)量[6]。因此,如果有可靠的谷物干燥機(jī),可以適時早收,既保證后續(xù)田間管理,又不影響晚稻的種植與產(chǎn)量。

隨著谷物干燥機(jī)的逐漸發(fā)展,目前大量研究圍繞水分在線測量、PLC控制、太陽能谷物干燥和智能烘干機(jī)開展研究。因此,對目前常見的智能控制技術(shù)進(jìn)行研究,研究結(jié)果對于保證谷物烘干技術(shù)高效、節(jié)能、優(yōu)質(zhì)等方面發(fā)展提供技術(shù)參考與借鑒。

1 智能谷物干燥機(jī)控制系統(tǒng)

谷物干燥機(jī)智能控制系統(tǒng)對于控制糧食干燥過程至關(guān)重要,電子技術(shù)、微型計算機(jī)、智能控制系統(tǒng)、專家系統(tǒng)和模糊邏輯控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于谷物干燥機(jī)的控制技術(shù)中。

1.1 智能谷物干燥機(jī)控制系統(tǒng)目標(biāo)

1)在喂入谷物干燥機(jī)的谷物水分和溫度及干燥技術(shù)參數(shù)變化的情況下,保證谷物干燥品質(zhì)。

2)避免過度干燥和欠干燥,谷物水分過高,沒有達(dá)到要求的水分含量,谷物后期會發(fā)生霉?fàn)€變質(zhì);干燥過度會增加耗能,降低谷物品質(zhì),減少種子發(fā)芽率。

3)以最低的干燥成本達(dá)到最高的谷物干燥處理量,在干燥過程中避免火災(zāi)和環(huán)境污染。

1.2 智能谷物干燥控制變量

谷物干燥過程變量分為控制變量、擾動變量和輸出變量。具體指標(biāo)如表1所示,控制示意圖如圖1所示。在谷物干燥過程中,輸出變量主要是指出機(jī)谷物含水率,對出機(jī)谷物含水率的控制方法主要分為直接控制和間接控制。間接控制是指通過檢測和控制干燥機(jī)的排氣溫度控制谷物含水率,但是控制精度低,控制性能較差。直接控制是指采用谷物水分傳感器對出機(jī)谷物含水率進(jìn)行在線測量和控制,但傳感器成本較高。

表1 谷物干燥控制變量和具體指標(biāo)

圖1 谷物干燥過程變量示意圖

2 谷物干燥機(jī)控制方法

智能控制技術(shù)與人工控制相比,具有保證谷物干燥機(jī)高效運(yùn)行的應(yīng)用優(yōu)勢。當(dāng)谷物干燥機(jī)受到外界環(huán)境干擾時,被控制變量會出現(xiàn)誤差值,通過智能控制方法可以避免人工的介入[7]。目前,常見的智能控制方法分為前饋控制系統(tǒng)、專家控制技術(shù)、智能控制系統(tǒng)。

2.1 前饋控制技術(shù)

前饋控制技術(shù)是通過測量擾動變量,根據(jù)擾動變量的變化直接調(diào)節(jié)控制變量作出相應(yīng)的補(bǔ)償,而不是等到輸出變量變化出現(xiàn)誤差后再進(jìn)行調(diào)解。前饋控制原理如圖2所示。前饋控制系統(tǒng)可以提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,其缺點是對各項過程變量變化較為敏感,需要建立過程模型。

2.2 智能控制技術(shù)

圖2 谷物干燥及前饋控制系統(tǒng)工作原理

智能控制技術(shù)是基于人工智能控制技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)谷物干燥智能控制,目前常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),具有任意非線性的表達(dá)能力,即使前期不清楚各項變量之間的變化關(guān)系,也可以通過大量數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的控制模型,其基本原理如圖3所示。

圖3 智能控制技術(shù)工作原理(BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制技術(shù))

3 谷物智能干燥信息技術(shù)應(yīng)用前景

我國谷物干燥機(jī)發(fā)展時間較長,成熟機(jī)型較多,但是目前谷物干燥機(jī)自動化和智能化技術(shù)含量較低,耗能較高,未來谷物干燥機(jī)應(yīng)向智能化和節(jié)能減排方向發(fā)展[8]。目前,果蔬干燥產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快,熱物理和光物理技術(shù)方法逐漸被應(yīng)用到谷物干燥領(lǐng)域中,未來應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)微波干燥、真空干燥、真空冷凍干燥和遠(yuǎn)紅外干燥等新技術(shù)的發(fā)展。

3.1 遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)

紅外線干燥技術(shù)分為近、中和遠(yuǎn)紅外線干燥,基本原理是利用紅外發(fā)生器,對干燥物料輻射橫向紅外線,保證物料內(nèi)部的粒子、分子和電子等吸收電磁能量,促進(jìn)物料內(nèi)部粒子的快速運(yùn)動與振蕩、碰撞,粒子自身熱度提升。遠(yuǎn)紅外線是利用遠(yuǎn)紅外輻射元件發(fā)出紅外線被物料吸收轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)而實現(xiàn)谷物干燥的目的,是目前應(yīng)用最為廣泛的紅外線干燥技術(shù)之一,具有較強(qiáng)的穿透性,其本質(zhì)是對物料內(nèi)部直接加熱,可以減少溫度梯度對水分外移的阻礙作用,提高干燥速率。

3.2 太陽能干燥技術(shù)

太陽能屬于新能源之一,是一種取之不盡,用之不竭的清潔能源。太陽能干燥技術(shù)主要向兩個方向發(fā)展,一是在太陽照射下直接干燥,谷物吸收熱量促進(jìn)水分蒸發(fā);二是間接干燥,采用集熱器將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能,加熱空氣送入干燥機(jī),不會出現(xiàn)由于干燥溫度過高破壞谷物品質(zhì),而且不污染生態(tài)環(huán)境。

3.3 微波干燥技術(shù)

微波干燥技術(shù)是利用被干燥物料內(nèi)部水分對微波的吸收特性,水分吸收微波能轉(zhuǎn)化為水分加熱蒸發(fā)所需的熱能,屬于一種穿透性強(qiáng)的電磁波,具有高頻、波長短和頻率高等特點，微波干燥與常規(guī)干燥機(jī)理對比如圖4所示。微波干燥的主要特點為:干燥速度快、加熱均勻、節(jié)能高效、防霉殺菌、安全無害和谷物干燥品質(zhì)高等應(yīng)有優(yōu)勢。

3.4 其他先進(jìn)干燥技術(shù)

圖4 微波干燥與常規(guī)干燥機(jī)理對比示意圖

目前,相關(guān)先進(jìn)谷物干燥技術(shù)圍繞“節(jié)能減排”的主題,充分開發(fā)了太陽能和熱泵干燥技術(shù),將廢棄或者低值熱量轉(zhuǎn)化為高熱能循環(huán)利用,達(dá)到節(jié)本增效的目的。目前常見的先進(jìn)技術(shù)和耗能如表2所示。

表2 典型先進(jìn)谷物干燥技術(shù)與耗能對比 單位:kW·h·(tH2O)-1

4 結(jié)論

如何提高谷物烘干水平是保證我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要問題。本研究對目前常見的智能控制技術(shù)進(jìn)行研究,系統(tǒng)闡述了谷物烘干機(jī)常見控制方法,并提出未來谷物干燥技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。研究結(jié)果以期為谷物干燥技術(shù)發(fā)展提供理論參考與技術(shù)支撐,對于保證我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及國家糧食安全具有重要意義。