摘 要： 谷物干燥處理是糧食存儲和農(nóng)產(chǎn)品加工中一個既重要又復雜的過程。由于該過程受諸多不確定因素的影響，因此實現(xiàn)精準控制意義重大。介紹一種基于模糊控制技術的谷物干燥控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)原理、結構設計、參數(shù)選擇等方面進行論述，通過對谷倉內(nèi)溫度、濕度兩個參數(shù)的調節(jié)評價模糊控制技術運行的穩(wěn)定性和可靠性，取得理想的結果，為該技術的開發(fā)與推廣打下良好的基礎。

關鍵詞：模糊控制；谷物干燥；控制系統(tǒng)

中圖分類號：S24 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）11-0107-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.202411316

0 引言

谷物儲藏的安全問題一直是一個復雜而又重要的問題，如何設計一個谷物監(jiān)控系統(tǒng)來實時監(jiān)控谷物的溫濕度，并能及時對異常情況做出迅速地反映，這些都是需要深入研究的問題[1-2]。

我國的糧食儲存技術采用傳統(tǒng)谷物干燥系統(tǒng)還較多，從儲藏環(huán)境和管理制度等方面主要是借助于人工管理來實現(xiàn)，由此帶來的谷物儲藏的安全問題較多[3]。谷物管理的重點是要時刻監(jiān)測谷物的溫濕度，只有溫濕度達到合適的水平，谷物才能夠長時間儲存。如果谷物管理自動化水平不高，就需要人工經(jīng)常進入谷倉內(nèi)檢查谷物的溫濕度，這樣的管理方式會消耗大量的人力、物力，同時對人的身體也會造成一定的影響，并使谷物發(fā)生變質的幾率大大升高[4-5]。因此，為了提高谷物干燥水平，開展以智能化控制為目標的研究勢在必行[6]。

常規(guī)的計算機控制系統(tǒng)，大多是處理一些精確參數(shù)，每個參數(shù)通過計算機轉換為代碼語言，經(jīng)計算機處理后又輸出給系統(tǒng)一個精確結果去調節(jié)系統(tǒng)。而現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)大多具有多變量、非線性等特點，系統(tǒng)較為復雜，常規(guī)控制系統(tǒng)很難正確描述其動態(tài)過程，也就很難達到精準控制的目的。模糊控制技術主要是建立在人工經(jīng)驗的基礎上，采用模糊控制器來巧妙地控制一個復雜系統(tǒng)的生產(chǎn)過程，其本質是利用計算機來實現(xiàn)人工控制的經(jīng)驗[7]。這些經(jīng)驗在現(xiàn)實中通常具有一定的模糊性，如稍高、較小、偏大和過低等。因此，模糊控制器的輸入和輸出不是精確的數(shù)值，而是模糊集合，這使得模糊控制具有更強的魯棒性和適應性，更適用于復雜系統(tǒng)。

模糊控制的原理是把精確的控制參數(shù)模糊化，通過模糊規(guī)則表進行模糊推理得出輸出變量的模糊集合，最后再去模糊化輸出精確變量以控制系統(tǒng)，使復雜、動態(tài)的系統(tǒng)達到穩(wěn)定的控制狀態(tài)。

目前，我國傳統(tǒng)的谷物干燥控制單憑傳統(tǒng)的儀器儀表和手工操作的方式是不能達到智能化，本項目在傳統(tǒng)谷物干燥系統(tǒng)的基礎上，將傳感器技術、計算機技術和模糊控制技術等有機結合，提出了基于模糊控制技術的谷物干燥控制系統(tǒng)設計[8-9]。谷物干燥技術主要是去除谷物中的大量水分，以達到能夠長時間儲存的目的。因此，影響谷物干燥的主要因素是谷倉內(nèi)的溫度、濕度及谷倉的通風條件，但這些條件綜合在一起，形成了一個動態(tài)的控制過程，往往不容易建立精確的數(shù)學模型[10-11]。而模糊控制技術正是利用了模糊推理等理論來控制復雜的動態(tài)系統(tǒng)，屬于智能控制的范疇，將模糊控制技術應用于谷物干燥過程，對提高我國谷物干燥系統(tǒng)的發(fā)展水平有著重大的意義[12]。

1 谷物干燥控制系統(tǒng)

1.1 整體設計

本研究針對谷物干燥過程中測控精度不達標、溫度不均勻、影響品質等生產(chǎn)實際問題，通過理論分析設計了基于模糊控制技術的谷物干燥控制系統(tǒng)。通過模糊數(shù)學把谷物所處復雜環(huán)境定量化，即將其轉化為模糊控制算法，以代替人工經(jīng)驗，從而實現(xiàn)谷物干燥控制系統(tǒng)的智能化管理。

