谷物干燥過(guò)程控制策略研究進(jìn)展

摘要：糧食生產(chǎn)的耕、種、收環(huán)節(jié)已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，但糧食收獲后烘干處理環(huán)節(jié)薄弱。谷物烘干是一個(gè)復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，為了充分保證谷物烘干后的品質(zhì)，需要對(duì)谷物干燥作業(yè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，即對(duì)干燥過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制以獲得良好的烘干質(zhì)量與烘干效率。在國(guó)內(nèi)外已有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)谷物干燥設(shè)備尤其是對(duì)熱風(fēng)對(duì)流式谷物烘干機(jī)分類進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述，從傳統(tǒng)控制策略與智能控制策略兩個(gè)方面對(duì)谷物干燥過(guò)程控制策略研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析，并對(duì)相關(guān)亟須解決的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展的方向進(jìn)行了展望，以期為谷物烘干過(guò)程控制優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：谷物；谷物干燥設(shè)備；干燥過(guò)程；控制策略；研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：S226.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20240421

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（ZR2021QF072）；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（軟科學(xué)）一般項(xiàng)目（2023RKY06011）；山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程（CXGC2023A34）。

Research progress on control strategies for grain drying process

Liang Zhichao， Wang Shuai， Xu Hao， Song Hualu

（ Shandong Academy of Agricultural Sciences， Jinan， Shandong 250100 ）

Abstract： The cultivation， planting， and harvesting of grain production have been basically mechanized， but the post-harvest drying and processing of grain is weak. Grain drying is a complex heat and mass transfer process， in order to fully ensure the quality of grain drying， grain drying operation parameters need to be regulated， i.e.， the drying process was optimally controlled to obtain high drying quality and drying efficiency. On the basis of existing literature at home and abroad， this paper first gave a brief description of grain drying equipment， especially the classification of hot air convection grain dryers， and summarized and analyzed the current research status of grain drying process control strategy from two aspects， namely， traditional control strategy and intelligent control strategy， and the related urgent problems and future development directions were outlooked to provide reference for the optimization of grain drying process control.

Key words： grain； grain drying equipment； drying process； control strategy； research progress

2023年，全國(guó)糧食產(chǎn)量為69 541萬(wàn)t[1]，糧食生產(chǎn)的耕、種、收環(huán)節(jié)已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，但糧食收獲后烘干處理環(huán)節(jié)仍為機(jī)械化短板。據(jù)有關(guān)學(xué)者統(tǒng)計(jì)，在糧食收獲后的儲(chǔ)存、運(yùn)輸以及加工等環(huán)節(jié)，因?yàn)樘鞖獬睗?、晾曬不及時(shí)以及未按照安全水分進(jìn)行存儲(chǔ)等原因造成的糧食損失，約占到我國(guó)年度糧食總產(chǎn)量的5%[2]。谷物烘干是一個(gè)復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中谷物與干燥介質(zhì)之間存在著水分和能量的交換。谷物烘干不僅僅是降低谷物含水率，其對(duì)谷物品質(zhì)的影響還集中在裂紋率、爆腰率、破碎率和色澤等指標(biāo)上[3-4]，為了充分保證谷物烘干后的品質(zhì)，需要對(duì)谷物干燥作業(yè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，即對(duì)干燥過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制以獲得良好的烘干質(zhì)量與烘干效率[5]。

2023年《農(nóng)業(yè)農(nóng)村部關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品初加工機(jī)械化高質(zhì)量發(fā)展的意見(jiàn)》提出“補(bǔ)齊設(shè)施裝備短板，優(yōu)化烘干技術(shù)裝備配置”“提升糧食烘干品質(zhì)、作業(yè)量在線監(jiān)測(cè)能力，推進(jìn)糧食烘干綠色化、信息化”[6]。同年，《關(guān)于加快糧食產(chǎn)地烘干能力建設(shè)的意見(jiàn)》明確要求“加快信息化技術(shù)與烘干儲(chǔ)糧設(shè)施裝備相融合，提高烘干設(shè)施裝備智能化水平”[7]。2024年中央一號(hào)文件也提出“大力實(shí)施農(nóng)機(jī)裝備補(bǔ)短板行動(dòng)”“推進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品加工設(shè)施改造提升”[8]。當(dāng)前我國(guó)谷物烘干機(jī)械具有廣闊的發(fā)展空間，但現(xiàn)有產(chǎn)品普遍存在降水速率低、谷物破損率高、高能耗以及自動(dòng)化水平低等關(guān)鍵問(wèn)題[9]。因此，分析谷物干燥過(guò)程控制策略研究應(yīng)用現(xiàn)狀，提高谷物烘干裝備信息化和智能化水平，補(bǔ)齊糧食生產(chǎn)“全程機(jī)械化”短板（收獲后烘干）具有重要意義，可以為鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施和推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供強(qiáng)力支撐。

