连续流粮食干燥控制系统变量分析与结构设计

连续流粮食干燥控制系统变量分析与结构设计

杨向前

中嘉城建设计有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150046

摘要：粮食干燥是农业生产过程中的重要步骤和关键环节。实现粮食干燥机的自动控制对减少粮食损失，提高我国的粮食干燥技术水平，充分发挥粮食干燥机的生产能力，增强我国粮食产品在国际市场上的竞争力，具有十分重要的意义。粮食干燥机的结构虽然较简单，干燥过程是典型的多变量、大滞后和非线性的过程，难传统的控制方法在许多方面都难以达到理想的控制效果。

关键词：连续流粮食干燥控制系统；变量；结构设计；

近年来，国内外专家对粮食干燥机进行了大量的研究，获得了许多研究成果。但是，粮食干燥自动控制目前还是一个薄弱环节。要实现粮食最终含水率的控制必须解决两方面的技术难题：研究准确可靠的粮食含水率在线检测装置；确定合理的被控变量和控制变量，建立一套精度较高、适用面较广的控制模型。

一、影响粮食干燥的因素

1.粮食的生理状态。刚收获的粮食含水率较高，大部分尚处于后熟阶段，其新陈代谢活动还比较旺盛。进行干燥时要缓慢些(或先低温，后高温两次干燥)。若干燥初期温度过高，就会损坏粮食内部的毛细管和胚部，从而引起内部水分难以向外转移，并降低种子的活力。

2．粮食种类、状态及水分。粮食种类不同，其化学成分和结构也不同。一般是含淀粉成分多、含脂肪成分少、籽粒尺寸小、结构较松弛、含水率较大的粮食则内部扩散速度较大，干燥速度快。小麦、玉米等作物一次降水幅度较大，可达5％～6％，而大豆、稻谷等一次降水幅度较少，一般为1％--一3％。

3.干燥介质的状态参数。干燥介质的状态参数包括介质温度、相对湿度和流速。介质温度(热风温度)的增高影响最大，提高介质温度，不但可使粮食表面的水分加速蒸发，也可使粮食温度较高，加快粮食内部水分扩散速度。但是，干燥介质的温度不宜过高，否则可能使恒速干燥阶段缩短，降速阶段延长。增大干燥介质的流速也能使干燥过程强化。当流速增大到一定数值后，其影响相对减小。当粮食含水率较高时，流速对干燥过程影响较大，但当干燥过程进入降速阶段后，流速的增加对干燥过程的影响不显著。

二、连续流粮食干燥过程中变量控制

1.变量的选择。在连续流粮食干燥机中，粮食一般要经过若干干燥段和缓苏段，再经过冷却段，最后由出料口排出。合适的粮食贮藏含水率是(14±0．5)％，通常手动控制方法很难达到，难以保证干燥后粮食的品质。如果干燥后含水率过高，需要进行二次干燥，将使干燥成本上升，造成能源浪费。实现干燥过程的自动控制，选择合理的被控变量和控制变量，可保证出机粮食含水率均匀一致，减少能源浪费，降低干燥成本，提高干燥后粮食品质以及干燥机的可靠性和稳定性，减少故障率，减轻操作人员劳动强度以及充分发挥干燥机生产能力。

2.被控变量的选择。早期大多数连续流干燥机中，由于缺少精密度较高的在线粮食水分检测设备，通常采用间接参数作为被控变量，例如通过排气温度来控制谷物最终含水率，为了得出谷物最终含水率和排气温度间的函数关系，需进行大量的干燥实验，根据控制原理，设计有关数学模型的控制电路。这种把排气温度作为被控变量的方法，虽起到一定的效果，但控制精度较差和单级顺流式粮食干燥机的自控系统，使用一个温度传感器来检测出机粮食温度的变化，把出机粮食温度作为一个被控变量，该控制器可以保持出机粮食平均温度在设定值(±0．5℃)内，相当于出机粮食含水率偏差为±0．2％。随着检测传感技术的发展，在线粮食水分传感器得到户泛的应用，直接变量最终成为被控变量，通过控制系统调整排粮电动机的转速和热风温度来确保最终粮食含水率接近目标值。

