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曹 艺，吴永明，刘 毅 （广东工业大学 机电工程学院，广东 广州 510006） 摘 要：为了适应农作物种子等产品的恒温烘干要求和节能减排的目标，研发了一种太阳能与空气源热泵并联加热的农作物烘干机及其恒温控制系统。烘干机内采用封闭流动的纯净水为传热介质，用储水箱来储存热能。恒温控制系统采用LPC2103单片机，在水箱和烘干房等处设置多个温度传感器，组成一个闭环控制系统，能够根据天气和烘干物料情况选择节能的加热烘干模式。控制系统使用加入Smith预估环节的模糊PID控制算法，使烘干过程维持在设定温度范围内。通过系统仿真和实际应用，研发的太阳能热泵烘干机可提高烘干效率和工艺稳定性，能够满足农作物种子等恒温烘干需求。 关键词：太阳能；空气源热泵；烘干机；单片机；模糊PID；Smith预估器 1 引言烘干机常用热源有煤、电、天然气等，物料烘干过程是一个巨大的耗能过程，研发利用太阳能、空气能等可再生能源的工业烘干设备，可以节能减排。单独利用太阳能集热器的太阳能烘干机容易受天气变化的影响，空气能热泵烘干机有较好的节能效果。将太阳能集热和空气能热泵结合在一起的太阳能热泵烘干机，不但可以充分利用太阳能，达到最佳的节能效果，而且易于保证烘干工艺稳定性的要求。文献[1]等通过实验研究发现将太阳能与热泵联合烘干，烘干时间与单独采用太阳能烘干相比缩短了20%左右，节能效率在70%左右。 一些农作物种子等物料对烘干温度和时间的要求比较严格。文献[2]研究烘干温度与时间对水稻种子含水量和活力的影响时发现，若烘干温度过高容易引起爆腰，使种子发芽率降低；若烘干实际温度过低，会影响烘干效率，增加烘干成本。文献[3]在茶叶烘干机温度控制中采用模糊PID控制算法，取得了较好的应用效果。但常规的模糊PID控制系统对于延迟大、非线性强、控制信号反应慢的复杂烘干过程往往不能获得令人满意的控制效果。文献[4]进行自然空气对流和强制空气对流的方法辅助太阳能干燥稻谷的研究，结果发现太阳能干燥中的谷物温度一般低于70℃。文献[5]研究了流化床干燥器的模糊控制过程和控制过程，并通过实验得出结论：模糊控制较控制不仅具有较好的控制特性，而且控制器的设计也较传统的非线性控制器简单。文献[6]提出一种改进Smith预估器的方法，应用于模糊PID控制系统中，使系统对模型精度要求降低，控制品质得到了很大的改善。 为了满足农作物种子的恒温烘干要求和节能减排的目标，研发一种太阳能与空气能热泵并联加热的农作物烘干机，烘干机内采用封闭流动的纯净水为传热介质，用储水箱来储存能量，该结构不但易于最大限度地储存和利用太阳能，还有利于实现恒温烘干。采用模糊PID和改进的Smith预估控制算法，设计出一种恒温烘干控制系统，使烘干过程维持在预设温度范围内，提高农作物种子的烘干品质和效率。 2 太阳能热泵烘干机系统及工作流程太阳能热泵烘干机系统主要由太阳能集热器、空气能热泵、储热水箱、烘干机等主要部件组成，系统构成，如图1所示。为了减少水垢的危害，传热介质采用纯净水，形成一个封闭的水循环系统。空气能热泵子系统由冷凝器、变频压缩机、蒸发器、节流膨胀阀等构成。太阳能集热器和热泵并联连接，可同时加热储水箱里的热水。水泵抽取储水箱里的热水流经烘干机内的散热片时，通过鼓风机将热量吹入烘干室内，通过热风实现对物料的烘干。为了实现最大的节能效率，在天气晴好时，太阳能集热器加热热水；没有阳光或水箱水温不能满足烘干要求时，启动空气能热泵加热。  图1 太阳能热泵烘干机系统的总体结构 太阳能热泵烘干机控制系统的具体工作流程为：（1）用户根据需要预设所需的烘干温度并启动烘干机。（2）通过水位传感器检测循环水箱内的水位值，当水位低于预设值，自动开启电磁阀补水。（3）控制系统通过温度传感器采集太阳能集热器的进出口温度来判别是否需要启动太阳能供热模式。（4）通过烘干房供热水泵将加热后的热水抽入供热水箱中，并由散热片和供热风机将热水散出的热空气送入烘干房中对农作物进行烘干。（5）当烘干处于稳定状态时（达到需要的预设温度），热泵压缩机保持恒定的频率运行。当出现一定的干扰时，控制系统通过调节热泵压缩机的运行频率，直到烘干房再一次稳定在用户设定的温度值。 3 控制系统方案的硬件设计烘干机控制系统是一个控制精度高、操作简便、处理快的智能控制系统。同时，太阳能热泵烘干机作为一种节能减排的绿色产品，节约处理器系统的能耗也应成为设计的关注点。太阳能热泵烘干机选用集成度高、并且能够对功率进行管理的LPC2103单片机[7]。在太阳能热泵机各个关键环节上安装了传感器：（1）温度传感器，分别检测并采集烘干房环境温度、储水箱水温、太阳能集热管进出口温度温度等模拟信号；（2）水位传感器，检测并采集储水箱水位模拟信号。