1 谷物干燥設(shè)備分類

按照谷物加熱干燥方式的不同對(duì)谷物干燥設(shè)備進(jìn)行分類，其主要包含對(duì)流式、傳導(dǎo)式、輻射式、介電式與聯(lián)合式等類型。

1.1 對(duì)流式

對(duì)流式是指高水分谷物與加熱后的干燥介質(zhì)直接接觸，干燥介質(zhì)的熱量以對(duì)流傳熱方式向谷物傳遞，谷物內(nèi)部水分受熱后汽化生成水蒸氣，并隨干燥介質(zhì)排出。熱風(fēng)對(duì)流式谷物烘干機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便利、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)谷物干燥設(shè)備行業(yè)主力機(jī)型[10-11]，熱源涵蓋燃煤、天然氣、生物質(zhì)、電能與熱泵等，因環(huán)保要求，燃煤型熱源已逐步淘汰與替換升級(jí)。

1.2 傳導(dǎo)式

傳導(dǎo)式是指熱源通過(guò)金屬間壁向谷物傳導(dǎo)熱量，水分受熱生成的水分蒸汽去除方式主要包含催掃氣體通入、減壓抽吸與冷凝器去除等。該類型設(shè)備在干燥過(guò)程中沒(méi)有借助干燥介質(zhì)進(jìn)行對(duì)流傳熱，傳熱效率與潔凈度較高，但該類型設(shè)備的干燥能力常常受限于金屬壁傳熱面積與結(jié)構(gòu)復(fù)雜度[12]17。

1.3 紅外輻射式

紅外輻射式主要指高水分谷物吸收紅外輻射器發(fā)射出電磁波并將其轉(zhuǎn)化為熱量，從而實(shí)現(xiàn)谷物干燥[13]。輻射是指以電磁波的方式傳遞能量，波長(zhǎng)0.1～100 μm的電磁波譜具有較顯著的熱效應(yīng)，這樣的電磁波被稱為熱射線，其傳播過(guò)程也被稱為熱輻射，是由固體中的分子振動(dòng)或晶格振動(dòng)或固體中束縛電子的遷移而產(chǎn)生[12]541。

1.4 介電式

介電式干燥即在高頻率的電磁場(chǎng)作用下，谷物吸收的電磁能量再轉(zhuǎn)化為熱量用于內(nèi)部水分蒸發(fā)，與對(duì)流、傳導(dǎo)、紅外輻射等方式不同，蒸發(fā)水分所需的熱量不需要通過(guò)物料的外表面向內(nèi)部傳遞[14]。一般地，用于加熱和干燥的電磁波頻率分為兩個(gè)范圍，即1～100 MHz（高頻，RF）和300 MHz～300 GHz（微波，MV）。在這里，實(shí)際上將理論意義上的“高頻”（HF，3～30 MHz）和“超高頻”（VHF，30～300 MHz）合稱為高頻（RF）[12]505。

1.5 聯(lián)合式

聯(lián)合式主要是指采取對(duì)流、傳導(dǎo)、紅外輻射與介電等干燥方式中的2種或2種以上進(jìn)行谷物干燥的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、保質(zhì)與高效的干燥效果。其中對(duì)流結(jié)合紅外輻射和對(duì)流結(jié)合介電的設(shè)備占比較多[15]。

