基于干燥均勻性的真空脈動干燥加熱控制技術

薛令陽 王書茂 MUJUMDAR A S 王 軍 于賢龍 高振江

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.麥吉爾大學生物資源工程系， 蒙特利爾 H9X 3V9)

0 引言

真空脈動干燥技術是一種新型干燥技術[1-3]，對于表面有蠟質層覆蓋、易褐變、高糖分、難干燥的果蔬物料有很好的干燥效果[4-6]。碳纖維加熱板作為熱源引入真空脈動干燥裝備后，因具有質量小、升溫快、熱效率高等諸多優點而被廣泛應用于枸杞、葡萄干、棗片等干燥加工[7-11]。實際生產中，真空脈動干燥裝置的生產成品率為60%～90%，仍然存在較大的提升空間[12]。干燥均勻性是影響生產成品率的重要因素，因此提高干燥均勻性對降低干燥損失、推進真空脈動干燥裝備工程化應用具有重要意義。

在提高干燥均勻性方面，國內外學者進行了大量研究[13-15]，發現干燥裝備均勻性和物料均勻性是兩個主要影響因素。在微波干燥中，提高干燥均勻性主要通過改善微波腔中電磁場的均勻性和在干燥過程中改變物料位置兩種方式來改善微波能吸收的均勻性[16-17]。在熱風干燥中，主要通過優化干燥室內溫度場的方式來實現[18-20]。真空脈動干燥中的多層輻射加熱方式不同于微波干燥和熱風干燥，相關研究較少，僅有通過增加輻射間距改善單層干燥均勻性的報道[21]，并未解決多層整體干燥均勻性問題?，F有真空脈動干燥裝備中普遍采用的開關式加熱板溫度控制方式也無法滿足提高干燥均勻性的需求。為此，本文針對現有真空脈動干燥平臺，研究提高整體干燥均勻性的解決方案，并提出相應控制策略，以期為改善多層加熱干燥裝備均勻性提供借鑒。

1 真空脈動干燥裝置

基于輻射加熱的真空脈動干燥裝置[22]如圖1所示，主要由真空脈動系統(包括真空泵、循環水冷卻裝置、真空管路、干燥室)、加熱系統(主要包括料架、碳纖維加熱板和進氣預加熱裝置)和自動控制系統(包括人機界面、控制電路、傳感器等)3部分組成。加熱系統置于干燥室內部，共8層碳纖維紅外加熱板(尺寸300 mm×500 mm)，物料置于兩層加熱板之間，物料盤距上加熱板40 mm，距下加熱板25 mm[21]，加熱板以輻射方式從上、下兩個方向對物料進行加熱。最頂層加熱板上部和最底層加熱板下部分別安裝20 mm厚的隔熱板，以減小頂層加熱板熱量損失及加熱系統對干燥室內自動稱量系統的干擾。進氣預熱裝置直接與干燥室進氣口電磁閥相連，容積與干燥室容積相同，氣流通路為蛇形盤旋形式。

圖1 真空脈動干燥裝置Fig.1 Pulsed vacuum dryer 1.控制箱 2.人機界面(觸摸屏) 3.干燥室 4.料架 5.真空壓力傳感器 6.循環水箱 7.冷卻機 8.水環式真空泵 9.進抽氣口 10.進氣口氣流擋板 11.電磁閥 12.門 13.進氣預熱箱 14.觀察窗 15.隔熱板

2 干燥均勻性影響因素分析

農產物料的干燥過程是一個復雜、動態、不穩定、非線性的過程[23]，物料在干燥過程中時刻發生變化，干燥均勻性受到多重因素影響，對干燥環境和物料整體進行精確建模目前尚無完整解決方案，故無法直接基于理論模型進行分析驗證。

真空脈動干燥過程主要包括對物料進行加熱的輻射加熱過程和真空壓力周期性循環的脈動過程兩部分，裝備層面影響均勻性的主要因素包含輻射強度均勻性和脈動過程切換的流場影響兩部分。