研究對象是谷物干燥控制系統(tǒng)，主要進行模糊控制系統(tǒng)設計、控制系統(tǒng)硬件設計和控制系統(tǒng)軟件設計3 個方面的研究。通過對這3 個部分的研究結果最終實現(xiàn)谷物干燥的智能化控制，以達到實現(xiàn)“智慧農(nóng)業(yè)”的目的。谷物干燥控制系統(tǒng)整體設計如圖1 所示。

1.2 模糊控制系統(tǒng)設計

模糊控制系統(tǒng)是一個負反饋控制系統(tǒng)，最終能夠達到自動調節(jié)參數(shù)的目的。主要由數(shù)據(jù)采集（A/D 及D/A 轉換器、傳感變送器等）、模糊控制器、執(zhí)行機構和被控對象等部分組成，其系統(tǒng)組成框圖如圖2 所示。

1.2.1 模糊控制器

模糊控制器由計算機實現(xiàn)，是模糊控制系統(tǒng)的核心單元，控制算法通過計算機軟件和硬件實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用國產(chǎn)宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52 單片機作為模糊控制系統(tǒng)的核心器件。程序設計語言采用匯編語言。

1.2.2 A/D 轉換和D/A 轉換

考慮到計算機只能接收數(shù)字信號， 因此選用A/D（實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉換）和D/A（實現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的轉換）轉換器實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)導入計算機或數(shù)據(jù)從計算機的輸出。本系統(tǒng)采用普通的ADC0809大規(guī)模集成電路芯片。

1.2.3 執(zhí)行機構

執(zhí)行機構依據(jù)控制系統(tǒng)的輸出去調節(jié)被控對象采取相應的措施，如對谷倉內(nèi)環(huán)境進行加熱或通風等。本系統(tǒng)執(zhí)行機構主要有烘干機、鼓風機等。烘干機可以提供熱量以加熱谷物，加熱方式可以是燃氣的或電熱的[13]；鼓風機主要是將熱空氣通入谷倉以吸收熱量進行干燥。

1.2.4 被控對象

谷物干燥過程本身就是一個受多種因素影響的復雜過程，被控對象具有多變量、非線性、有滯后和易受干擾等特點，數(shù)學模型難以精準描述該過程，而目前普遍采用模糊控制作為解決方案。根據(jù)谷物干燥過程中各種因素的影響程度，本系統(tǒng)選擇溫度和濕度兩個關鍵因素作為被控對象。

1.2.5 檢測裝置

本系統(tǒng)檢測裝置主要指溫度傳感器和濕度傳感器，兩者的作用是把谷倉里的非電量（溫度和濕度）信號采集出來，經(jīng)過穩(wěn)壓、濾波和放大等環(huán)節(jié)轉換為便于測量的電壓或電流信號。通常，對檢測裝置的精度和穩(wěn)定性等要求較高。

1.3 谷物干燥控制系統(tǒng)硬件設計

硬件電路包括信號檢測部分 （即溫濕度傳感器）、信號調理、A/D 轉換部分、單片機、D/A 轉換部分和執(zhí)行機構等8 部分組成。其中，監(jiān)測和控制的都是谷物的表面溫度和濕度值，通過多個溫度和濕度傳感器對谷倉內(nèi)不同位置谷物的溫度和濕度進行測量，并將測量信號進行穩(wěn)壓、濾波和放大等環(huán)節(jié)的處理后，通過A/D 轉換器將模擬量轉換為數(shù)字量送給單片機進行模糊控制算法分析處理，并由顯示電路進行顯示，之后又把單片機處理之后的數(shù)字量通過數(shù)模轉換器轉換為模擬量，并發(fā)出命令給執(zhí)行機構，即由暖風機或加溫器等設備對谷倉內(nèi)的溫度和濕度值進行合理的調控?？刂葡到y(tǒng)硬件結構框圖如圖3 所示。

1.4 谷物干燥控制系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的核心是軟件，軟件的任務有系統(tǒng)參數(shù)檢測和數(shù)據(jù)信息管理兩個方面。具體包括系統(tǒng)參數(shù)設定；數(shù)據(jù)信息的采集、存儲和處理；信息輸出等功能?？刂葡到y(tǒng)軟件結構框圖如圖4 所示。

單片機語言方面，主要有匯編語言、C 語言和BASIC 語言等。本系統(tǒng)的編程語言采用匯編語言，主要是因為其能夠直接操作單片機的寄存器和內(nèi)存，使用時編程效率高、執(zhí)行速度快、使用靈活方便。