2 熱風(fēng)對(duì)流式谷物烘干機(jī)分類

2.1 按照作業(yè)方式分類

熱風(fēng)對(duì)流式谷物烘干機(jī)按照作業(yè)方式分類主要有循環(huán)式谷物烘干機(jī)與連續(xù)式谷物烘干機(jī)。

2.1.1 循環(huán)式

循環(huán)式谷物烘干機(jī)也被稱作批式谷物烘干機(jī)，一般需要多個(gè)烘干作業(yè)流程才能將谷物烘干至目標(biāo)水分，沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)水分的谷物從烘干機(jī)干燥段出料口排出后，經(jīng)由提升裝置再次進(jìn)入烘干機(jī)緩蘇后進(jìn)行再次烘干，達(dá)到目標(biāo)水分的谷物被烘干機(jī)排出，才可以進(jìn)行下一批次谷物的烘干作業(yè)。谷物在烘干機(jī)內(nèi)循環(huán)進(jìn)行烘干和緩蘇，單次循環(huán)谷物水分降低值較低，且循環(huán)式谷物烘干機(jī)單機(jī)處理量相對(duì)較小，通常可配置多臺(tái)機(jī)器作為干燥機(jī)組使用。另外，多數(shù)移動(dòng)式谷物烘干機(jī)采用循環(huán)式作業(yè)方式[16]。

2.1.2 連續(xù)式

連續(xù)式谷物烘干機(jī)的烘干作業(yè)過(guò)程是連續(xù)不斷的，高水分谷物由進(jìn)料口進(jìn)入烘干機(jī)，在烘干機(jī)內(nèi)順序通過(guò)對(duì)流干燥段與緩蘇段后，水分降低的谷物通過(guò)排糧機(jī)構(gòu)被烘干機(jī)排出，谷物在烘干機(jī)內(nèi)只經(jīng)歷一次烘干作業(yè)，不存在內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)的干燥過(guò)程，烘干機(jī)出口的谷物含水率便是最終含水率。連續(xù)式谷物烘干機(jī)單機(jī)處理量相對(duì)較大，熱空氣溫度也較高。

2.2 按照谷物與熱空氣流動(dòng)方向分類

按照谷物與熱空氣流動(dòng)方向進(jìn)行分類，谷物烘干機(jī)可以分為順流式、逆流式、橫流式和混流式4種，如圖1所示。順流式烘干機(jī)和逆流式谷物烘干機(jī)中谷物溫度和水分只在谷物流動(dòng)方向上發(fā)生變化，被稱作一維干燥；橫流式谷物烘干機(jī)中谷物溫度和水分可以在谷物流動(dòng)方向和熱空氣流動(dòng)方向上發(fā)生改變，被稱作二維干燥；混流式谷物烘干機(jī)則是將橫流、順流、逆流相互結(jié)合的一種干燥方式[17]。

2.2.1 順流式

在順流式谷物烘干機(jī)中，谷物和熱空氣的流向相同，干燥均勻度較好，水分梯度??；高溫?zé)峥諝馐紫扰c水分最高、溫度最低的谷物相遇，熱交換急劇，干燥速度快，適合于干燥高水分谷物。隨著谷物與熱空氣在烘干機(jī)內(nèi)下行，谷物水分逐漸減少，谷物溫度逐漸升高，熱空氣溫度逐漸降低，干燥速率變緩[18]。

2.2.2 逆流式

在逆流式谷物烘干機(jī)中，谷物和熱空氣的流動(dòng)方向相反，高水分低溫谷物自上而下流動(dòng)，與低溫高濕空氣接觸，高溫?zé)峥諝庾韵露狭鲃?dòng)，與低水分高溫谷物接觸，谷物的溫度與熱空氣溫度相近，因此熱空氣溫度值不宜設(shè)置過(guò)高。同時(shí)，高水分低溫谷物與低溫高濕空氣接觸，容易發(fā)生飽和，降低干燥效果。逆流式烘干機(jī)具有熱效率較高，谷物水分和溫度均勻度較好等優(yōu)點(diǎn)，且排氣的潛熱可以充分利用，但單獨(dú)使用純逆流烘干機(jī)的較少，一般結(jié)合順流式進(jìn)行組合干燥來(lái)提高干燥性能[19]。

2.2.3 橫流式

在橫流式谷物烘干機(jī)中，谷物和熱空氣的流向垂直，高水分谷物從儲(chǔ)糧段下流至干燥段，高溫?zé)峥諝獯怪睓M向穿過(guò)梁柱，具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用。但其進(jìn)風(fēng)側(cè)谷物水分下降速率快，出風(fēng)側(cè)谷物水分下降速率慢，存在干燥不均勻、單位能耗高、熱能未充分利用等缺點(diǎn)，多采用加裝谷物換流器、差速排糧、熱空氣換向等方式提升橫流式烘干機(jī)性能[20]。

