中國是世界大米生產(chǎn)第一大國．總產(chǎn)量占世界大米產(chǎn)量的30%以上。大米也是我國人民的主要口糧之一，隨著人民生活水平的提高、糧食消費(fèi)結(jié)構(gòu)及方式的改變和科技進(jìn)步，稻谷的精、深加工已成為發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)及國民經(jīng)濟(jì)的主要內(nèi)容之一．而稻谷品質(zhì)是第一要素，沒有好的稻谷，工藝再先進(jìn)也加工不出優(yōu)質(zhì)大米。因此，要搞好稻谷的精深加工必須把提高稻谷的內(nèi)在品質(zhì)放在首位。但由于干燥過程控制的嚴(yán)重滯后性和干燥結(jié)果的不可調(diào)整性，我國機(jī)械干燥在技術(shù)上達(dá)不到準(zhǔn)確控制干燥后稻谷質(zhì)量的要求，干燥過程中造成稻谷品質(zhì)劣變、食味差、爆腰率高、裂紋多，市場價值大大下降。本文通過研究稻谷干燥環(huán)節(jié)對稻谷品質(zhì)的影響．研究一種新的稻谷干燥機(jī)智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)干燥過程的控制．改善燥后稻谷品質(zhì)。
1、智能控制系統(tǒng)整體方案
    在圖1的稻谷干燥機(jī)系統(tǒng)中，干燥風(fēng)機(jī)1向干燥塔上兩個干燥段供熱風(fēng)，干燥風(fēng)機(jī)2向干燥塔的下兩個干燥段供熱風(fēng)．熱風(fēng)源來自熱風(fēng)爐．干燥風(fēng)機(jī)2通過人口處冷風(fēng)閥加入冷風(fēng)使熱風(fēng)溫度降低．本控制系統(tǒng)充分利用現(xiàn)有設(shè)備的干燥工藝，主要特色是首先檢測塔內(nèi)各層段的排風(fēng)濕度．然后通過智能算法建立排風(fēng)濕度與相應(yīng)高度塔內(nèi)糧食含水量的關(guān)系，用排風(fēng)濕度間接反算出糧食含水量．這樣就可以大大減小檢測結(jié)果的滯后時間．從而提高控制系統(tǒng)的控制精度。系統(tǒng)一方面通過控制排糧速度控制各層的加熱時間．另一方面利用干燥風(fēng)機(jī)2入口的冷風(fēng)電動閥門控制第三、四干燥段的熱風(fēng)溫度．從而控制被干燥糧食通過第三、四干燥段時的降水量，使被干燥糧在進(jìn)入冷卻層時的含水量達(dá)到給定的值，這個給定值根據(jù)計(jì)算機(jī)的在線學(xué)習(xí)．干燥糧在當(dāng)前大氣環(huán)境條件下（溫度和濕度），通過冷卻段時的含水量變化情況計(jì)算獲得，富通新能源生產(chǎn)銷售顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)、木屑?xì)饬魇胶娓蓹C(jī)等生物質(zhì)燃料成型、木屑烘干等機(jī)械設(shè)備。
2、智能控制系統(tǒng)的工作原理
    稻谷干燥機(jī)智能控制系統(tǒng)的工作原理如圖2所示．主要通過以下方式解決糧食在干燥塔出口處的含水量控制問題：①系統(tǒng)控制量。系統(tǒng)控制量包括系統(tǒng)排糧速度和第三、四段的熱風(fēng)溫度。②總體目標(biāo)�？傮w目標(biāo)主要通過以下三種方式實(shí)現(xiàn)。a、通過電機(jī)變頻調(diào)速控制塔的排糧速度來控制被干燥糧在塔內(nèi)的干燥時間；b、通過控制在第三、四干燥段的熱風(fēng)溫度，控制糧食進(jìn)入緩蘇段時的含水量（通過檢測排氣濕度）；c、根據(jù)環(huán)境條件、第一第二干燥段的入口處熱風(fēng)壓力、溫度和兩層的排氣濕度對原糧含水量進(jìn)行預(yù)測．建立系統(tǒng)原糧含水量的智能預(yù)測模型。
2.1稻谷在干燥塔內(nèi)各段干燥時間的控制
    在干燥塔各段熱空氣流量和熱空氣溫度一定的條件下．被干燥糧食的降水率取決于糧食在各段的干燥時間。因此，控制進(jìn)入干燥塔時具有某一含水量的被干燥糧食在塔內(nèi)各段的停留時間是一項(xiàng)重要的控制指標(biāo)。當(dāng)某一段糧食由入口處進(jìn)入到干燥塔時，由干燥塔頂端的位置傳感器可以檢測當(dāng)前糧食的位置高度．由于燥塔底部的變頻調(diào)速器的速度通過計(jì)算機(jī)計(jì)算出該段糧食在以后不同時刻在塔內(nèi)的位置。這樣在計(jì)算機(jī)內(nèi)就建立起塔內(nèi)糧食的動態(tài)分布圖，如圖3所示。
