粮食干燥过程控制现状与发展浅析.doc

粮食干燥过程控制现状与发展浅析 摘 要 本文介绍和总结了目前国内外粮食干燥机过程自动控制技术的发展现状，通过了解粮食干燥控制理论的发展历史和现状，发现其中的不足，提出粮食干燥过程控制的发展方向与前景。关键词 粮食干燥 过程控制 干燥机 秸秆0 引言我国是粮食生产大国。在我国主要商品粮生产基地，收获后的粮食含水量往往偏高，储藏时稍有不慎，将造成粮食霉烂、变质，从而损失大量粮食。我国每年由于霉烂而损失的粮食竞有数十亿公斤。因此，对粮食进行人工干燥是一件十分有实际意义的工作。实现粮食干燥机的自动控制,对保证出机粮食水分均匀一致,干后粮食品质,减轻操作人员劳动强度及充分发挥干燥机生产能力等具有重要意义。1 粮食干燥过程控制研究现状1.1 干燥过程自动控制的特点1.1.1 基于模型的控制 20世纪60年代,主要使用前馈控制、反馈控制、反馈-前馈控制等传统控制方法。传统控制采用差分方程或传递函数,把干燥过程系统和已知的信息表达成解析式。采用上述控制方法设计和使用干燥机控制系统时会遇到很多困难,主要原因有:1.粮食干燥过程是复杂的、时变的和非线性的;2.某些干燥过程变量不能直接测量,或测量不准确;干燥过程模型需要大量的计算时间，不可能用一个适当的模型来表示非线性、滞后、时变的复杂系统;3.被控变量和控制变量之间存在交互效应;4.干燥作业条件复杂,扰动变量的范围宽,实时调控困难。【1】1.1.2 智能控制 20世纪70年代,计算机控制技术和人工智能技术的发展为粮食干燥的控制提供了新的途径。此后,过程控制进入了以智能化为主的时期,利用人工神经网络对干燥过程进行模型模拟和控制,将专家系统应用于谷物品质预测、干燥过程控制和管理咨询等,控制方法不断改进,控制效果明显提高。【1】1.2 国外研究现状国外粮食干燥自动控制的研究始于20世纪60年代。从60年代起,国外学者就开始研究干燥过程自动控制问题,一些发达国家,如美国、日本产的粮食干燥机已经实现了干燥作业半自动化和干燥介质温度控制的自动化。采用的是传统控制方法。后来,随着电子技术的飞速发展,应用传统控制理论实现了粮食干燥过程的自动化。至今由于微型计算机的迅速普及,智能控制系统,如专家系统、模糊逻辑控制等已经开始应用于粮食干燥过程控制。1997年,Taprantzis等研究了流化床干燥器的模糊控制问题,并与PI控制相比较,结果表明模糊控制比PI控制具有更好的动态特性。Siettos等研究了流化床干燥器的模糊控制过程和PID控制过程,结果表明模糊控制较PID控制具有更好的控制特性。Liu Qiang等提出了一种新的干燥机含水率控制系统,它由模型预测控制算法和分布参数过程模型组成,对于控制非线性和静态时域过程非常有效。Thyagarajan等利用模糊逻辑和遗传算法,研究了粮食干燥过程热风系统智能控制问题。Misa等研究了物料干燥质量和食品干燥过程的模糊神经网络优化控制问题。【2】1.3 国内研究现状我国粮食干燥过程控制的研究出现在20世纪90年代,李俊明等【3】以干燥机热风温度为依据制定了模糊控制系统,利用模糊控制实现了电机的转速调节,并针对干燥过程的大滞后问题,设计了自组织模糊控制器。曹崇文【4】详细介绍了其关于粮食干燥过程模糊数学方法和模糊神经网络控制方法的研究成果,包括粮食干燥机的模糊控制和模糊优化、干燥品质的模糊预测和基于神经网络的逆流式粮食干燥机模型辨识等问题【4】。张吉礼等【5】在分析了粮食干燥过程热工特性及影响干燥机出口粮食含水量的关键因素基础上,提出了粮食水分在线检测和模糊神经网络预测控制方法,开发了粮食参数在线检测与智能预测控制软件。Xueqiang Liu等【6】研究了基于多元统计、主元分析和神经网络等方法的干燥过程控制算法,在模拟实验系统上进行了验证,可以对粮食的水分进行有效控制。Xiaoguang Chen等【7】在研究玉米变温干燥工艺对玉米水分下降和粮食品质的影响规律的同时,利用虚拟仪器、现场总线、人工神经网络等开发了玉米干燥测控系统。2 缺点与不足2.1 未对品质进行实时控制国内外学者在以水分控制为核心的粮食干燥过程智能控制方法和有关计算机控制技术开发及其应用等方面已取得了一定的理论和应用成果,但尚缺乏对干燥品质进行实时控制的研究，如成分、惊纹率、发芽率等。没有对品质进行控制的产品对质量是没有把握的，品质不一也会对粮品的后续应用带来不小的麻烦。2.2 干燥技术与控制技术未充分结合干燥过程是复杂的热力系统,同时，物料自身的特性函数也难以确定，所以建立一个符合实际干燥过程的理想的数学模型十分困难。通常为便于研究，要对建模条件进行简化,简化后的模型不能真正反映干燥过程,会有误差;如热质传递模型、干燥过程优化控制模型、模糊控制及智能控制等模型,都有因误差而不够完美之处。因此，在实施控制时不得不寻求其他间接方法,这在一定程度上影响了控制的精度和效果;即使一些干燥过程能够建立起精确的数学模型,其结构往往也十分复杂,难以设计并实现有效的控制。干燥技术研究与控制技术研究若结合得不够好,就不能使控制对发挥干燥机最高效能,对提高干燥质量的作用就不能够体现出来。