2.2.4 混流式

混流式谷物烘干機(jī)干燥段中存在著交替排列的進(jìn)氣角狀盒和排氣角狀盒，谷物顆粒向下流動(dòng)的軌跡為S形，谷物顆粒在流動(dòng)過(guò)程中與高溫和低溫氣流交替接觸，因而熱空氣溫度設(shè)定值可以高于橫流式烘干機(jī)。由于熱空氣溫度的提高，干燥過(guò)程中單位水分蒸發(fā)量所消耗的熱空氣量也隨之降低，因此，可以降低風(fēng)機(jī)功率要求。在混流式谷物烘干機(jī)中，谷物與高低溫氣流將進(jìn)行交替接觸，因此裂紋率與熱損傷率較低，即烘干后品質(zhì)有所提升，同樣適用于谷物種子烘干作業(yè)。從谷物和熱空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)看，混流干燥過(guò)程相當(dāng)于順流逆流橫流的交替作用[21]。

3 谷物干燥過(guò)程策略研究現(xiàn)狀

無(wú)論是何種形式的熱風(fēng)對(duì)流式谷物烘干機(jī)，保證烘干品質(zhì)、提高烘干效率與降低能耗均是需要關(guān)注的焦點(diǎn)。自熱風(fēng)烘干機(jī)問(wèn)世以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者與生產(chǎn)廠家針對(duì)谷物烘干機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升與干燥過(guò)程策略優(yōu)化進(jìn)行了大量研究。谷物烘干機(jī)是典型的大滯后、非線性多輸入輸出系統(tǒng)[22]，內(nèi)部存在著谷物流動(dòng)、干燥介質(zhì)流動(dòng)、谷物與干燥介質(zhì)的熱質(zhì)傳遞等過(guò)程，并且還與外界環(huán)境存在著熱量交換現(xiàn)象（熱損失）[23]。

谷物干燥過(guò)程變量可以分為控制變量、輸出變量和擾動(dòng)變量，示意圖如圖2所示。

谷物干燥過(guò)程變量具體指標(biāo)如表1所示[24]。

在20世紀(jì)30—40年代，奈奎斯特、伯德、維納等人為自動(dòng)控制理論的初步形成奠定了基礎(chǔ)，這種建立在頻率法和根軌跡法基礎(chǔ)上的理論，通常被稱為經(jīng)典控制理論，其主要以拉氏變換為數(shù)學(xué)工具，以單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng)為主要的研究對(duì)象[25]。20世紀(jì)60年代前后，現(xiàn)代控制理論得到了迅速發(fā)展，其依靠的數(shù)學(xué)工具主要包括線性代數(shù)和微分方程，并以狀態(tài)空間法作為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、最優(yōu)控制、隨機(jī)控制和適應(yīng)控制等都屬于現(xiàn)代控制理論的范疇。經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論通常被稱作傳統(tǒng)控制理論[26]。從20世紀(jì)60年代起，得益于空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能技術(shù)的發(fā)展，控制界學(xué)者開(kāi)始將人工智能技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)，以便于提高控制系統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)能力，智能控制理論逐漸得到迅速發(fā)展。美國(guó)IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會(huì)對(duì)智能控制的定義為：智能控制必須具有模擬人類學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力。現(xiàn)如今，智能控制技術(shù)在工程化與實(shí)用化方面已得到了非常廣泛的應(yīng)用，主要包含模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和其他學(xué)習(xí)控制等，并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，智能控制必將迎來(lái)它的發(fā)展新時(shí)期[27]。

