德州學(xué)院生態(tài)園林與建筑學(xué)院 滕浩然 鄭 芳 于清東 張奎慶

太陽能干燥/采暖控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

德州學(xué)院生態(tài)園林與建筑學(xué)院 滕浩然 鄭 芳 于清東 張奎慶

針對太陽能干燥/采暖控制系統(tǒng)在操作和控制方面存在著精度低、自動化程度不高以及人工勞動強(qiáng)度大的問題，設(shè)計(jì)了以PLC為控制核心的模糊控制器。該控制器采用模糊控制方法，可提高太陽能干燥/采暖過程的控制精度和可靠性，為太陽能干燥/采暖過程的控制提供技術(shù)支持。

控制系統(tǒng)；干燥/采暖系統(tǒng)；模糊控制

引言

太陽能是人類取之不盡，用之不竭的可再生能源，也是清潔能源，不產(chǎn)生任何環(huán)境污染。太陽能熱利用就是用太陽能集熱器將太陽輻射能收集起來，通過與物質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能加以利用。其產(chǎn)生的熱能可用于干燥、采暖、太陽能熱水器、太陽能空調(diào)、太陽能海水淡化以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)前，技術(shù)成熟的、廣泛利用的太陽能熱利用方面主要有太陽能熱水器，在太陽能干燥和采暖方面，系統(tǒng)還不夠穩(wěn)定，干燥周期長，采暖晝夜溫差大等問題都有待于解決［1］。

針對以上情況，考慮我國大部分農(nóng)村地區(qū)屬世界太陽能資源豐富地區(qū)之一的特點(diǎn)，本文提出了一種將太陽能干燥和采暖聯(lián)合起來，高效收集并利用太陽能的光熱資源，滿足農(nóng)戶對農(nóng)副產(chǎn)品干燥和家庭采暖的兩種需求，設(shè)計(jì)一套太陽能干燥/采暖聯(lián)合系統(tǒng)，而影響該系統(tǒng)的因素很多，多數(shù)因素不可控制且相互影響，給干燥和采暖過程帶來了諸多問題。

本課題綜合考慮現(xiàn)有太陽能干燥/采暖系統(tǒng)控制方面存在的問題，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出了以帶模擬量PLC為控制核心的模糊控制方法，以滿足太陽能干燥/采暖聯(lián)合系統(tǒng)對空氣溫度、濕度等參數(shù)控制的要求。

1.控制原理

控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、西門子PLC、三菱變頻器、風(fēng)機(jī)、溫濕度傳感器和數(shù)據(jù)采集卡等組成，系統(tǒng)如圖1所示。

控制系統(tǒng)的上位機(jī)是計(jì)算機(jī)，工作過程由計(jì)算機(jī)給定溫度，它和下位機(jī) （PLC）之間通過串行通訊接口 RS485 實(shí)現(xiàn)連接和通訊。下位機(jī) （PLC）接收到控制溫度的電壓值信號后，通過 D/A轉(zhuǎn)換器變?yōu)槟M量傳送給變頻器，由變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到對干燥/采暖系統(tǒng)內(nèi)空氣介質(zhì)溫濕度的控制，保證被干燥物料的質(zhì)量和采暖系統(tǒng)的空氣溫度要求。計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)顯示干燥/采暖系統(tǒng)內(nèi)溫濕度情況。為了提高控制的穩(wěn)定性，溫濕度傳感器將采集到的溫濕度信號送到控制器，在控制器內(nèi)部將信號與設(shè)定值進(jìn)行模糊比較，自行診斷誤差和誤差變化，根據(jù)模糊控制算法規(guī)則進(jìn)行調(diào)整，重新給定被控量［2］。

控制過程中的設(shè)定值為干燥/采暖系統(tǒng)所需的空氣溫濕度，控制體是帶模擬量的PLC，受控體有變頻器和風(fēng)機(jī)，被控量是風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖1 系統(tǒng)控制原理圖

2.模糊控制

模糊控制是一種智能算法，通過建立模糊規(guī)則、解模糊等手段進(jìn)行控制，相當(dāng)于一種控制器，屬于智能控制范疇，可以通過帶模擬量的PLC編程實(shí)現(xiàn)模糊控制［3］。

在太陽能干燥/采暖聯(lián)合系統(tǒng)中，影響太陽能干燥/采暖的因素多且相互影響較大，慣性很大的被控對象主要是系統(tǒng)內(nèi)空氣的溫濕度。在模糊控制過程中，把溫濕度傳感器測出的精確量轉(zhuǎn)化成為適于模糊運(yùn)算的模糊量，然后將這些量在模糊控制器中加以運(yùn)算，最后再將運(yùn)算結(jié)果中的模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，以便對各執(zhí)行器進(jìn)行具體的模糊控制。在模糊控制中，存在著一個(gè)模糊量和精確量之間相互轉(zhuǎn)化的問題，模糊控制的原理圖如圖2所示。

圖2 模糊控制原理圖

控制系統(tǒng)采用單變量輸入二維控制模糊算法，以太陽能干燥/采暖聯(lián)合系統(tǒng)空氣溫濕度偏差和空氣溫濕度變化作為輸入，然后根據(jù)不同的空氣溫濕度偏差和空氣溫濕度變化，在控制器內(nèi)部對測量值與給定值進(jìn)行比較，求出空氣溫濕度偏差與空氣溫濕度變化，最后根據(jù)模糊控制規(guī)則查模糊變量賦值表獲得增量，對被控對象進(jìn)行調(diào)整后輸出，以滿足不同誤差和誤差變化率對控制器的要求。

3.結(jié)論

由于太陽能干燥/采暖系統(tǒng)受周圍環(huán)境影響，干燥周期長，晝夜溫差變化大，系統(tǒng)必須在電輔助加熱裝置的共同作用下， 可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，同事還可以進(jìn)一步提高控制精度。

以PLC為控制核心的模糊控制器，可提高太陽能干燥/采暖過程的空氣溫濕度控制精度和可靠性，為太陽能干燥/采暖過程的控制提供技術(shù)支持，其自動化水平高，能耗低。

［1］李彩霞，于清東，張奎慶.太陽能干燥/采暖聯(lián)合系的研究設(shè)計(jì)［J］.中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2016，37（7）：210-212.

［2］徐明娜，錢珊珠，張峰，春生.基于PLC的太陽能干燥控制系統(tǒng)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2009（2）：187-190.

［3］張帆，錢珊珠，常亮.基于LPC2210的太陽能干燥控制系統(tǒng)［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31（13）：231-235.

［4］呂萍秋.太陽能采暖和熱水組合系統(tǒng)的研究［J］.上甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，21（1）：151-153.

［5］王磊磊，張桂山.太陽能空氣采暖系統(tǒng)在夏季蓄熱中的應(yīng)用［J］.建筑節(jié)能，2012，40（12），14-16.

滕浩然（1995-），男，河北秦皇島人，大學(xué)本科。

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510448047）。