控制系统硬件原理框图，及硬件整体接线图，如图2、图3所示。  图2 太阳能热泵烘干机控制系统硬件原理框图  图3 控制系统整体硬件连接图 4 太阳能热泵烘干机的恒温控制方案4.1 压缩机频率对烘干房温度对象的传递函数 在整个控制过程中：（1）热泵压缩机电机运行频率对烘干房的温度的响应会有一个较大的滞后时间τ；（2）由于受到惯性的影响，单片机发出阶跃信号后，热泵变频压缩机收信号并达到新的稳态需要一定的调整时间T。即可以利用一阶惯性环节加纯滞后模型来表示闭环控制系统[8]：  式中：K—为静态增益；T—时间常数；τ—滞后时间。 根据式（1）传递函数的模型，采用一阶近似法进行求解。由于太阳能集热器的启停主要由太阳能集热器进出口温度来判别，此处可以不考虑太阳能集热器对供能的影响。实验系统的主要设备为变频压缩机、频率调节器、循环水泵等，烘干房具体参数为（长7445×宽3400×高1847）mm，板房外围使用50mm厚的双面彩钢聚氨酯发泡保温材料。实验步骤如下： （1）烘干房温度控制在80℃，误差要求在±5℃； （2）使烘干房的工作状态调整为为手动控制状态，突然在频率调节器的输出端施加加一个60Hz的扰动信号（在实验过程中保持信号频率不变），每隔30s记录一次烘干房的温度值。为了方便对数学模型参数的求取，在绘制温度响应曲线时将纵坐标（温度值）整体下移一个环境温度，实验地点为广州，实验时环境的温度值为30℃。绘制温度响应曲线，如图4所示。 （3）在响应曲线上取两点Y（t1）和Y（t2），这两点满足的条件Y（t1）=0.39Y（∞），Y（t2）=0.63Y（∞），Y（∞）为烘干房温度的稳定值。由实验数据可以得到：Y（∞）=84.4℃。则：Y（t1）=32.916℃，Y（t2）=53.172℃。根据响应曲线可以查找对应的时间分别为t1=197s，t2=277s。将t1和t2代入可求得模型的参数T、τ和K，可求得：T=2（t2- 则传递函数为：   图4 烘干房在热泵变频压缩机阶跃信号下的实际温度响应曲线 4.2 带有Smith预估环节的模糊PID控制器的设计 通过传递函数，可以发现此控制系统为大滞后系统（ 0.5 ）。为解决这种问题，在使用模糊PID控制的同时，加入改进的smith预估补偿环节。即在常规的史密斯预估环节的主反馈通道中引入一个一阶惯性环节 4.2.1 控制系统隶属度函数的确定及模糊化 结合烘干房温升特点及系统控制精度要求，模糊控制器选用单变量结构的二维模糊控制器。输入量为烘干房温度的偏差e和该温度的偏差变化率ec，以 PID 参数的增量 Δkp、Δki、Δkd为输出语言变量。烘干房预设温度值偏差e及偏差率的模糊模糊子集{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；通常可应用缩写为：｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝。 避免烘干过程温度过高或过低的情况，烘干房温度误差应控制在±5℃左右。为研究的方便，输入变量、输出变量的模糊隶属度函数均采用三角形隶属度函数。取烘干房温度偏差e、偏差变化率 ec 相应的基本论域设定为：e=［-12，12］；ec=［-0.06，0.06］。e、ec、Δkp、Δki、Δkd的模糊论域取：［-6，6］。 4.2.2 建立控制系统模糊控制规则 若温度偏差e和温度偏差率ec符号相同，系统的输出值远离设定的温度值，这时应该增加Δkp。当烘干房实际温度与预设温度偏差e较大时，Δkp应取比较大的值；反之，则Δkp的值应该小一点，避免由于过大而使控制系统出现振荡[10]。归纳以上相应的参数调节规则，可得到Δkp模糊控制规则表，如表1所示。 表1 Δkp控制规则表  ec Δkp NB NM NS ZO PS PM PB NB PB PB PM PM PS PS ZO NM PB PB PM PS PS ZO NB NS PM PM PM PS ZO NM NB ZO PS PS PS ZO PS PS PS PS NB NM ZO PS PS PM PM PM NS ZO PS PS PM PB PB PB ZO PS PS PM PM PB PB e 当烘干房实际温度与预设温度偏差e较大时，根据积分作用的特点可能会使积分饱和，不能引入积分环节，如果偏差比e较小，才可以考虑加入积分作用。可以得到的积分作用Δki规则表，如表2所示。 表2 Δki控制规则表  ec Δkp NB NM NS ZO PS PM PB e NB Z Z NS NS NS ZO ZO NM PM PS PS PS PS ZO PM NS PB PM PM PM PM PM PB ZO PB PB PM PM PM PB PB PS NB NM ZO PS PS PM PM PM PM PS PS PS PS PS PM PB ZO ZO NS NS NS ZO ZO 微分作用是对误差信号有一个超前的作用。