【8】2.3. 多变量和参数关联耦合的问题目前,干燥过程控制的研究基本上停留在以一维数学模型为基础的控制上,只控制某一个特定的参数,控制效果不理想,无法完成多目标的智能控制。在粮食干燥中,当某一干燥段中热风的温度和湿度一旦变化,不仅对该干燥段粮食的温度和含水率产生直接的影响,还会间接影响到下一段乃至干燥机出口粮食的温度和含水率;若排粮电机转速放慢或者加快,不仅干燥机出口的粮食水分会变化,每一干燥段内粮食温度和水分都会发生相应的改变。干燥过程的复杂性决定了控制量和被控制量不只一个,期间存在错综复杂的影响关系,各被控制量的也会存在相互制约的因素,难以寻求最优的控制方案。2.4 控制策略集中单一 虽然数十年来一直探究如何将先进控制应用于干燥工艺中,但是关于粮食干燥先进控制系统的设计研究甚少,而且偏重于对某一种方法的应用。国内的研究较多的是利用神经网络建立干燥机的数学模型,用模糊思想对干燥机的性能进行综合评价和对干燥机的设计进行优化。各种控制策略其各有优缺点，如模糊控制是建立在熟练操作者经验的基础上。自适应控制虽然能在一定程度上解决不确定问题,但算法复杂、计算量大,且对过程未建模动态和扰动的适应能力差。大部分现有的非线性模型预测控制方法只能用于较慢的过程控制,对于实时性要求较高的干燥过程控制不利。单一应用某种控制策略必然不能最好地发挥过程控制的优势。2.5 检测多于控制国产粮食干燥机自动控制应用不多,有些装有风温显示和超温报警以及排粮速度显示装置,但不能自动控制。水分检测仪只是对粮食水分的单纯测量和显示,没有形成与设备配套的实时控制系统。在线水分测试传感器测试精度低和稳定性差,没有成熟到进行真正可靠检测的阶段,影响了控制精度。【8】3 发展方向3.1 智能化、信息化是必然随着粮食产业的规模化，产业链化，天然干燥肯定不能满足产业需求，传统人工干燥也不能很好的适应实际问题，并且计算机信息技术的飞速发展，为粮食干燥自动化、信息化提供了良好的可行的平台。信息化有助于干燥模型的完善，建立起更加准确、及时的系统模型。这个趋势有利于提高粮食干燥的效率、保证粮食干燥后的品质。3.2 多种控制方法结合渗透多种控制方法结合渗透，有利于各个控制策略取长补短，相互平衡，形成更加贴近实际需要的控制。比如研究表明,用神经网络代替模糊数学的推理方法,将使专家系统的在线控制能力大大提高。适应模糊控制、模糊预测控制、模糊神经网络控制、专家模糊控制等复合控制正在兴起,将会有更大的发展和广泛的应用。3.3 深入研究控制策略 突破传统线性和非线性确定思维，在模型预测控制的三大机理预测模型、反馈校正方法、求解优化的策略上下功夫。站在新的角度，计算机、生物智能等方面去重新认识干燥控制策略。提高干燥品质自动控制系统的可靠性,建立具有自适应能力的控制算法3.4 开发数字模拟技术数字模拟技术有很多的好处，不需要消耗实物，可以便捷的控制各种条件、参数等。现状很多的工业技术都用到了数字模拟技术，比如三维造型技术。加快开发出更加系统的准确的数字模拟软件，将对粮食干燥过程控制的应用起到巨大的推动作用。3.5 提高测量的精度要实现对实时过程的控制，必须要有准确而实时的数据，那么，数据的测量技术和量具就非常重要。现有的测量方法以及传感器的精度不能满足控制系统的发展要求，需要尽快改进测量技术和提高传感器的精度，为系统提供准确而及时的数据。3.6 利用清洁能源作为干燥燃料节能减排是现在的大趋势，粮食干燥也应该节约能源，尽量利用可再生能源、清洁能源作为动力。而粮食作物的秸秆经常被焚烧，是一种能源浪费，并且造成了空气污染。所以，最好将作物的秸秆作为粮食烘干的燃料，这样既能节能减排，又能同时解决秸秆利用和粮食烘干两个问题，一举两得，具有很好的经济性，便于推广。4 结论目前我国对粮食干燥过程控制理论和实践与国外相比,还有很大差距,缺乏系统全面的研究。随着农业工业的发展，粮食干燥机的需求必将越来越大，过程控制系统制约了粮食干燥机产业的发展，是一个亟待解决的课题。为了减少粮食损失,提高干燥效率,控制干燥成品品质，减轻操作人员的劳动强度,必须实现粮食干燥机全面系统的自动控制。我们必须看到别人的优点，承认自己的不足，取长补短，潜心研究，让我国的干燥机控制系统更上一层楼。【参考文献】【1】李国昉，毛志怀，齐玉斌.粮食干燥过程控制.中国粮油学报.2006年4月，第21卷第2期【2】 韩 峰，吴文福，朱 航.粮食干燥过程控制现状及发展趋势.中国粮油学报，2009年5月，第24卷第5期【3】 李俊明,王登峰,殷涌光,等.玉米干燥过程的模糊控制J.农机与食品机械,1996,244(4):10-12【4】 曹崇文.农产品干燥机理、工艺与技术M.北京:中国农业大学出社,1998【5】 张吉礼,陆亚俊,刘辉,等.谷物干燥过程参数在线检测与智能预测控制J.农业机械学报, 2003,34(2):50-53【6】 Xueqiang Liu, Xiaoguang Chen,Wenfu Wu. Process controlbased on principal component analysis for m