2.2干燥塔各段智能化模型的建立
    理論與實(shí)踐證明．模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以以任意精度逼近任意非線性系統(tǒng)的動態(tài)過程。如前所述，干燥塔的工作過程屬大時滯、多擾動的強(qiáng)非線性系統(tǒng)，無法用正常的數(shù)學(xué)手段對其精確建模，而智能控制正是為解決這一問題提出來的．并已在許多工程過程中取得了成功的應(yīng)用，因此智能控制是解決干燥塔系統(tǒng)控制問題的最佳手段。
    建立各干燥段的智能化模型的意義在于控制過程中通過檢測熱空氣的溫度、壓力和塔內(nèi)排出氣體的濕度來預(yù)測運(yùn)行于該段內(nèi)糧食的降水率和含水量。用這種方法我們建立了各干燥段和冷卻段的智能化模型。
2.3干燥塔含水量控制采用全局優(yōu)化智能控制
    如圖3所示．在干燥塔內(nèi)各段糧食的含水量是有一定的差異性的．含水量不同的糧食在塔內(nèi)的各段內(nèi)運(yùn)行的時間不應(yīng)該相同，所以從整體方面應(yīng)將其進(jìn)行全局優(yōu)化處理。各批含水量不同的糧食在干燥塔內(nèi)的干燥過程采用全局優(yōu)化的智能控制方案。通過圖2中干燥塔人口的糧食溫度、含水量、流量和出口糧食的含水量檢測結(jié)果，計(jì)算該部分物料在塔內(nèi)各段的分布情況，再與該部分物料在各段末所檢測得的含水量（由出口排風(fēng)濕度換算獲得）比較，進(jìn)而計(jì)算出該段在當(dāng)前塔狀態(tài)下（各段進(jìn)氣量和溫度）在各段的干燥時間。綜合塔內(nèi)的各段物料的狀態(tài)．優(yōu)化干燥時間，當(dāng)局部物料差異較大時，在第三、四段由控制閥控制熱風(fēng)量，使其達(dá)到給定值。冷卻段的壓力、溫度和濕度檢測可以表明環(huán)境條件對糧食出口含水量的影響．進(jìn)而控制物料在第四階段的含水量的設(shè)定值。
    在圖5中，冷卻段的智能模型用于確定在當(dāng)前的氣候條件下，經(jīng)過四個干燥段和緩蘇段后，在經(jīng)歷不同時間的冷卻段運(yùn)行時，糧食含水量的變化情況．進(jìn)而確定被加熱糧食在運(yùn)行通過第四段末時的含水量以確定第三、四段的熱風(fēng)溫度。
2.4第三、四干燥段的熱風(fēng)溫度的控制
    由于在糧食加熱過程中，如上所述的全局優(yōu)化控制過程是一個動態(tài)的過程．即隨著新的糧源的給入，干燥塔內(nèi)各段糧食含水量是動態(tài)變化的．所以優(yōu)化過程也是一個動態(tài)的過程。要求系統(tǒng)根據(jù)新糧食含水量不斷地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果，而系統(tǒng)中不能滿足要求的部分則由第三、四段集中進(jìn)行補(bǔ)償。第三、四干燥段的控制系統(tǒng)圖如圖6所示。
3、智能控制系統(tǒng)的組成
    糧食干燥機(jī)智能控制系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分兩大部分組成。
3.1硬件部分組成
    硬件部分主要包括傳感器部分、接口箱、主機(jī)、可編程控制器PLC、繼電器陣列，開關(guān)電源以及不間斷電源等。傳感器部分包括入機(jī)糧含水率檢測儀、出機(jī)糧含水率檢測儀、廢氣溫濕度傳感器、壓力傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器和高低風(fēng)溫傳感器等，這些傳感器的布置如圖7所示。接口箱、主機(jī)（包括工控機(jī)機(jī)箱、鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器等，機(jī)箱中配置有總線底板、CPU主板、2塊PCL818數(shù)據(jù)采卡和一塊PCL728模擬量輸出卡）、可編程控制器PLC、繼電器陣列、含水率檢測傳感器的變送器、開關(guān)電源以及不間斷電源等分層安裝在一個控制柜內(nèi)．控制柜內(nèi)部的布置如圖8所示。