軟件系統(tǒng)流程包括單片機的初始化、數(shù)據(jù)采集子程序、模糊處理子程序及顯示和打印子程序等。軟件系統(tǒng)啟動后，首先要對單片機和模數(shù)轉換器等設備進行初始化，接下來進行各個數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、顯示及打印等，最后輸出控制系統(tǒng)的輸出信號，完成整個軟件流程?？刂葡到y(tǒng)軟件流程如圖5 所示。

1.5 模糊控制器設計

模糊控制器不需要精確的數(shù)學模型即可對非線性系統(tǒng)進行精確控制，處理過程分為模糊化、模糊推理和去模糊化3 個部分。本系統(tǒng)主要針對溫度和濕度兩個參數(shù)進行模糊控制，即溫度和濕度作為系統(tǒng)的兩個輸入變量。模糊控制器的首要工作是對此兩個變量進行模糊化處理，也就是首先將溫度、濕度兩個輸入信號的精確量進行模糊化處理，后續(xù)通過模糊規(guī)則表進行模糊推理并輸出，而最終執(zhí)行機構只能接收精確的輸出信號，因此還要將輸出的模糊量去模糊化以得到精確的輸出指令。

以谷倉內(nèi)溫度為例，選擇溫度偏差e、偏差變化率Ec 和輸出控制量U 作為系統(tǒng)參數(shù)。溫度偏差e 的變化范圍[?60， 60 ]°C，對溫度的精確數(shù)值進行模糊化，設定其量化范圍{?6， +6}；模糊化等級分為7 級，分別為NB（負大）、NM（負中）、NS（負?。?、ZO （零）、PS （正?。?、PM（正中）和PB（正大）[14]。根據(jù)谷倉內(nèi)的溫度變化特性，制定模糊規(guī)則，如當溫度偏差較大時，為將溫度快速降低到設定值，則溫度誤差量化因子要取較大值；反之，當溫度偏差較小時，溫度誤差量化因子要取較小值。因此，制定合適的模糊控制規(guī)則是設計模糊控制器的關鍵。而通過模糊推理，得到的輸出也是一個模糊集合，所以還要進行去模糊化得到一個精確的輸出值去驅動執(zhí)行機構開啟或關閉相關設備，以使谷倉內(nèi)溫度保持合適。

根據(jù)以上過程，模糊控制器結構組成如圖6 所示。

2 監(jiān)測結果分析

干燥控制系統(tǒng)對谷倉內(nèi)溫度、濕度的控制曲線如圖7 所示。倉內(nèi)起始溫度和濕度分別為3.6 °C 和43%，溫度、濕度期望值分別設定為50 °C 和20%。由圖7 可知，倉內(nèi)溫度經(jīng)歷了升高?降低?穩(wěn)定的變化過程，而濕度則經(jīng)歷兩次上升?兩次下降?穩(wěn)定的變化過程。還發(fā)現(xiàn)，溫度、濕度達到預期設定值的時間分別為28 和36 min。有研究也得出了類似的結論，束仁冬等[14] 通過試驗發(fā)現(xiàn)，溫度、濕度達到預期值的時間分別為29和 35 min。上述結果說明了本研究結果的可靠性，也說明了該模糊控制系統(tǒng)實現(xiàn)了干燥過程中對溫度和濕度兩個參數(shù)的控制，也證明模糊控制系統(tǒng)具有響應速度迅速、超調量小、穩(wěn)定時間長及良好的穩(wěn)態(tài)性能等特點。

3 結束語

本研究對基于模糊控制技術的谷物干燥控制系統(tǒng)進行了研究，結果表明：①控制系統(tǒng)具有較好的運行可行性、精度可靠性及操控便捷性；②改善了谷倉內(nèi)的溫濕度環(huán)境，谷物干燥水平進一步提高；③提高了系統(tǒng)的自動化水平；④降低了系統(tǒng)能耗，提高了效率。

糧食安全問題受到越來越多的關注，未來針對糧食存儲的安全性、穩(wěn)定性和可靠性會提出更高的要求。后續(xù)可以從以下3 個方面進行深入研究：以研發(fā)出更加高效、更加節(jié)能、更加環(huán)保的干燥設備為目標，研發(fā)和創(chuàng)新糧食干燥設備；以提高干燥效率和干燥質量為目標，推廣應用新干燥技術，如微波干燥[15]、熱泵干燥[16-17]、紅外線干燥[18]、電磁干燥[19] 等；以實現(xiàn)智能化控制為目標，引入和優(yōu)化智能管控系統(tǒng)[20]。

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基金項目： 楊凌職業(yè)技術學院2020 年自然科學基金項目（ZK20-45）

基金項目： 楊凌職業(yè)技術學院2020 年自然科學基金項目（ZK20-45）