針對輻射強度均勻性問題，國內外學者對紅外輻射加熱特性進行了大量研究[24-28]，提出了匹配吸收理論和非匹配吸收理論，發現薄層物料(如油漆涂層)紅外干燥適用于匹配吸收理論，而對于厚物料(如農產物料、木材等)則適用于非匹配吸收理論。真空脈動干燥中所使用的碳纖維紅外加熱板發熱溫度小于100℃，紅外波長范圍5～15 μm，有效避開了大部分農產物料的表面吸收區，輻射源輻射到物料的能量在不同深度幾乎被全部吸收。基于非匹配吸收理論，通過控制干燥環境中輻射強度均勻性可以提高物料干燥均勻性。

相比于其他紅外加熱方式，碳纖維紅外加熱板的均勻性已有很大提高，但仍無法保證工業化批量生產時紅外加熱板的功率以及表面溫度完全相同。圖2為碳纖維加熱板表面紅外溫度，由圖2可以看出加熱板表面存在2～6℃的溫度差異。測量1～8號加熱板電阻分別為406.5、386.3、389.7、395.4、410.8、392.0、394.6、400.6 Ω，均值為397.0 Ω。由測量結果發現不同加熱板電阻存在約5%的差異。面對以上差異，原有的加熱板溫度開關控制方式存在很大缺陷，會造成較大的輻射強度差異，影響整體干燥均勻性。

圖2 加熱板表面溫度Fig.2 Temperature map of heating plate

針對流場影響問題，真空脈動干燥不可避免地會產生氣流變化，該氣流變化對整體干燥均勻性的影響尚無相關研究。雖然脈動切換(抽氣和進氣)階段相對于真空階段和常壓階段時間短暫，但氣流流動迅速，對干燥室內加熱板和物料會產生一定沖擊，沖擊過程強烈，且難以測量和控制。因此，通過改善流場均勻性提高干燥均勻性的方式較難實現。

綜上所述，紅外加熱板的表面溫度差異和功率差異引起的輻射強度差異與流場影響是影響整體干燥均勻性的主要因素。在綜合考慮加熱板差異因素的基礎上設計一種加熱控制系統，使其能夠控制不同加熱板保持相同的輻射強度，在受到氣流沖擊干擾后能夠迅速恢復，減小氣流沖擊對均勻性的影響，實現提高整體干燥均勻性的目的。

3 控制系統設計

3.1 硬件系統設計

真空脈動干燥裝置中的碳纖維加熱板尺寸為300 mm×500 mm，額定電壓為AC220V，額定輻射功率1.1 kW/m2，采用晶閘管驅動。輻射功率的調整有調通斷比和調電壓兩種控制方式，分別對應晶閘管的過零觸發和隨機觸發兩個工作方式。過零觸發即在每一次交流電壓零點時刻觸發晶閘管導通，在純電阻電路中電壓與電流同步，過零觸發不會產生電弧和電源波紋干擾。隨機觸發則可以在一個交流周期的任意時刻觸發晶閘管導通，可以實現任意功率和電壓的調整，導通時刻改變了完整的正弦信號，引入高頻干擾，會導致電源產生波紋，影響系統穩定性。干燥室為全金屬密閉腔體，可視為法拉第籠，內部的強電信號會加劇對控制電路的影響。雖然隨機觸發方式可以更好地控制加熱板的輸入電壓，實現更精確的控制，但考慮到系統的穩定性，本文采用過零觸發方式設計控制電路。

干燥室內部環境惡劣并且與外界隔離，因此，控制電路的安裝方式應慎重考慮。若將控制電路安裝在干燥室外，傳感器連接線和加熱板控制線均需穿過干燥室的箱壁，穿墻線的數量隨加熱板數量的增加而增多，這既增加連接成本，又降低系統的可靠性，尤其在工程化應用中加熱板數量增加到100～200片時，穿墻布線將無法實現。若將控制電路安裝在干燥室內，則需耐受干燥室內高溫、高濕和真空等惡劣工況。考慮到工程化應用的需求，本文針對干燥室內部惡劣工況進行控制電路設計，使其能安裝在干燥室內部。