在系统运行的初始状态，温度偏差e相对较大而使偏差的变化率变大，这样会容易导致微分溢出，所以Δkd应取较小的值。其他情况按照：当ec较小时，Δkd取为中等大小；当 ec较大时，Δkd应取小些。可以得到的微分Δkd作用规则表，如表3所示。 表3 Δkd控制规则表 ec Δkp NB NM NS ZO PS PM PB e NB NS NS NS NS NS NS NS NM ZO ZO ZO ZO ZO ZO ZO NS PS PM PM PM PM PM PS ZO PS PM PB PB PB PM PS PS PS PM PM PM PM PM PS PM ZO ZO ZO ZO ZO ZO ZO PB NS NS NS NS NS NS NS 控制规则按“if-then”形式输入到模糊规则编辑器中，例如在响应起始处，烘干房温度偏差e很大且为正，ec接近0。为了提高响应速度，此时的控制规则为“Ife is PB and ec is ZO，Then Δkp is PM，Δkiis NS，Δkdis NS”。 4.2.3 解模糊化及变量参数输出 对输入的温度偏差e和偏差变化率 为取得精确量以计算输出控制量，在经过上述模糊推理后，模糊PID自整定控制器调整的修正参数要进行清晰化，采用加权平均法求取输出量的精确值，进而得出模糊判决后的清晰量u（k）： 并将u（k）传入LPC2103单片机的通信接口，由单片机控制执行器件完成相应的控制操作。 4.3 控制系统仿真研究 在Simulink中建立带有Smith预估环节的模糊PID控制仿真模型[12]，如图5所示。仿真响应曲线图，如图6所示。烘干房预设温度值为80℃，假设烘干房在太阳能集热器供热稳定后烘干房温度达到65℃，由图可以发现：烘干房从65℃升至80℃过程中，在模糊PID控制方案下烘干房最高温比设定值高4℃，同时，烘干房温度稳定在预设值所用时间为1500s，而在预估模糊PID控制方案下烘干房最高温度比设定值超高2℃，烘干房温度达到稳定值所用的时间为1000s；在1800s时加入一个信号扰动，加入信号干扰后，预估模糊PID控制恢复稳定时间比模糊PID更迅速。虽然两者都满足控制误差在（±5）℃的要求，但是预估模糊PID的控制精度更高，更稳定。 图5 带有史密斯预估环节的控制系统仿真模型 图6 仿真响应曲线图 5 实验研究为验证控制系统的实际控制效果，选用设计的以LPC2013为核心的单片机恒温控制系统与传统的烘干机PLC控制系统进行试验研究，以烘干茶叶为例。根据《茶叶感官评审基本条件》得，在120℃下恒温烘干有利于茶叶品质的形成，即烘干设定的温度为120℃。试验选用的器材：总采光面积为10m2的平板型太阳能集热器、试验地点：广州，试验季节为冬季，太阳能集热器安装倾角34.875°，变频空气源热泵的型号为AD-12ACA，基本参数：最大制热量：3500W；最大能耗比（COP）：4.3；变频范围：（20～120）Hz；循环介质：环保新冷媒R410A。茶叶质量为200kg，初期含水率为74%。试验中，用温度记录仪自动记录烘干房内的温度，每间隔0.5h取出茶叶样品称重并计算含水率，当茶叶含水率低于7%时，茶叶达到理想状态，试验结束。茶叶在不同控制模式下的含水率变化曲图线，如图7所示。 图7 不同控制模式下茶叶的含水率变化曲图线 6 结语研发一种以太阳能与空气能热泵并联加热的农作物烘干机，烘干机能够根据天气情况智能选择最优的供热模式。将模糊PID和改进的Smith预估控制算法应用到恒温烘干控制系统中。建立起执行机构（变频压缩机）和被控对象（烘干房）的数学模型，完成对控制器相应的设计。用MATLAB中的Simulink进行仿真分析。由仿真结果可以看出，Smith预估控制技术在太阳能热泵烘干控制系统应用，比传统的模糊PID控制有更好的控制效果。最后，将设计的控制系统应用于茶叶的恒温烘干中，比传统的烘干机PLC控制系统有更高的烘干效率，节省烘干时间，改善了控制系统的调节品质，并在实际生产得到良好应用。 参考文献 ［1］詹长军.太阳能热泵联合干燥装置在干燥领域的比较优势［J］.农业工程技术，2010（3）：22-23.（Zhan Chang-jun.The comparative advantage of drying machine with solar&air-source heat-pump in dry areas［J］.Agricultural Engineering，2010（3）：22-23.） ［2］吴晓强，李亚莉，周红杰.基于模糊PID的茶叶烘干机恒温控制系统研究［J］.食品与机械，2015（31）：111-114.