3.1 傳統(tǒng)控制策略

自20世紀(jì)60年代開(kāi)始，國(guó)外研究人員在谷物干燥過(guò)程自動(dòng)化控制方面開(kāi)展了一系列研究，主要采用的控制方法集中在前饋控制、反饋控制、前饋-反饋控制等傳統(tǒng)控制方法，雖然取得了一定的控制效果，但仍存在較大的局限性[28-29]。Forbes等利用計(jì)算機(jī)仿真將前饋控制、反饋控制、PID控制和模型控制4種控制策略應(yīng)用于玉米干燥過(guò)程控制，但由于時(shí)間滯后性過(guò)大等原因，前饋控制、反饋控制和PID控制均沒(méi)有得到理想要求[30]。Whitfield[31]利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)針對(duì)其設(shè)計(jì)的順流式谷物烘干機(jī)PI控制器進(jìn)行了仿真分析，雖然仿真結(jié)果表明其設(shè)計(jì)的PI控制器能夠取得較好的控制效果，但由于谷物烘干系統(tǒng)的非線性特性，當(dāng)入機(jī)谷物水分發(fā)生較大的變化時(shí)需要隨時(shí)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，難以獲得穩(wěn)定良好的控制效果。 McFarlane等[32]在Whitfield研究的基礎(chǔ)上，對(duì)原有的PI控制器進(jìn)行了優(yōu)化，即增加了一個(gè)一階滯后的反饋前饋環(huán)節(jié)，提高了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但將控制器應(yīng)用于不同類型的谷物烘干時(shí)，仍然需要參考大量相應(yīng)的操作經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)試。PID控制器雖然早已成為工業(yè)控制中應(yīng)用最為廣泛的控制器之一，但該類型的控制器應(yīng)用于谷物烘干系統(tǒng)這樣的大滯后、非線性系統(tǒng)中，局限性較為明顯，難以獲得較為理想的控制效果。

3.1.1 模型預(yù)測(cè)控制

模型預(yù)測(cè)控制（model predictive control，MPC）在20世紀(jì)70年代開(kāi)始逐漸應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，其結(jié)合了預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化算法和反饋校正算法，對(duì)模型的精確性要求降低，因此能夠有效地用于復(fù)雜對(duì)象的控制，解決工業(yè)過(guò)程控制中存在的多變量耦合、非線性以及不確定性等問(wèn)題[33]。MPC控制器的特性適用于解決谷物烘干機(jī)控制過(guò)程中的大滯后和多變量耦合問(wèn)題，曾被認(rèn)為是谷物烘干機(jī)的最佳控制方式，并得到了廣泛應(yīng)用[22]。美國(guó)學(xué)者Liu等[34-36]發(fā)表了系列文章，涉及基于傳熱傳質(zhì)機(jī)理的干燥過(guò)程模型、MPC控制器設(shè)計(jì)及其在橫流式谷物烘干機(jī)中的應(yīng)用，結(jié)果顯示，該MPC控制器具有良好的精度、穩(wěn)定性和魯棒性，在玉米進(jìn)口水分含量為21%～32%以及干燥空氣溫度為85 ℃～120 ℃的條件下，干燥后玉米的水分實(shí)際值可以控制在設(shè)定值的±0.7%以內(nèi)。趙波[37]利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)結(jié)合濕熱平衡模型對(duì)深床干燥過(guò)程進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，對(duì)連續(xù)橫流干燥條件下的玉米干燥層厚度進(jìn)行了優(yōu)選，并建立了相應(yīng)的玉米連續(xù)式橫流干燥模型，進(jìn)而設(shè)計(jì)了連續(xù)橫流式玉米烘干機(jī)模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)并開(kāi)展了干燥試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，出口玉米的水分波動(dòng)性較小，水分實(shí)際值與設(shè)定值偏差均在±1%之內(nèi)，可以較好地保證干燥后的玉米品質(zhì)。宋琦[38]為提高稻谷烘干后品質(zhì)，以其建立的稻谷整精米率預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建了稻谷干燥過(guò)程模型預(yù)測(cè)控制策略優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)與滾動(dòng)優(yōu)化流程，并將其應(yīng)用于橫流式循環(huán)谷物烘干機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)智能控制系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控后的烘干后稻谷整精米率提高了0.18%。