3.2軟件部分組成
    軟件部分主要包括參數(shù)設(shè)置模塊、傳感器標(biāo)定與檢測模塊、樣本數(shù)據(jù)庫管理模塊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊、干燥過程設(shè)置模塊、干燥過程計(jì)算機(jī)仿真模塊、干燥過程智能控制模塊和打印報表模塊等。
4、智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    根據(jù)稻谷干燥機(jī)干燥工藝過程為大滯后強(qiáng)非線性和難于建立精確系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用在線與離線相結(jié)合的自學(xué)習(xí)智能控制方法。采用理論分析、計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)時控制試驗(yàn)相結(jié)合的方法．由理論分析與計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真為系統(tǒng)研制提供干燥過程參數(shù)．并對系統(tǒng)控制結(jié)果提供定性的指導(dǎo)：通過在線樣本的采集和智能優(yōu)化算法對系統(tǒng)進(jìn)行全局性的定量分析，建立由單機(jī)系統(tǒng)實(shí)時檢測數(shù)據(jù)所確定的過程智能模型．再通過智能優(yōu)化算法調(diào)用人工智能模型，獲取系統(tǒng)建立的控制規(guī)則。在具體實(shí)施過程中采用人機(jī)對話與系統(tǒng)自組織自學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法。系統(tǒng)軟件采用Visual C++編寫，工作界面友好，過程參數(shù)顯示直觀。
4.1操作界面
    系統(tǒng)根據(jù)操作功能分為一個主界面和5個輔助功能界面．主界面的主要功能是顯示系統(tǒng)運(yùn)行過程中干燥塔各部分實(shí)時檢測所得到的測試數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)，提供手動操作按鈕以及調(diào)節(jié)參數(shù)用的文本框等。所顯示的項(xiàng)目包括：人機(jī)糧含水率、出機(jī)糧含水率、排糧電機(jī)頻率顯示、高低溫干燥段熱風(fēng)溫度的顯示環(huán)境及各層溫濕度的顯示、生產(chǎn)率指標(biāo)——排糧速度顯示、變頻器手動調(diào)節(jié)功能等。
4.2  系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)庫的建立
    由于干燥機(jī)工作過程為大時滯強(qiáng)非線性，而且入機(jī)糧為間斷給糧，所以使用通常的前饋反饋控制理論很難達(dá)到理想的控制效果，因此本系統(tǒng)采用實(shí)時臨時數(shù)據(jù)庫來存儲塔中過去12個小時的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。實(shí)時數(shù)據(jù)庫由采樣程序建立，采樣程序按系統(tǒng)設(shè)置的采樣周期將數(shù)據(jù)循環(huán)存儲在實(shí)時數(shù)據(jù)庫中，同時發(fā)送給主界面顯示程序進(jìn)行顯示。采樣程序工作的數(shù)據(jù)流如圖9①所示。
4.3實(shí)時樣本抽取
    實(shí)時樣本抽取由實(shí)時樣本抽取程序完成。定時采樣器在完成采樣程序的調(diào)用后，再調(diào)用實(shí)時樣本抽取程序。實(shí)時樣本抽取程序根據(jù)系統(tǒng)中所記錄的上下料位開關(guān)在過去時間的狀態(tài)情況，從實(shí)時數(shù)據(jù)庫中計(jì)算出當(dāng)前出機(jī)糧段在塔內(nèi)運(yùn)行過程中各段的廢氣溫濕度平均值、運(yùn)行速度平均值、高低溫加熱層風(fēng)溫平均值和人機(jī)糧出機(jī)糧含水率．形成一個完善的樣本．存入實(shí)時樣本文件系統(tǒng)中，其工作數(shù)據(jù)流如圖9②所示。實(shí)時樣本庫為連續(xù)存儲，每隔24小時形成一個文件。為節(jié)省硬盤空間，樣本庫采用二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式存儲。
