基于稻谷干燥过程评价模型的稻谷干燥过程智能控制技术研究

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谷物干燥是谷物产后处理的关键环节,水稻收获时含水率较高,亟需及时充分干燥以防止其霉烂变质。目前,采用谷物烘干机对稻谷进行热风干燥是解决水稻快速干燥问题的主要方式。然而,由于干燥品质动态预测和干燥过程参数优化环节的缺失,当前谷物干燥机大多采用恒温干燥模式,对稻谷干燥过程不进行优化调控,稻谷烘后品质不佳,影响稻谷生产产业经济效益。因而,研发稻谷干燥过程智能控制策略和系统对促进稻谷增产增收、提高农民收入、改善稻米质量,促进农业规模化经营的发展具有重要意义。稻谷整精米率是稻谷烘后定等量价的关键品质参数。为提高稻谷烘后整精米率,本文开展了基于稻谷干燥过程评价模型的稻谷干燥过程智能控制技术研究。主要研究内容与结果如下:(1)稻谷整精米率预测评价模型研究稻谷整精米率预测评价模型是实现以整精米率为评价指标的稻谷干燥过程智能控制的基础。为探索建立稻谷整精米率评价模型的可行性,本文对品种南粳9108的水稻样品进行了恒温连续干燥中插入间歇干燥的稻谷间歇干燥实验,研究了干燥和缓苏交替进行的间歇干燥的干燥参数对稻谷整精米率的影响规律。通过对实验结果进行分析,建立了包含部分间歇干燥参数及其交互项的稻谷整精米率预测模型,模型R~2为0.92,可准确预测不同间歇干燥参数条件下的稻谷整精米率。为将实验模型应用于对包含多个干燥缓苏周期的实际间歇干燥过程,以间歇干燥特征为依据对稻谷整精米率预测模型进行了修正,建立了稻谷整精米率预测评价模型,并对南粳9108稻谷样品分别进行了恒温间歇干燥和变温间歇干燥实验以验证模型的有效性。实验结果表明,稻谷整精米率预测评价值之和与稻谷烘后实测整精米率的大小关系具有良好的一致性,证明了采用稻谷整精米率预测评价模型对稻谷整精米率进行预测评价的可行性。(2)稻谷干燥过程模型预测控制策略设计为提高稻谷烘后整精米率,以建立的稻谷整精米率预测评价模型为基础,构建了稻谷干燥过程模型预测控制策略优化目标函数,并设计了模型预测控制策略滚动优化流程。以策略最大预测时域及稻谷干燥进程为依据,设计了三种分段择优的稻谷干燥过程模型预测控制策略,其可在干燥过程中对干燥温度、缓苏温度和干燥降水幅度进行在线滚动优化。以模拟对比分析的方法对提出的三种稻谷干燥过程模型预测控制策略进行了优选,优选的策略的最大预测时域为未来三步预测。开展了策略验证试验,将采用优选的稻谷干燥过程模型预测控制策略下的稻谷整精米率与50℃、55℃、60℃恒温干燥模式下的稻谷整精米率进行了对比分析。实验结果表明,设计的稻谷干燥过程模型预测控制策略可通过对稻谷干燥过程参数进行滚动优化以提高稻谷整精米率。针对不同的干燥条件及干燥目标,设计的控制策略可通过调整其约束部分对间歇干燥参数范围和间歇干燥参数之间关系进行约束,从而对稻谷间歇干燥参数进行合理优化,以适应不同的干燥条件,达到指定的干燥目标。(3)谷物烘干机拨料轮调控参数优化策略设计为了在15吨级横流批式循环谷物烘干机上对设计的稻谷干燥过程模型预测控制策略进行有效应用,本文分析了谷物烘干机稻谷干燥过程参数调控原理,解析了稻谷干燥过程模型预测控制策略干燥降水幅度值与谷物烘干机拨料轮变频调控值之间的转化关系,指出了深床干燥模型是稻谷干燥过程拨料轮调控参数优化的重要依据,开展了谷物烘干机拨料轮调控参数优化策略设计。在策略设计过程中,对谷物烘干机干燥区间稻谷深床床层进行了薄层划分,设计了将干燥降水幅度转化为稻谷深床干燥时间的干燥时间优化流程、将稻谷深床干燥时间转化为变频器调控参数的变频调控值转化流程及依据含水率误差对策略参数进行反馈校正的策略反馈流程。在江苏省镇江市润果实业发展有限公司进行了谷物烘干机稻谷干燥实验,以稻谷干燥实验数据对策略反馈参数进行优化,最终确定策略反馈校正参数初始值为0.3409。(4)稻谷干燥过程智能控制系统研发及试验稻谷干燥过程智能控制系统是稻谷干燥过程模型预测控制策略在谷物烘干机稻谷烘干作业上应用实现的基础。本文以国内常用15吨级横流批式循环谷物烘干机为研究对象,通过分析稻谷干燥过程参数在线优化的测控需求,设计了稻谷干燥过程智能控制系统软硬件。稻谷干燥过程智能控制系统硬件主要由上位机和监控系统组成,其中上位机负责稻谷干燥过程参数的在线优化计算,监控系统负责干燥过程信息采集及执行机构动作调控。稻谷干燥过程智能控制系统软件主要包括电气系统程序及上位机程序两部分,软件开发采用模块化开发方案,功能主要包括干燥过程信息监测、干燥过程参数优化及执行机构调控。在江苏省镇江市润果实业发展有限公司开展了稻谷干燥过程智能控制系统测试试验,对设计的稻谷干燥过程智能控制系统在国内常用15吨级横流批式循环谷物烘干机上的应用效果进行测试。试验结果证明,在稻谷干燥过程智能控制系统优化调控下的稻谷整精米率优于恒温干燥模式下的稻谷整精米率,稻谷烘后平均整精米率提高0.18%。
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