（Wu Xiao-qiang，Li Ya-li，Zhou Hong-jie.Research on control system of tea constant temperature drying machine based on fuzzy PID［J］.Food&Machinery，2015（31）：111-114.） ［3］陈新红，张安存，韩正光.烘干温度与时间对不同收获期下水稻种子含水量和活力的影响及相关分析［J］.西南农业学报，2014（27）：22-24.（Chen Xin-hong，Zhang An-cun，Han Zheng-guang.Effects of drying temperature and drying time on seed moisture content and seed vigor and its correlation analysis at different havest period in rice［J］.Southwest 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seeds or other agriculture products，and to achieve the goal of energy-saving and emission-reduction，a crop drying machine with solar energy and air-source heat pump，and it’s constant temperature control system are developed.In the drying machine，the closed-loop flowing pure water is used for heat transfer medium，and the water storage tank is for storing thermal energy.The hardware of constant temperature control system chooses LPC2103single chip processer and multiple temperature sensors are set up individually in some key places，such as water tank and drying room.A closed-loop control system is built to select energy-saving heating modes according to the condition of weather and drying.Based on the fuzzy PID control algorithm with the Smith predictor，the control system could maintain the set temperature range in the drying process.Through the system simulation and practical application，the solar heat-pump drying machine developed in this paper can improve the drying efficiency and process stability，and satisfy the constant temperature drying demand of crop seeds. Key Words：Solar；Air-Source Heat-Pump；Drying Machine；Single-Chip；Fuzzy PID；Smith Predictor 中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2017）10-0140-04 来稿日期：2017-04-08 基金项目：广东省教育部产学研结合项目（2012B091000008） 作者简介：曹 艺，（1989-），男，湖北人，硕士研究生，主要研究方向：可持续设计与制造、节能环保产品开发； 吴永明，（1966-），男，安徽人，博士后，教授，主要研究方向：可持续设计与制造、节能环保产品开发 |
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，该一阶惯性环节相当于一个低通滤波器，使得被控对象的输出和预估环节的输出滤波处理后才能反馈到控制器，减缓了模型误差干扰系统的速度，削弱了模型不匹配时对系统的影响，有利于系统的稳定
