CN116086164A - 一种基于聚类的竹木片烘干室温湿度均匀控制方法 - Google Patents

一种基于聚类的竹木片烘干室温湿度均匀控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于聚类的竹木片烘干室温湿度均匀控制方法，涉及烘干室温湿度控制领域。目前，烘干室存在室内温湿度不均匀的问题。本发明包括步骤：对预处理后的数据进行聚类的局部异常因子检测，得到温湿度聚类簇异常分数；根据聚类的局部异常因子检测结果，分析出温度低或湿度高的空间，并定位温度、湿度不均匀区域；计算X,Z轴平面温度、湿度不均匀区域与各进风口之间的距离，加大最小距离出风口风速；扩大温度低或湿度高的区域X轴处出风口。本技术方案分析温湿度不均匀空间，进而提升了烘干室内温湿度的采样精度，通过协同调节多进风口和出风口的风速以达到烘干室内温湿度均匀。

Description

一种基于聚类的竹木片烘干室温湿度均匀控制方法
技术领域
本发明涉及烘干室温湿度控制领域，尤其涉及一种基于聚类的竹木片烘干室温湿度均匀控制方法。
背景技术
随着人们生活水平的提高环保意识也不断的加强，一般家庭多会选用实木材料进行装饰，实木材料的需求量越来越大，竹木烘干技术对产品品质有巨大影响。烘干过程中室内温湿度不均匀导致竹木材料在烘干后开裂、变形、干燥不均匀甚至发霉弊端。针对这问题，对竹木片烘干室内温湿度均匀技术进行研究，可提高竹木材料烘干的良品率。但目前的控制方法多为单点温湿度采集的PID控制，即对温湿度传感器附近空间温湿度进行有效的控制，而烘干室内空间大结构复杂，存在烘干室内温湿度不均匀的问题，导致受热不均的竹木材料开裂、变形，甚至导致长期未达到烘干温湿度的竹木材料发霉，进而影响产品的良品率。
发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种基于聚类的竹木片烘干室温湿度均匀控制方法，以得到温湿度均匀的竹木片烘干室目的。为此，本发明采取以下技术方案。
一种基于聚类的竹木片烘干室温湿度均匀控制方法，竹木片烘干室包括高温热泵烘干机、多风速可调节进风通道、烘干室、三维温湿度传感器阵列、热空气回收通道和主控单元，所述高温热泵烘干机、多风速可调节进风通道、三维温湿度传感器阵列、热空气回收通道通过控制总线与所述主控单元连接，所述高温热泵烘干机经多风速可调节进风通道和热空气回收通道与烘干室相通，以形成气流循环通道；所述高温热泵烘干机包括：蒸发器、压缩机和冷凝器，蒸发器的工质蒸汽回收烘干室内余热，工质蒸汽经压缩机得到高温高压蒸汽进入冷凝器重新得到热空气，所述的温湿度传感器均匀分布在烘干室内；所述竹木片烘干室温湿度均匀控制方法包括以下步骤：
1)主控单元采样烘干室内三维温湿度传感器信号，获得温湿度数据；
2)对温湿度数据进行预处理；
3)对预处理后的数据进行聚类的局部异常因子检测，得到温湿度聚类簇异常分数；
4)根据聚类的局部异常因子检测结果，分析出温度低或湿度高的空间，并定位温度、湿度不均匀区域；
5)计算X,Z轴平面温度、湿度不均匀区域与各进风口之间的距离，加大最小距离出风口风速；
6)扩大温度低或湿度高的区域X轴处出风口。
作为优选技术手段：在步骤3)中，聚类的局部异常因子检测包括以下步骤：
301)根据温湿度样本构建权重矩阵；
302)通过温湿度样本数据求得烘干室内温湿度的度矩阵和相似度矩阵，求得所述拉普拉斯矩阵，对拉普拉斯矩阵进行奇异值分解；
303)取拉普拉斯矩阵前K个最小特征值对应的奇异值向量；
304)对温湿度样本数据的拉普拉斯矩阵的奇异值向量进行聚类；