結合干燥室的實際工況，控制電路應能在溫度范圍20～100℃、相對濕度范圍0～100%、真空壓力3～101 kPa狀態下正常工作。為此，本文設計了強弱電分離控制方案，將整個控制電路分為弱電控制模塊和強電驅動模塊兩部分。雖然該方案增加了電路制作成本，但能減小電路中熱量聚集引起的局部過熱，又能減小強電部分對弱電電路的影響。硬件電路組成如圖3所示。

圖3 硬件電路組成結構框圖Fig.3 Block diagram of hardware circuit composition

溫度傳感器選用向日葵智能裝備有限公司生產的SFS125碳纖維加熱板專用測溫模塊，該模塊采用I2C總線協議，測量范圍0～125℃，識別測量精度0.125℃，利用導熱硅膠粘附在碳纖維加熱板表面，可以增大導熱面積減小響應時間。溫度傳感器實物圖與安裝位置如圖4所示，實際測量溫度為加熱板傳感器安裝點的溫度。

圖4 傳感器與粘貼位置實物圖Fig.4 Pictures of sensor and assembly position

控制模塊電路以Microchip公司的微控制器PIC16F1947-E/PT為核心，該芯片正常工作溫度為-40～125℃，包含I2C總線接口、URAT接口、A/D轉換和多個定時器，完全滿足加熱板控制需求。通信電路選用Maxim公司的MAX13442ESA轉換芯片將微控制器的UART接口信號轉換為RS485信號，采用菊花鏈方式與觸摸屏通信，方便安裝和擴展。

驅動模塊中晶閘管選用NXP公司的BT138B-800E型雙向可控硅晶閘管，并采用帶零點檢測電路的TLP168J型光耦隔離器將強弱電信號隔離，有效提高了系統穩定性。電路實物圖如圖5所示。

圖5 硬件電路實物圖Fig.5 Assemble pictures of hardware 1.驅動模塊 2.傳感器接口 3.控制模塊 4.傳感器連接線 5.電源和通信菊花鏈接口

3.2 軟件設計

3.2.1控制算法設計

控制算法的設計目標包括3部分：使加熱板溫度穩定在設定值；使所有加熱板的輻射強度相同，以保證各層物料的干燥速率一致；加熱板溫度在受到氣流干擾后能夠迅速恢復到設定值。為實現該控制目標，本文對經典PID控制算法進行改進。

PID算法在多層加熱控制中有兩種工作方式：各加熱板獨立控制，對每個加熱板都采用一個PID控制器，即獨立PID控制；所有加熱板整體控制，以全部加熱板的平均溫度為控制目標，采用同一個PID控制器使所有加熱板同時動作，即整體PID控制。由于加熱板表面溫度差異和不同加熱板阻值差異，此兩種工作方式在加熱板輻射強度均勻性控制方面均存在不足。

圖6 加熱板溫度直方圖Fig.6 Temperature histogram of heating plate

通過分析加熱板表面紅外溫度數據得到如圖6所示的溫度直方圖，由圖6發現加熱板表面溫度近似服從正態分布，說明在相同控制溫度下加熱板的實際輻射強度也應近似服從正態分布。以加熱板平均溫度為控制目標，將加熱板溫度中不服從正態分布的離群點進行獨立修正，對加熱板阻值差異采用功率修正系數調整實際輸出功率，來實現加熱板輻射強度均勻性控制，具體控制流程如圖7所示。

圖7 PID控制流程圖Fig.7 Overall PID control workflow based on outlier optimization

為避免初始階段積分飽和現象，采用積分分離PID控制方式。計算公式為

(1)

(2)

