CN107577257B - 一种基于等效积温的粮食连续干燥的测控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等效积温粮食连续干燥的测控方法，该方法包括：计算理论等效积温和实时等效积温，并根据实时与理论等效积温的差值绝对值与积温调节精度的关系来调节排粮频率，然后根据粮食进出口水分差值绝对值与水分控制精度的关系来调节排粮频率。本发明将积温原理创新性地应用到谷物干燥过程中，实现水分与品质控制双目标；提供了一种理论积温值的确定方法，更接近实际值，方便快捷。

Description

一种基于等效积温的粮食连续干燥的测控方法

技术领域

本发明涉及粮食干燥领域，尤其涉及基于等效积温的粮食连续干燥系统与测控方法。

背景技术

粮食干燥的基本目标是保持干燥过程稳定的前提下，以最低的干燥成本和能耗去除粮食中的水分，粮食水分的在线检测和品质控制显得尤为重要。

对于粮食干燥这样的大惯性系统来说，超调量的存在对系统有着较大的负面影响，必将影响到粮食干燥的整体质量。张立志发明了一种粮食烘干塔智能节能控制系统(申请号：201520207569.5)，利用PLC与变频器结合的方法对水分进行了智能控制。刘拥军发明了基于神经网络和模糊控制的粮食烘干塔智能控制方法(申请号：201610625302.7)，利用神经网络算法对烘干过程的各参数进行学习，结合模糊控制算法能够实现对粮食烘干过程的自动控制，并取得了较为理想的控制效果。

现有技术主要是以干燥后粮食的水分为目标进行检测和控制，而对干燥后粮食品质控制的研究较少。

发明内容

本发明克服现有技术的缺陷，提供一种基于等效积温的粮食连续干燥测控方法，实现水分和品质的双目标控制。

本发明的另一个目的是提供了一种理论积温值的确定方法，更接近实际值，方便快捷。

本发明提供的一种基于等效积温的粮食连续干燥测控方法，包括以下步骤：

步骤1，计算理论等效积温CT₁；

步骤2，计算实时等效积温CT₂；

步骤3，当|CT₂-CT₁|≥ε时，调节排粮频率f，直到|CT₂-CT₁|<ε进入下一步；其中，ε为积温调节精度；

步骤4，根据进出口粮食水分的差值绝对值与水分控制精度之间关系再次调节排粮频率f。

优选的是，所述步骤1的理论等效积温计算方式为：

CT₁＝K₀×CT₀

其中，CT₀为理论积温值，K₀为积温修正系数，依据作业的历史数据或经验而确定。

理论积温值CT₀的求解方式如下：在粮食干燥理论积温品质图中，根据干燥机内相对湿度、干燥机缓苏比选取相应的积温线参考线和品质参考线，沿着谷物初始水分点作水平线，该水平线与干燥品质指标为q_t的品质参考线的交点为A，经过A点的积温线所对应的积温值即为理论积温值CT₀。

优选的是，所述步骤2的实时等效积温CT₂计算方式为：

其中，H_g为干燥机的干燥段高度，H_s为干燥机的缓苏段高度，v为干燥机中粮食向下移动的速度，T₁、T₂……T_n为传感器采集的粮食温度。

所述干燥机内粮食向下移动速度v计算方式如下：

其中，K_f为速度系数；Q为排粮体积速率；r为排粮电机额定转速；i为电机与排粮轮的传动比；n为排粮轮的数量；S为干燥机仓体横截面积。

优选的是，所述步骤3的具体方法：当|CT₂-CT₁|≥ε,则用PID调节排粮频率f，直到|CT₂-CT₁|<ε；当|CT₂-CT₁|<ε，则表示等效积温满足要求精度，直接进入下一步。

优选的是，所述步骤5的具体方法：当|m₂-m_t|≥δ,则用PID调节排粮频率f，直到|m₂-m_t|<δ；当|m₂-m_t|＜δ，已经达到要求的控制精度，无需调整。

优选的是，所述积温调节精度ε必须保证在后期调节水分过程中现实时等效积温与理论等效积温的差值绝对值小于或等于ε。

本发明所述的有益效果：1)本发明将农学上的积温原理创新性地应用到谷物干燥过程中，实现粮食连续干燥的水分和品质的双目标控制；2)该方法稳定性较高，而且不易受外界因素的干扰，在粮食初始水分波动不超过3％的情况下，其目标水分控制精度可以达到±0.5％，稳定度在85％以上；3)由于本发明能准确控制水含量，因此本发明所提供的系统和方法不仅能够提高粮食干燥机的自动化水平，而且可以降低能耗。