3.控制变量。在粮食干燥的整个过程中，影响粮食最终含水率和粮食温度的因素主要有排粮电动机转速、热风温度、热风风量、热风湿度、粮食初始含水率、粮食温度、干燥时间、环境温度和其他各种扰动等。设计粮食干燥自动控制系统，上述因素多而复杂，且各因素间存在相互耦合，并且一些变量在控制过程中存在较大滞后，因此选择哪些变量作为控制变量是设计粮食干燥自动控制系统的关键。这就需要分析连续流粮食干燥过程影响因素的灵敏度，根据灵敏度的大小，确定各因素对干燥过程控制的影响，并对影响较大的因素进行控制，影响较小的因素不控制或视为干扰。

3. 结构设计

1.粮食水分在线检测系统设计。水分含量是粮食的重要质量指标之一。粮食含水量的多少不但决定了粮食贮藏的安全性，也同样制约着诸多粮食加工工艺与流通过程。粮食水分检测是粮食水分控制的信息源，实时动态在线检测粮食含水量是粮食干燥过程自动化和连续化的保证。近年来，国内外水分在线检测的方法主要有：电阻法、电容法、红外线法、声学法、丫射线和微波谐振法、中子法等，其中电阻法和电容法应用最多，其他方法由于价格昂贵、应用技术条件苛刻等原因，用得很少，有的还处于研究阶段。电阻法简单易行，但测定时粮食要压碎，电极与待测样品的接触状态影响测量精度，性能不够稳定；电容法结构简单、成本低，易于实现在线连续测量。因此，论文选用电容法对粮食含水率进行检测。粮食的介电特性和导电特性均受到温度的影响。在我国粮食收购与储藏现场，温度变化范围可从-30。C"-'+40"C，如此大的温度范围对粮食水分的在线检测的影响相当于水分变化了4．O％～7．O％的误差。因此，粮食水分检测的温度补偿十分重要。为了抑制温度影响，可在测量电路中加入温度补偿电路。为便于测试，需要将传感器中电容量的变化转换成相应的电压、电流或频率的变化。将电容量转换成电压(或电流)的电路称作电容式传感器的转换电路。

2.温度采集硬件电路设计。目前，温度传感器的发展己经比较成熟，温度的检测方法各种各样。比较常使用的温度传感器有P．N结温度传感器、热敏电阻温度传感器、集成温度传感器、热释电红外温度传感器等。本系统的温度传感器采用集成温度传感器AD590。结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性，即使电源电压在5---15V之间变化，传感器的电流作微小变化例。

3.人机接口电路设计。在单片机测控系统中，人机对话功能是必不可少的。它包括人对系统的状态干预与数据输入以及系统向人报告运行状态与运行结果。本系统的人机通道包括键盘和显示器。该芯片同时可连接多达64键的键盘矩阵，一片即可完成LED显示及键盘接口的全部功能。微处理器之间采用串行接口，其接口和外围电路比较简单，且占用口线少，加之它具有较高的性能价格比，因此，在微型控制器、智能仪表、控制面板和家用电器等领域获得了日益广泛的应用。单片机应用系统的干扰主要来自电源、信号通道和空间的辐射。针对不同的干扰需要采取不同的抑制措施。单片机应用系统采取的抗干扰措施有软件和硬件两种方法。硬件方法如，利用低通滤波器和隔离变压器抑制来自电源的干扰；利用光电隔离器件抑制过程通道上的干扰；利用屏蔽抑制来自外部的干扰等。硬件抗干扰方法不占用系统资源，但由于大部分的控制系统成本和体积的限制，不可能完全依靠硬件抗干扰的方法，并且只靠硬件措施也无法完全消除干扰，因此必须在软件上也采取一定的措施。

本文提出的连续式粮食干燥机控制系统的设计，整个控制系统以单片机作为核心，在线检测采集出机粮食的含水率和温度值，调整排粮电枫的转速，控制干燥后的粮食水分值满足要求。

参考文献：

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[2] 李军富．我国谷物干燥机械的发展现状及对策．农机化研究．2017(9)：44．46页

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