式中n——采樣序號

u(n)——第n次采樣時刻的系統輸出值

e(n)——第n次采樣時刻的偏差，℃

Kp——比例系數Ki——積分系數

Kd——微分系數

α1——積分分離下限值，℃

α2——積分分離上限值，℃

離群點檢測采用最大似然檢測方法[29]。最大化對數似然函數為

(3)

式中m——樣本總數μ——樣本均值

σ——樣本均方差

xi——第i個樣本點溫度，℃

式(3)中對μ和σ求導并對結果求解得到最大似然估計

(4)

(5)

由式(4)和式(5)可以求得各加熱板溫度分布的均值μ和均方差σ，若加熱板溫度在μ±3σ范圍外則認為是離群點。識別到離群點后，將離群點加熱板的控制策略由整體PID控制改為獨立PID控制，并取與整體PID相同的控制參數，以該加熱板溫度與設定溫度差異作為控制偏差對加熱板進行單獨調整，將其修正到μ±3σ范圍內。

針對加熱板阻值差異，對PID控制輸出結果進行功率修正，功率修正系數基于各加熱板電阻進行計算，計算方法為

(6)

式中k——功率修正系數

Rav——所有加熱板電阻平均值，Ω

R——待修正加熱板電阻，Ω

1～8號加熱板功率修正系數計算結果分別為：1.024、0.973、0.982、0.996、1.035、0.987、0.994、1.009。

3.2.2參數整定

物料在干燥過程中由于水分大量散失，物料狀態發生較大變化，系統狀態參數也隨之變化，若只用一個PID參數進行控制會造成控制精度下降。為此，本文對空載狀態和滿載狀態分別進行參數整定，在干燥過程中檢測到控制精度下降后進行參數轉換。PID參數整定過程包含3部分：空載條件下的參數整定、滿載條件下的參數整定、積分分離上下限整定。

PID參數采用手工整定法進行整定[30]，首先整定空載條件下的PID參數。令積分系數Ki=0，微分系數Kd=0，持續增大比例系數Kp，當Kp=550時系統開始出現持續振蕩，振蕩周期約為9 s。此時將Kp減小到275，并以275為中心上下調整Kp值，以期產生25%幅值衰減特性的階躍響應。當Kp=300時出現幅值在一個振蕩周期內下降到最大幅值的25%左右。取Kp=300，Ki=0，逐漸增大Kd值，隨著Kd值增大，超調量逐漸減小，調節時間逐漸減小，當Kd值增大到50以后系統又開始出現振蕩；取Kp=300，Kd=0，逐漸增大Ki，并觀察隨著Ki值增大，調節時間增加和超調量的變化情況。綜合考慮超調量和調節時間最終取Kp=300，Ki=32，Kd=1 000。滿載條件下的PID參數采用同樣的方法整定，得到參數為Kp=450，Ki=35，Kd=1 200。

積分分離上下限整定時發現積分飽和現象只出現在系統啟動時，在干燥過程中目標溫度調整范圍較小不會發生積分飽和。通過反復試驗發現，將積分分離上下限設置為10℃時可以避免積分飽和現象。

3.2.3微控制器和觸摸屏程序設計

微控制器在工作過程中主要作用是讀取傳感器溫度、響應觸摸屏指令和控制加熱板輸出。系統啟動后微控制器首先完成自檢和初始化，然后依次獲取各加熱板的溫度，并向觸摸屏上傳各溫度數據，在獲得觸摸屏發出的啟動指令和目標溫度后，按照設定工作模式控制加熱板工作。

觸摸屏程序包括監控界面和后臺宏指令程序。監控界面包括曲線顯示界面和加熱板工作參數設置界面兩部分，如圖8所示。加熱板控制宏指令程序包括設置參數讀取、與下位機通信、3種控制方式下的PID輸出運算等。