3.1.2 自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制（adaptive control）也稱為適應(yīng)控制，是一種對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化具有適應(yīng)能力的控制方法，其可以通過(guò)修正自身特性以適應(yīng)控制對(duì)象和外部擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性變化，因此，在長(zhǎng)時(shí)滯與多變量耦合的谷物干燥過(guò)程控制上得到了廣泛應(yīng)用[39]。Nybrant[40]開(kāi)發(fā)了一種橫流式烘干機(jī)自適應(yīng)控制模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)控制器，并在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了烘干機(jī)自適應(yīng)控制器性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該控制器可以在谷物和干燥特性發(fā)生變化的情況下進(jìn)行自行調(diào)整以保持良好的控制效果，可以實(shí)現(xiàn)干燥段底部出風(fēng)口溫度的精確調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)出口谷物含水率的精確控制。李長(zhǎng)友等[41]以谷物深層干燥解析理論為基礎(chǔ)，結(jié)合谷物水分在線測(cè)量技術(shù)，設(shè)計(jì)了連續(xù)式谷物烘干機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其可以根據(jù)烘干機(jī)進(jìn)料口谷物水分的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)烘干機(jī)工作狀態(tài)，提高干燥效率與品質(zhì)，實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用表明該自適應(yīng)控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作在10%～35%（濕基）谷物水分范圍以及-30 ℃～40 ℃溫度范圍，烘干機(jī)谷物出機(jī)水分誤差可保持在±0.5%（濕基）以內(nèi)。趙勇等[42]設(shè)計(jì)了一種連續(xù)式谷物烘干機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其將出口谷物水分作為系統(tǒng)唯一被控變量，將熱風(fēng)溫度與排糧電機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制變量，將進(jìn)口谷物溫度、熱風(fēng)風(fēng)量、冷卻風(fēng)風(fēng)量以及環(huán)境溫度等作為可測(cè)干擾變量，仿真分析結(jié)果表明該連續(xù)式谷物烘干機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)對(duì)于階躍擾動(dòng)與參數(shù)時(shí)變都具有較好的抑制作用，展示了其較好的魯棒性與穩(wěn)定性，在小系統(tǒng)可測(cè)干擾與小時(shí)滯差異等條件下，即使沒(méi)有前饋補(bǔ)償與時(shí)滯跟蹤，也可以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。有學(xué)者認(rèn)為，把人類具有的直覺(jué)推理和試湊法等智能加以形式化或機(jī)器模擬，并用于控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)中，使之在一定程度上實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化，這就是智能控制，同時(shí)，他認(rèn)為自適應(yīng)控制就是智能控制的低級(jí)體現(xiàn)[43]。

3.2 智能控制策略

智能控制是以控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能等學(xué)科為基礎(chǔ)，將相關(guān)控制技術(shù)與方法進(jìn)行融合或綜合交叉，構(gòu)建具有特定功能的智能控制系統(tǒng)或智能控制器。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和人工智能學(xué)科的發(fā)展，智能控制的學(xué)習(xí)及推理能力逐漸增強(qiáng)，在谷物干燥過(guò)程控制方面優(yōu)勢(shì)更加明顯，谷物干燥過(guò)程控制進(jìn)入了智能控制階段[44-45]，其中應(yīng)用較多的有模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)及其他學(xué)習(xí)控制等。

3.2.1 模糊控制

模糊控制（fuzzy control）的全稱為模糊邏輯控制（fuzzy logic control），是一種基于模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理的控制方法[46]。它的特點(diǎn)是依賴于操作經(jīng)驗(yàn)和表述知識(shí)轉(zhuǎn)換得到的“模糊規(guī)則”，提供了一種可以將自然語(yǔ)言表述的知識(shí)和規(guī)則轉(zhuǎn)換成自動(dòng)控制策略的途徑，通過(guò)模擬人的智能實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制，不需要依賴傳統(tǒng)控制中系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。Zhang等[47]設(shè)計(jì)了一種谷物烘干機(jī)模糊控制系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了連續(xù)式橫流谷物烘干機(jī)控制系統(tǒng)性能測(cè)試，結(jié)果表明采用模糊控制的出機(jī)口玉米水分與人工控制模式相近，同時(shí)還降低了玉米干燥后的破碎率。李業(yè)德等[48]針對(duì)連續(xù)式順流谷物烘干機(jī)設(shè)計(jì)了一種以89C51單片機(jī)為核心的智能模糊控制器，其將谷物烘干機(jī)排糧電機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制變量以實(shí)現(xiàn)谷物出機(jī)水分的控制，小麥烘干試驗(yàn)表明，入糧水分范圍為22%～24%且出糧水分設(shè)定值為18%的條件下，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.5%。趙波等[49]利用虛擬儀器技術(shù)與模糊控制算法建立了二維結(jié)構(gòu)模糊控制系統(tǒng)，以熱風(fēng)溫度與排糧速度作為控制變量對(duì)干燥過(guò)程進(jìn)行控制，以水稻作為試驗(yàn)物料對(duì)模糊控制系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明在-20 ℃～60 ℃溫度范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，穩(wěn)定性好，超調(diào)量小。王炫權(quán)[50]面向連續(xù)式玉米烘干機(jī)，提出了一種結(jié)合積溫預(yù)測(cè)模型與出機(jī)含水率預(yù)測(cè)模型的控制方案，采用模糊控制器與模糊PID控制器自動(dòng)分時(shí)控制策略研發(fā)了智能測(cè)控系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)測(cè)控系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明干燥后玉米水分誤差穩(wěn)定在允許范圍之內(nèi)。

