粮食干燥过程智能建模与控制研究

发布时间：2020-06-04 12:37

【摘要】：粮食干燥技术可降低粮食含水率到储粮安全含水率,减少由于腐败变质带来的损失,是现代化农业的重要组成部分之一。刚收获的粮食含水率普遍较高,为避免粮食发霉变质,需尽快干燥到安全储藏水分。有效的自动控制策略是实现粮食干燥目标的重要手段之一,然而,粮食干燥过程是一项复杂的热质传递过程,具有大滞后、多干扰、非线性和参数不确定性等特点,对粮食干燥控制目标的实现提出了严苛考验,使依赖于被控对象数学模型的传统控制遇到了挑战。智能控制不依赖于被控对象模型,具有实时控制性能好和鲁棒性强的优点,适合于非线性复杂系统的控制,是一种有效的粮食干燥机控制方式。通过采用模糊逻辑、人工神经网络或其它人工智能辨识方法来近似粮食干燥过程的非线性关系,然后结合相关控制算法,如PID(Proportional Integral Derivative)控制、自适应控制、模型预测控制、反步控制、滑模控制、进化算法或它们的组合来构造智能控制器。本论文依托粮食公益性行业科研专项(201413006-4),针对入库前粮食干燥过程中的大滞后、非线性、大超调和强耦合等自动控制难点,以组合式多功能粮食干燥实验系统作为研究对象,开展粮食干燥过程的智能建模方法与智能控制策略的研究与应用。本文主要研究工作和创新点如下:1.在研究了粮食干燥过程的深床干燥机理模型基础上,针对红外辐射与对流联合的粮食干燥过程,研究了粮食干燥过程的几种智能建模方法。结合机理模型,引入BP神经网络方法、非线性自回归神经网络算法和改进粒子群优化支持向量机回归算法,建立了一类新的红外辐射与对流粮食干燥的动态过程模型,并验证了预测分析的有效性。基于热质传递原理,建立了组合式多功能粮食干燥实验系统的小麦混流循环干燥过程和小麦混流连续干燥过程的数学机理模型,利用MATLAB进行了小麦混流循环干燥过程和小麦混流连续干燥过程的数值模拟与分析。通过与粮食干燥实验数据对比,验证了模型的精确性。本研究设计的小麦混流连续干燥过程模型在粮食干燥机连续干燥控制仿真中用来模拟实际干燥过程,验证本论文所提出的控制算法的可行性。建立红外辐射与对流粮食干燥过程的反向传播神经网络预测模型,对其预测结果进行了分析与验证。研究并提出一种基于改进粒子群优化支持向量机回归的红外辐射与对流粮食干燥过程模型。该模型基于一种改进粒子群算法优化了支持向量机回归模型参数,使模型具有较高的预测精度。本研究提出的改进粒子群优化算法通过在标准粒子群优化算法中引入了一种基于适应度偏差的线性递减权重方程,改进了标准粒子群算法。对改进粒子群算法优化支持向量机模型的预测结果进行了分析与验证,通过与几种红外辐射与对流粮食干燥过程模型的预测性能比较,进一步验证了其建模精确性。研究并提出一种基于非线性自回归外生输入动态神经网络的红外辐射与对流粮食干燥过程模型,对其预测结果进行了分析与验证,通过与建立的线性自回归外生输入模型的预测性能进行比较,进一步验证了其建模精确性。2.提出一种粮食干燥质量和能量损耗控制的性能目标函数,结合遗传算法、生物免疫反馈算法、模糊控制和支持向量机等优化算法,提出了系列智能控制方法。仿真验证了这些智能控制算法在粮食干燥过程控制中具有快速、稳定、精确及抗干扰等良好的性能。基于遗传优化算法和生物免疫反馈算法,结合模糊控制与传统PID控制算法,研究并提出了两种基于改进型模糊免疫PID算法的粮食干燥机控制器(遗传优化模糊免疫PID控制器和遗传优化双模糊免疫PID控制器)。仿真结果表明两种改进型模糊免疫PID算法能适应复杂粮食干燥过程的控制,在快速性、稳定性、精确性及抗干扰性等方面均有良好的性能,其中后者性能更优。鉴于支持向量机建模优点,研究并提出了两种基于遗传优化支持向量机控制的粮食干燥机控制器:遗传优化支持向量机内模预测控制器和遗传优化支持向量机直接逆模型预测控制器。两种控制算法的跟踪仿真结果、抗干扰性测试结果和鲁棒测试结果均证明了两种遗传优化支持向量机控制算法在粮食干燥机控制中的有效性。其中,遗传优化支持向量机直接逆模型预测控制器的控制性能更好一些,该控制器采用机理模型与数据模型双驱动的控制方案,通过干扰信号反馈-控制信号调整-系统输出之间的时序关系对控制过程中的干燥段和排粮段滞后造成的大滞后控制问题进行了分析与论证。3.基于上述智能控制方法建立了实用的粮食干燥控制系统,在烘干质量和能耗等方面均优于已有的专家控制系统和人工控制系统。基于遗传优化支持向量机直接逆模型预测控制器,进行了小麦混流连续干燥控制实验,并与人工控制和已有的专家控制系统的控制效果分别进行了比较。实验结果表明基于遗传优化支持向量机直接逆模型预测控制器的控制性能优于其它两种控制方法。
【图文】：

逡逑宄，，基本达到了国际水平。从图１－１中可以看出，粮食千燥机从２０１０年的市场逡逑销量１５００台到２０１６年的销量接近２万台，２０１７年全年预计销售２．３万台左右，逡逑同比增长３６．７２％以上［７］２Ｇ，但我国粮食机械烘干率不到２０％，所以粮食干燥机市逡逑场需求巨大。另外，我国干燥机还存在环境污染严重、通用化、标准化和系列化逡逑低的缺点［２２］。粮食干燥机自动控制水平有待提高，在线水分传感器检测精度需逡逑进一步提高，干燥理论与控制方法未充分结合，相关控制算法有待在实际干燥机逡逑中进一步实验与推广。如何更好的解析粮食干燥的复杂动力学关系和确定粮食千逡逑燥品质指标，并将千燥理论取得的众多成果应用于粮食干燥机控制策略的设计中，逡逑对提高粮食干燥机效率和干燥后粮食品质非常有意义。逡逑１８７１０逡逑２００００逡逑１３６８５邋ｊｖ＾逡逑＜！0邋１５０００邋－逦

本文编号：2696405