附图说明

图1为本发明的一种基于等效积温的粮食连续干燥测控系统的工艺流程图。

图2为本发明的一种基于等效积温的粮食连续干燥测控系统简图。

图3为本发明的一种基于等效积温的粮食连续干燥测控系统的干燥段传感器安装布置图。

图4为本发明的一种粮食连续干燥等效积温品质测控系统的干燥机工艺流程简图。

图5为本发明的一种基于等效积温的粮食连续干燥测控方法中稻谷干燥等效积温品质图。

图6为本发明的一种基于等效积温的粮食连续干燥测控方法中稻谷干燥等效积温品质图中K取样点取值图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

一种基于等效积温粮食连续干燥系统包括：如图1所示连续干燥机及附属设备包括地坑输送机1、地坑上粮机2、初清筛3、塔前提升机4、连续干燥机5、热风机组6、冷风机7、皮带输送机8、干粮仓9、热风炉10。

干燥机在进行干燥作业时，地坑输送机1将地坑中的粮食输送至地坑上粮机2，地坑上粮机2将粮食运送到初清筛3，经过初清筛3的除杂之后，经由初清筛的排粮口进入塔前提升机4，塔前提升机将粮食输送到连续干燥机5的顶部，并由顶部的进粮口进入到干燥机的主体内部，粮食依靠自身的重力在干燥机内缓慢下落，在下落的过程中，粮食会依次经过储粮段、干燥段、冷却段、排粮段，并在干燥段内受到热干燥介质的干燥，在冷却段粮食得到冷却，并最终经由排粮段排出连续干燥机，排出连续干燥机的粮食经由皮带输送机8运送到干粮仓9，整个干燥过程结束。

图2示出了等效积温测控系统的控制和显示装置，其包括：控制柜和输出显示装置，控制柜包括水分仪控制器、可编程控制器、排粮变频控制器、控制仪表和温湿度变送器，所述输出显示装置包括：工业控制计算机和打印机、报警器和监视器，所述工业控制计算机通过RS232/485转换器与控制柜进行数据传输及转换。图3示出了等效积温测控系统的信息采集装置，其中，M0代表进口水分仪，M1代表出口水分仪；T01-T03代表风温传感器，T1-T11代表温度传感器；TH1-TH13代表温湿度传感器；

如图2和3，水分仪控制器连接进口水分仪M0和出口水分仪M1，接收进口水分仪M0和出口水分仪M1检测的粮食水分信号；控制仪表连接风温传感器T01-T03、温度传感器T1-T11，用于显示风温传感器T01-T03检测的风温和温度传感器T1-T11检测的粮食温度。温湿度变送器连接所述温湿度传感器，用于接收温湿度传感器检测的温湿度信号。

在粮食经过干燥段和缓苏段的时候，粮食所处的环境状态参数经由温湿度传感器及温度传感器采集并输送到工业控制计算机中用于后续的积温计算及水分的在线控制，如图4所示，具体包括以下步骤：

步骤1，工作初始化及根据经验和历史数据进行和理论等效积温CT₁计算，具体步骤为：

步骤101，作业初始化：向干燥机的控制显示单元内输入和存储待干燥粮食的目标水分m_t、原粮水分m₁、品质指标q_t(如爆腰率、发芽率损失等)、积温调整周期t_a、水分调整周期t_b、积温调节精度ε、水分控制精度δ、理论积温模型、干燥品质模型、排粮变频频率f与干燥机内粮食向下移动速度v的关系式；所述积温调节精度ε必须保证在后期调节水分过程中不会出现实时等效积温与理论等效积温的差值超过ε。

步骤102，依据目标水分、品质指标，结合谷物品种、缓苏比和干燥机机型，用积温品质图查索。在粮食干燥理论积温品质图中，根据干燥机内相对湿度、干燥机缓苏比选取相应的积温线参考线和品质参考线，沿着谷物初始水分点作水平线，该水平线与干燥品质指标为q_t的品质参考线的交点为A，经过A点的积温线所对应的积温值即为理论积温值CT₀。

在本实施例中，如图5示出了稻谷干燥等效积温品质图，其中，曲线A1-A5代表45RH％积温线；B1-B6代表45RH％爆腰增率曲线；C1-C5代表55RH％积温线；D1-D6代表55RH％爆腰增率曲线；E1-E3代表65RH％积温线；F1-F8代表65RH％爆腰增率曲线，利用稻谷干燥等效积温品质图可以查找出谷物的干燥条件参数，图6示出了K点的谷物理论积温值CT₀的求解过程，K点的原粮水分为23.5％，干燥机内部相对湿度测量结果为45％，要使爆腰增率为3％，查表可得：此干燥机应在34.6℃下进行干燥(K点)，此时理论积温为207.5℃·h或模型计算确定理论积温CT₀；