305)经聚类后，区分新样本烘干室内温湿度数据簇的大小簇；
306)进行温湿度聚类簇异常分数计算。
作为优选技术手段：在步骤302)中，烘干室内温湿度的度矩阵计算公式为：
Figure BDA0003995041610000031
其中di组成度矩阵D，ωij为相似度矩阵W的元素，n为自然数。
作为优选技术手段：在步骤302)中，烘干室内温湿度的相似度矩阵计算公式为：
Figure BDA0003995041610000032
其中σ为样本点的领域宽度，mi-mj表示烘干室内温湿度样本中任意两点之间的欧氏距离，sij组成相似度矩阵W。
作为优选技术手段：在步骤302)中，所述的拉普拉斯矩阵L计算公式为：L＝D-W，其中D为度矩阵，W为相似度矩阵。
在步骤303)中，将得到的k个温度数据和湿度数据特征值的特征列向量组成矩阵Ut＝{u1,u2,...,uk}，Uh＝{u1,u2,...,uk}，并令yi是Ut和Uh的第i行的向量从而得到烘干室内温湿度的新样本点；在步骤304)中，通过使用K-means算法将烘干室内温度和湿度新样本聚类成簇Ct1,Ct2,...,Ctk；在步骤305)中，聚类簇Ch1,Ch2,...,Chk按元素从小到大排序，以b为大小簇的分界。
作为优选技术手段：在步骤305)中，区分大小簇是将烘干室内温湿度聚类簇按元素从小到大排序并以b为大小簇的分界，其中大小簇分界b的确定方式如下：
Figure BDA0003995041610000041
其中α表示大簇的数据量需占总数据量的比值，LC表示大簇，SC表示小簇，β表示前一个簇的数据量是后一个簇数据量的倍数，C表示经K-means聚类后的新的温湿度样本，b用于区分大簇和小簇。
作为优选技术手段：当烘干室内温湿度样本聚类簇数据点属于大簇，计算其到聚类中心的距离，当烘干室内温湿度样本聚类簇数据点属于小簇计算其最近大簇的聚类中心的距离，得出异常分数，将异常分数进行排序得到烘干室内温湿度不均匀空间；烘干室内温湿度异常分数，计算公式如下：
Figure BDA0003995041610000042
其中CBLOF(t)表示第t个温湿度样本聚类簇的异常分数值。
作为优选技术手段：在步骤4)中，主控单元根据烘干室温湿度样本聚类簇的异常分数值定位不均匀空间坐标(xb,yb,zb)。
作为优选技术手段：在步骤5)中，计算烘干室温湿度不均匀空间x,z轴坐标与各进风通道x,z轴的距离，计算公式为：
Figure BDA0003995041610000043
其中xa,za为各进风口的x,z轴坐标，xb,zb为不均匀空间x,z轴坐标；
调节距离s最小的进风通道的风速大小由烘干室内温湿度不均匀空间y轴确定，计算公式为：
sp＝c*yb，
其中sp为进风通道出风速度，c为风速系数，yb为温湿度不均匀空间y坐标。
作为优选技术手段：在步骤6)中，调节热空气回收通道方位使不均匀空间x轴坐标处回收通道增大以实现烘干室内温湿度均匀。
有益效果：
(1)本发明建立的竹木烘干室内温湿度均匀方法根据三维温湿度数据利用聚类的局部异常因子检测算法分析温湿度不均匀空间，进而提升了烘干室内温湿度的采样精度。
(2)本发明通过对烘干室内三维温湿度数据分析得到温湿度不均匀的等分空间，通过协同调节多进风口和出风口的风速以达到烘干室内温湿度均匀。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的烘干室内坐标定义图。
图3是本发明的温湿度传感器布置图。
图4本发明的高温热泵烘干机结构图。