3.2.2 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)（expert system）是一種模擬人類專家解決領(lǐng)域問(wèn)題的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn)，可以模擬人類專家的決策過(guò)程進(jìn)行推理和判斷，以便解決那些需要人類專家處理的復(fù)雜問(wèn)題[51]。Zhang等[52]開(kāi)發(fā)了一個(gè)模糊專家系統(tǒng)的原型為干燥過(guò)程控制提供建議。專家系統(tǒng)給出的控制決策是基于預(yù)測(cè)的破碎程度、干燥條件和玉米干燥專家的建議，并用兩種典型的干燥工藝對(duì)專家系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，研究結(jié)果表明玉米破碎程度預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合，且系統(tǒng)給出的控制建議與干燥領(lǐng)域?qū)＜乙恢隆⒚魃降萚53]以多塔式玉米干燥系統(tǒng)為研究對(duì)象，研制了一種玉米干燥模糊控制專家系統(tǒng)，該模糊控制專家系統(tǒng)輸入量為出糧含水率、原糧含水率、排糧電機(jī)轉(zhuǎn)速、各干燥倉(cāng)料位、干燥倉(cāng)溫度與環(huán)境溫度，輸出量為排糧電機(jī)的調(diào)整量，計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致。韓峰[54]結(jié)合虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW、測(cè)控儀表與傳感器等研發(fā)了一種橫流組合式谷物烘干機(jī)智能測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了基于品質(zhì)控制的玉米變溫干燥專家系統(tǒng)，并在生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)行了應(yīng)用與試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明智能測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)控制模式下的烘干機(jī)出口含水率波動(dòng)較手動(dòng)控制模式有較大提高。

3.2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificial neural network，ANN）是一種非線性、自適應(yīng)信息處理系統(tǒng)，由大量信息處理單元互聯(lián)組成，其信息處理和記憶方式抽象于人類腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。ANN具有強(qiáng)大的逼近非線性函數(shù)的能力，適合于具有不確定性或高度非線性的被控對(duì)象，在谷物干燥過(guò)程控制方面得到了廣泛應(yīng)用。遲慶雷[55]以四段式順流干燥機(jī)的玉米干燥過(guò)程作為研究對(duì)象，采集和分析玉米干燥過(guò)程中各階段的狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行離線訓(xùn)練確立了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)，將前3段干燥數(shù)據(jù)作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器輸入變量，對(duì)出機(jī)含水率進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將玉米含水率預(yù)測(cè)值與設(shè)定值的偏差和偏差變化率作為模糊控制器的輸入計(jì)算求得排糧電機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)玉米干燥過(guò)程的控制。劉擁軍等[56]設(shè)計(jì)了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制算法的谷物烘干塔智能控制系統(tǒng)，其利用多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)谷物烘干塔進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過(guò)入機(jī)口谷物水分、谷物溫度、熱風(fēng)溫度等參數(shù)，預(yù)測(cè)得到出料口谷物水分值，將水分預(yù)測(cè)值聯(lián)合其他參數(shù)作為模糊控制器的輸入?yún)?shù)，實(shí)現(xiàn)糧食傳送帶電機(jī)的控制。鐘嘉豪等[57]基于5HNH-15連續(xù)式糧食干燥機(jī)，構(gòu)建了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，將連續(xù)式干燥機(jī)入口糧食含水率、環(huán)境溫濕度、高溫段風(fēng)溫和風(fēng)速、低溫段風(fēng)溫和風(fēng)速以及排糧速度作為輸入，出口糧食含水率作為輸出。利用Matlab軟件進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立及驗(yàn)證，結(jié)果表明模型絕對(duì)誤差小于±0.1，平均絕對(duì)誤差為0.028 8，回歸系數(shù)R=0.999 96，決定系數(shù)R2=0.999 8。