步骤103，依据作业的历史数据或经验，确定积温修正系数K₀；

步骤104，计算理论等效积温

CT₁＝K₀×CT₀

步骤2，启动进粮提升机装粮，待装粮完成后，启动连续干燥机5作业，同时启动热风炉10及热风机6向连续干燥机5内输送热风；预设排粮频率f₀，并利用安装在各干燥段排潮口的温湿度传感器TH1-TH13、缓苏段的温度传感器T1-T11及进出口水分仪M0和M1自动记录干燥机各干燥段的粮食温度、湿度、出口粮食水分m₂；

步骤3，计算实时等效积温

其中H_g为干燥段高度，H_s为缓苏段高度，v为干燥机中粮食向下移动的速度，T₁、T₂……T_n为传感器采集的粮食温度；

步骤4，如果|CT₂-CT₁|<ε，则直接进入下一步；如果|CT₂-CT₁|≥ε,则用PID调节排粮频率f，按积温调整周期t_a为节点返回步骤6，直到|CT₂-CT₁|<ε；

积温PID调节方法为：积温的调控是对水分的长期控制，所构建的PID控制器必须可以实现快速调节实时等效积温值，为了便于实现计算机编程，本专利采用数字增量式PID控制器，具体包括以下步骤：

第一步，计算出K_P、K_I、K_D三个控制参数的初始值；

第二步，求出理论等效积温CT₁与实时等效积温CT₂(k)的差值E(k)；

第三步，ΔU(k)＝K_PΔE(k)+K_IE(k)+K_D[ΔE(k)-ΔE(k-1)]；

第四步，f(k+1)＝f(k)+ΔU(k)；

其中，ΔE(k)＝E(k)-E(k-1)；k＝0,1,2…n,为采样的序号；K_P、K_I、K_D三个控制参数根据实际进行确定。

步骤5，如果|m₂-m_t|＜δ，则说明水分误差已经达到所要求的控制精度，不需要做出调整；如果|m₂-m_t|≥δ,则用PID调节排粮频率f，按水分调整周期t_b为节点返回步骤6，直到|m₂-m_t|<δ；

水分PID调节方法为：水分的PID调控是对水分的短期控制，所构建的PID控制器必须能够精准的控制水分的含量，为了便于实现计算机编程，水分的PID调节同样采用数字增量式PID控制器，具体包括以下步骤：

第一步，计算出k_P、k_I、k_D三个控制参数的初始值；

第二步，求出目标水分值m_t与实际出机水分m₂的差值e(k)；

第三步，Δu(k)＝k_PΔe(k)+k_Ie(k)+k_D[Δe(k)-Δe(k-1)]；

第四步，f(k+1)＝f(k)+Δu(k)；

尽管发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种基于等效积温粮食连续干燥测控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，计算理论等效积温CT₁；

步骤2，计算实时等效积温CT₂：

其中，H_g为干燥机的干燥段高度，H_s为干燥机的缓苏段高度，v为干燥机中粮食向下移动的速度，T₁、T₂……T_n为传感器采集的粮食温度；

所述干燥机内粮食向下移动速度v计算方式如下：

其中，K_f为速度系数；Q为排粮体积速率；r为排粮电机额定转速；i为电机与排粮轮的传动比；n为排粮轮的数量；S为干燥机仓体横截面积；

步骤3，当|CT₂-CT₁|≥ε时，调节排粮频率f，直到|CT₂-CT₁|<ε进入下一步；其中，ε为积温调节精度；

步骤4，根据进出口粮食水分的差值绝对值与水分控制精度之间关系再次调节排粮频率f。

2.根据权利要求1所述的基于等效积温粮食连续干燥测控方法，其特征在于，所述步骤1的理论等效积温计算方式为：

CT₁＝K₀×CT₀

其中，CT₀为理论积温值，K₀为积温修正系数。

3.根据权利要求1所述的等效积温粮食连续干燥测控方法，其特征在于所述步骤4的具体方法：当|m₂-m_t|≥δ,则用PID调节排粮频率f，直到|m₂-m_t|<δ；

其中m₂为出口粮食水分m₂，m_t为干燥粮食的目标水分。

4.根据权利要求1所述的等效积温粮食连续干燥测控方法，其特征在于，还包括：

所述积温调节精度ε必须保证在后期调节水分过程中实时等效积温与理论等效积温的差值绝对值都会小于或等于ε。

5.根据权利要求2所述的基于等效积温粮食连续干燥测控方法，其特征在于，

理论积温值CT₀的确定方式如下：在粮食干燥理论积温品质图中，根据干燥机内相对湿度、干燥机缓苏比选取相应的积温线参考线和品质参考线，沿着谷物初始水分点作水平线，该水平线与干燥品质指标的品质参考线的交点为A，经过A点的积温线所对应的积温值即为理论积温值CT₀。