图5本发明的控制流程图。
图中：1、烘干室；2、高温热泵烘干机；3、进风通道；4、热空气回收通道；5、温湿度传感器；6、烘干架。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1、3、4所示，竹木片烘干室包括高温热泵烘干机2、多风速可调节进风通道3、烘干室1、三维温湿度传感器5阵列、热空气回收通道4和主控单元，所述高温热泵烘干机2、多风速可调节进风通道3、三维温湿度传感器5阵列、热空气回收通道4通过控制总线与所述主控单元连接，所述高温热泵烘干机2分别经多风速可调节进风通道3和热空气回收通道4与烘干室1连接，参阅图4，所述高温热泵烘干机2内蒸发器的工质蒸汽回收烘干室1内余热，工质蒸汽经压缩机得到高温高压蒸汽进入冷凝器重新得到热空气，参阅图3，所述的温湿度传感器5均匀分布在烘干室1内；烘干室1中设有多组烘干架6，烘干架6分为多层，每一层上设有多个温湿度传感器5，从而形成三维温湿度传感器5阵列。
如图5所示，竹木片烘干室温湿度均匀控制方法包括以下步骤：
1)主控单元采样烘干室内三维温湿度传感器信号，获得温湿度数据；
2)对温湿度数据进行预处理；
3)对预处理后的数据进行聚类的局部异常因子检测，得到温湿度聚类簇异常分数；
301)根据温湿度样本构建权重矩阵；
302)通过温湿度样本数据求得烘干室内温湿度的度矩阵和相似度矩阵，求得所述拉普拉斯矩阵，对拉普拉斯矩阵进行奇异值分解；
通过烘干过程的三维温度和湿度数据样本X＝{t1,t2,....,tn}，Y＝{h1,h2,....,hn}计算烘干室内温湿度相似度矩阵W和度矩阵D，通过W和D得到图拉普拉斯矩阵L其计算公式为：L＝D-W，将特征值从小到大排序，取前k个温度数据和湿度数据特征值，并计算其k个温度数据和湿度数据特征值的特征向量u1,u2,....,uk，v1,v2,....,vk；其中的烘干室内温湿度相似度矩阵W的确定方式如下：
Figure BDA0003995041610000071
其中σ为样本点的领域宽度，mi-mj 2表示烘干室内温度或湿度样本中任意两点之间的欧式距离，sij组成相似度矩阵W；其中的度矩阵D是烘干室内温湿度相似度矩阵W每一行元素之和确定方式如下：
Figure BDA0003995041610000072
其中di组成度矩阵D；
303)取拉普拉斯矩阵前K个最小特征值对应的奇异值向量；
将得到的k个温度数据和湿度数据特征值的特征列向量组成矩阵Ut＝{u1,u2,...,uk}，Uh＝{u1,u2,...,uk}，并令yi是Ut和Uh的第i行的向量从而得到烘干室内温湿度的新样本点；
304)对温湿度样本数据的拉普拉斯矩阵的奇异值向量进行聚类；
通过使用K-means算法将烘干室内温度和湿度新样本聚类成簇Ct1,Ct2,...,Ctk；
305)经聚类后，区分新样本烘干室内温湿度数据簇的大小簇；
聚类簇Ch1,Ch2,...,Chk按元素从小到大排序，以b为大小簇的分界；其中大小簇分界b的确定方式如下：
Figure BDA0003995041610000073
其中α表示大簇的数据量需占总数据量的比值，C为烘干室内温度或湿度新样本聚类簇，LC表示大簇，SC表示小簇，β表示前一个簇的数据量是后一个簇数据量的倍数，b用于区分大簇和小簇。
306)进行温湿度聚类簇异常分数计算。
当烘干室内温湿度样本聚类簇数据点属于大簇，计算其到聚类中心的距离，当烘干室内温湿度样本聚类簇数据点属于小簇计算其最近大簇的聚类中心的距离，得出异常分数，将异常分数进行排序得到烘干室内温湿度不均匀空间；其中温湿度异常分数确定方式如下：