4.4優(yōu)化樣本的抽取
    優(yōu)化樣本數(shù)據(jù)是供系統(tǒng)智能建模程序使用的，數(shù)據(jù)由優(yōu)化用樣本抽取程序獲取。當(dāng)實(shí)時樣本抽取程序獲得一個完整的樣本并寫入實(shí)時樣本庫后，同時調(diào)用優(yōu)化用樣本抽取程序，根據(jù)圖4-3中樣本采樣差值的設(shè)置．查詢優(yōu)化用樣本文件系統(tǒng)決定是否將其寫入樣本庫，其工作過程的數(shù)據(jù)流如圖9③所示。
4.5智能建模
    智能建模在系統(tǒng)中完成由優(yōu)化樣本數(shù)據(jù)建立特定干燥機(jī)智能模型的功能．由智能建模程序具體實(shí)施。智能建模程序調(diào)用智能優(yōu)化算法對優(yōu)化樣本庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，形成模型規(guī)則，存入智能模型文件系統(tǒng)，其工作數(shù)據(jù)流如圖9④所示。
4.6智能控制規(guī)則創(chuàng)建
    智能控制規(guī)則創(chuàng)建由智能控制規(guī)則線程完成。當(dāng)智能建模程序完成了模型規(guī)則的創(chuàng)建后，啟動該線程，調(diào)用智能優(yōu)化算法進(jìn)行智能控制規(guī)則創(chuàng)立。在創(chuàng)立過程中．規(guī)則創(chuàng)立程序調(diào)用智能模型對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化出機(jī)糧含水率誤差的累積值，獲得不同入機(jī)糧含水率在不同的高溫層風(fēng)溫的最佳排糧速度值、不同均勻度下入機(jī)糧含水率的低層風(fēng)溫值，存入智能規(guī)則文件系統(tǒng)，形成智能控制規(guī)則。
4.7智能控制的實(shí)時實(shí)施
    當(dāng)智能控制規(guī)則形成后．系統(tǒng)自動設(shè)置智能規(guī)則形成標(biāo)記．采樣實(shí)時時鐘程序在調(diào)用完優(yōu)化用樣本實(shí)時抽取程序后檢測到該標(biāo)記，該標(biāo)記調(diào)用智能控制程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時控制。
5、結(jié)論
    通過理論研究、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)運(yùn)行考核，證明本稻谷干燥機(jī)智能控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①本控制系統(tǒng)對稻谷干燥過程中各主要參數(shù)對干燥結(jié)果的影響進(jìn)行了分析．所產(chǎn)生的智能模型能夠很好的逼近系統(tǒng)的真實(shí)模型，有效地解決了由于多變量、大時滯、強(qiáng)非線性等特點(diǎn)所造成的糧食干燥過程難于控制的問題。②本控制系統(tǒng)能夠迅速反映、指出問題所在，能在干燥參數(shù)等方面及時做出調(diào)整和修正．使整個烘干系統(tǒng)不因局部問題而受到太大的影響。③本控制系統(tǒng)軟件界面友好，采用圖形化人機(jī)接口，安裝簡單，操作簡單，維護(hù)容易，便于用戶使用。④本控制系統(tǒng)是科技含量較高的人機(jī)互動系統(tǒng)．干燥環(huán)節(jié)從糧食入機(jī)開始實(shí)行全方位立體控制，使用本系統(tǒng)可節(jié)省大量的人力物力，利于提高糧食干燥的生產(chǎn)效率和品質(zhì)，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。