3.2.4 支持向量機(jī)控制

Vapnik于1995年在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上提出了一種人工智能算法——支持向量機(jī)（support vector machines，SVM）[58]。SVM的基本原則是結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化，其利用核函數(shù)將輸入特征映射到高維空間，降低了計(jì)算復(fù)雜度，把非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為高維空間中的線性問(wèn)題，可以有效避免維數(shù)災(zāi)難和局部極值等問(wèn)題，訓(xùn)練過(guò)程簡(jiǎn)便且泛化能力強(qiáng)，適用于進(jìn)行小樣本和非線性問(wèn)題求解。朱德泉等[59]設(shè)計(jì)了一種結(jié)合改進(jìn)遺傳算法和最小二乘算法的干燥過(guò)程模糊支持向量機(jī)控制器以實(shí)現(xiàn)谷物干燥過(guò)程溫度和濕度的精確控制，輸入量為溫度偏差、溫度偏差變化率、濕度偏差與濕度偏差變化率，輸出量為加熱控制量和排濕控制量，利用模糊算法進(jìn)行溫濕度解耦，并采用支持向量機(jī)實(shí)現(xiàn)模糊邏輯控制的非線性處理。仿真結(jié)果表明，與經(jīng)典PID控制器和模糊控制器相比，其設(shè)計(jì)的模糊支持向量機(jī)控制器具有更好的控制性能，適用于谷物干燥過(guò)程控制。代愛(ài)妮[60]設(shè)計(jì)了一種采用機(jī)理與數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)的遺傳優(yōu)化支持向量機(jī)直接逆模型預(yù)測(cè)控制器，并進(jìn)行了小麥混流連續(xù)干燥控制實(shí)驗(yàn)，與人工控制和專家控制系統(tǒng)進(jìn)行了控制效果對(duì)比測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于遺傳優(yōu)化支持向量機(jī)直接逆模型預(yù)測(cè)控制器的控制性能更加優(yōu)良。金驍[61]結(jié)合最小二乘支持向量機(jī)（LS-SVM）與模糊PID設(shè)計(jì)了一種谷物干燥機(jī)智能控制算法，首先利用LS-SVM對(duì)出料口稻谷含水率進(jìn)行預(yù)測(cè)，將含水率預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的偏差與烘干機(jī)的排糧轉(zhuǎn)速分別作為模糊PID自整定控制系統(tǒng)的輸入與輸出變量，針對(duì)循環(huán)式谷物烘干機(jī)進(jìn)行了控制系統(tǒng)軟硬件研發(fā)與性能測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，出料口實(shí)際含水率與設(shè)定值平均偏差低于5%，爆腰增率均值維持在6%以內(nèi)，符合正常生產(chǎn)需求。

4 討論與展望

4.1 控制模型

從國(guó)內(nèi)外研究分析可以看出，傳統(tǒng)控制大多基于谷物干燥過(guò)程機(jī)理的“白箱”模型，即基于熱質(zhì)平衡等物理方程建立的過(guò)程模型，其主要優(yōu)點(diǎn)是模型使用已知的理論基礎(chǔ)和物理規(guī)律，已建立的模型參數(shù)便于調(diào)整，但缺點(diǎn)是難以應(yīng)對(duì)谷物烘干系統(tǒng)的復(fù)雜性，有時(shí)存在難以確定具體方程或方程參數(shù)，從而影響實(shí)際應(yīng)用效果；智能控制大多基于依據(jù)系統(tǒng)的輸入-輸出關(guān)系建立的“黑箱”模型，此種模型不需要明確系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)理，但實(shí)際使用中對(duì)于數(shù)據(jù)的可靠性和精度要求較高。因此，可以將“白箱”模型與“黑箱”模型結(jié)合，建立機(jī)理與數(shù)據(jù)耦合驅(qū)動(dòng)的控制模型，將智能控制的相關(guān)技術(shù)結(jié)合或綜合交叉，設(shè)計(jì)研發(fā)適合于谷物烘干機(jī)的智能控制策略。

4.2 控制目標(biāo)

在谷物干燥過(guò)程控制研究中，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者圍繞水分控制開(kāi)展了谷物干燥過(guò)程控制理論與試驗(yàn)研究，并取得了較多成果，但由于谷物含水率在線實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)等短板的存在，在生產(chǎn)實(shí)踐中尚未得到廣泛應(yīng)用；同時(shí)，考慮能量損耗和谷物烘干后質(zhì)量的優(yōu)化控制算法研究相對(duì)較少，因此，還需要進(jìn)行持續(xù)攻關(guān)，開(kāi)展多策略融合與優(yōu)化研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)谷物烘干后品質(zhì)、烘干效率與烘干能耗的系統(tǒng)最優(yōu)化。

參 考 文 獻(xiàn)

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