Figure BDA0003995041610000081
其中CBLOF(t)表示第t个温湿度样本聚类簇的异常分数值。
4)根据聚类的局部异常因子检测结果，分析出温度低或湿度高的空间，并定位温度、湿度不均匀区域；
根据烘干室温湿度样本聚类簇的异常分数值定位不均匀空间坐标(xb,yb,zb)，坐标定义如附图2所示，
5)计算X,Z轴平面温度、湿度不均匀区域与各进风口之间的距离，加大最小距离出风口风速；计算公式为：
Figure BDA0003995041610000082
其中xa,za为各进风口的x,z轴坐标，xb,zb为不均匀空间x,z轴坐标，调节距离s最小的进风通道的风速其风速大小由烘干室内温湿度不均匀空间y轴确定，计算公式为：sp＝c*yb，其中sp为进风通道出风速度，c为风速系数，yb为温湿度不均匀空间y坐标，
6)扩大温度低或湿度高的区域X轴处出风口；
调节热空气回收通道方位使不均匀空间x轴坐标处回收通道增大以实现烘干室内温湿度均匀。
如图2所示，坐标定义烘干室以x、z、y分别为4米、4米、12米为例，以进风通道口x、z轴坐标分别为(1,1)、(3,1)、(1,3)、(3,3)为例，
对应的竹木片烘干室温湿度均匀控制步骤如下：
首先，将温湿度传感器阵列采集的数据进行预处理，并用聚类的局部异常点检测算法得到各温湿度聚类的异常分数，将其从大到小进行排序得到温度湿度不均匀区域，定位该区域x、y、z坐标为(1.1，5，0.9)为例，计算烘干室温湿度不均匀空间x,z轴坐标与各进风通道x,z轴的距离分别为0.141421、1.902630、2.10238、2.83196，进风口坐标为(1,1)距离最小为smin＝0.141421，调节坐标为(1,1)的进风通道的进风控制器其风速大小为5*c，热空气回收控制器调节热空气回收通道方位使x轴坐标为1处回收通道增大，使得流向温湿度不均匀空间即坐标(1.1，5，0.9)处的热风流量增大实现烘干室内温湿度均匀。
以上所示的一种基于聚类的竹木片烘干室温湿度均匀控制方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种基于聚类的竹木片烘干室温湿度均匀控制方法，其特征在于：竹木片烘干室包括高温热泵烘干机(2)、多风速可调节进风通道(3)、烘干室(1)、三维温湿度传感器(5)阵列、热空气回收通道(4)和主控单元，所述高温热泵烘干机(2)、多风速可调节进风通道(3)、三维温湿度传感器(5)阵列、热空气回收通道(4)通过控制总线与所述主控单元连接，所述高温热泵烘干机(2)经多风速可调节进风通道(3)和热空气回收通道(4)与烘干室(1)相通，以形成气流循环通道；所述高温热泵烘干机(2)包括：蒸发器、压缩机和冷凝器，蒸发器的工质蒸汽回收烘干室(1)内余热，工质蒸汽经压缩机得到高温高压蒸汽进入冷凝器重新得到热空气，所述的温湿度传感器(5)均匀分布在烘干室(1)内；所述竹木片烘干室温湿度均匀控制方法包括以下步骤：
1)主控单元采样烘干室内三维温湿度传感器信号，获得温湿度数据；
2)对温湿度数据进行预处理；
3)对预处理后的数据进行聚类的局部异常因子检测，得到温湿度聚类簇异常分数；
4)根据聚类的局部异常因子检测结果，分析出温度低或湿度高的空间，并定位温度、湿度不均匀区域；
5)计算X,Z轴平面温度、湿度不均匀区域与各进风口之间的距离，加大最小距离出风口风速；
6)扩大温度低或湿度高的区域X轴处出风口。
2.根据权利要求1所述的一种基于聚类的竹木片烘干室温湿度均匀控制方法，其特征在于：在步骤3)中，聚类的局部异常因子检测包括以下步骤：
301)根据温湿度样本构建权重矩阵；
302)通过温湿度样本数据求得烘干室内温湿度的度矩阵和相似度矩阵，求得拉普拉斯矩阵，对拉普拉斯矩阵进行奇异值分解；
303)取拉普拉斯矩阵前K个最小特征值对应的奇异值向量；
304)对温湿度样本数据的拉普拉斯矩阵的奇异值向量进行聚类；
305)经聚类后，区分新样本烘干室内温湿度数据簇的大小簇；
306)进行温湿度聚类簇异常分数计算。
3.根据权利要求2所述的一种基于聚类的竹木片烘干室温湿度均匀控制方法，其特征在于：在步骤302)中，烘干室内温湿度的度矩阵计算公式为：
Figure FDA0003995041600000021
其中di组成度矩阵D，ωij为相似度矩阵W的元素，n为自然数。
4.根据权利要求3所述的一种基于聚类的竹木片烘干室温湿度均匀控制方法，其特征在于：在步骤302)中，烘干室内温湿度的相似度矩阵计算公式为：
Figure FDA0003995041600000022
其中σ为样本点的领域宽度，||mi-mj||表示烘干室内温湿度样本中任意两点之间的欧氏距离，sij组成相似度矩阵W。
5.根据权利要求4所述的一种基于聚类的竹木片烘干室温湿度均匀控制方法，其特征在于：在步骤302)中，所述的拉普拉斯矩阵L计算公式为：L＝D-W，其中D为度矩阵，W为相似度矩阵。
6.根据权利要求5所述的一种基于聚类的竹木片烘干室温湿度均匀控制方法，其特征在于：在步骤305)中，区分大小簇是将烘干室内温湿度聚类簇按元素从小到大排序并以b为大小簇的分界，其中大小簇分界b的确定方式如下：
Figure FDA0003995041600000031
其中α表示大簇的数据量需占总数据量的比值，LC表示大簇，SC表示小簇，β表示前一个簇的数据量是后一个簇数据量的倍数，C表示经K-means聚类后的新的温湿度样本，b用于区分大簇和小簇。
7.根据权利要求6所述的一种基于聚类的竹木片烘干室温湿度均匀控制方法，其特征在于：当烘干室内温湿度样本聚类簇数据点属于大簇，计算其到聚类中心的距离，当烘干室内温湿度样本聚类簇数据点属于小簇计算其最近大簇的聚类中心的距离，得出异常分数，将异常分数进行排序得到烘干室内温湿度不均匀空间；烘干室内温湿度异常分数，计算公式如下：
Figure FDA0003995041600000032
其中CBLOF(t)表示第t个温湿度样本聚类簇的异常分数值。
8.根据权利要求7所述的一种基于聚类的竹木片烘干室温湿度均匀控制方法，其特征在于：在步骤4)中，主控单元根据烘干室温湿度样本聚类簇的异常分数值定位不均匀空间坐标(xb,yb,zb)。
9.根据权利要求8所述的一种基于聚类的竹木片烘干室温湿度均匀控制方法，其特征在于：在步骤5)中，计算烘干室温湿度不均匀空间x,z轴坐标与各进风通道x,z轴的距离，计算公式为：
Figure FDA0003995041600000041
其中xa,za为各进风口的x,z轴坐标，xb,zb为不均匀空间x,z轴坐标；
调节距离s最小的进风通道的风速大小由烘干室内温湿度不均匀空间y轴确定，计算公式为：
sp＝c*yb，
其中sp为进风通道出风速度，c为风速系数，yb为温湿度不均匀空间y坐标。
10.根据权利要求9所述的一种基于聚类的竹木片烘干室温湿度均匀控制方法，其特征在于：在步骤6)中，调节热空气回收通道方位使不均匀空间x轴坐标处回收通道增大以实现烘干室内温湿度均匀。
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