圖8 觸摸屏監控界面Fig.8 HMI monitoring interfaces

4 試驗驗證

4.1 材料與方法

4.1.1試驗材料

為避免物料因素(結構和含水率差異)對試驗結果的影響，采用自制的厚度為1 mm、直徑為33 mm的圓形面片作為試驗原料，面片初始濕基含水率(39.4±0.3)%。

4.1.2試驗安排與試驗儀器

為驗證離群點優化PID控制的控制效果，將離群點優化PID控制、獨立PID控制和整體PID控制3種控制方式進行對比。為驗證控制系統在不同進氣擾動下的控制效果，進氣擾動因素取進氣溫度為常溫20℃和高溫65℃進行試驗研究。為探究均勻性變化規律，在試驗過程中每2個脈動循環取出物料進行稱量。最后，對離群點優化PID控制在兩個進氣溫度下進行不稱量重復試驗。具體試驗安排如表1所示。

表1 試驗安排Tab.1 Experiment arrangement

試驗時將面片按6行12列方式均勻平鋪在料盤上(圖9)依次放入干燥室，每次試驗共7盤。工藝參數設置為：加熱板控制溫度65℃，真空時間5 min，常壓時間3 min，干燥至平均濕基含水率小于10%時結束。每次試驗結束后，將各料盤物料移至鋁盒中放入電熱鼓風干燥箱，在105℃條件下干燥至質量恒定，得到干物質質量[31]。

圖9 面片排盤示意圖Fig.9 Diagrammatic drawing of facets arrangement

試驗儀器：物料含水率使用DHG-9140A型電熱鼓風干燥箱(上海一恒科技有限公司)進行測量，干燥過程中物料質量使用JA31002型電子天平(量程3 100 g，精度0.01 g，上海舜宇恒平科學儀器有限公司)進行測量。

4.1.3參數計算方法

干燥過程中面片的含水率用干基含水率M來表示[6]，公式為

(7)

式中M0——物料干物質質量，g

Mt——干燥t時刻的物料質量，g

干燥均勻性采用含水率均勻度K進行評價。其中K值越接近100%均勻性越好，反之越差，公式[17]為

(8)

Δx——所有料盤面片干基含水率均方差

4.2 結果與分析

4.2.1不同PID控制算法下控制效果分析

獨立PID控制、整體PID控制和離群點優化PID控制3種控制方式下加熱板溫度和實際功率變化曲線分別如圖10～12所示。

由圖10a～12a可以發現，在3種控制方式下，各加熱板平均溫度均無超調現象，獨立PID控制調節時間約為180 s，整體PID控制和離群點優化整體PID控制調節時間約120 s，穩定后控制精度±0.8℃，PID參數調整前后控制精度無明顯變化。

由圖10可看出，獨立PID控制雖然可以保證各加熱板測量點溫度幾乎相同，但加熱板實際功率卻存在較大差異。由圖11可知，在整體PID控制時各加熱板實際功率相同，然而加熱板溫度卻存在明顯差異，其中8號加熱板出現離群現象。如圖12所示，離群點優化PID控制既可以實現各加熱板溫度維持在設定值附近，又使加熱板實際功率無明顯差異，并且在受到氣流沖擊干擾后加熱板溫度變化小于整體PID控制，各加熱板平均溫度能夠迅速恢復到設定值，加熱板輻射功率幾乎沒有受到影響，說明該控制算法可以控制不同加熱板維持相同的輻射強度，受到干擾后可以迅速恢復。

圖10 獨立PID控制下加熱板溫度和輻射功率 變化曲線Fig.10 Changing curves of temperature and actual power of heating plate controlled by independent PID

圖11 整體PID控制下加熱板溫度和輻射功率 變化曲線Fig.11 Changing curves of temperature and actual power of heating plate controlled by integral PID

圖12 離群點優化PID控制下加熱板溫度和輻射功率 變化曲線Fig.12 Changing curves of temperature and actual power of heating plate controlled by integral PID of outlier point optimization

圖13 不同進氣溫度和不同控制方式下面片干燥 過程均勻度變化曲線Fig.13 Uniformity changing curves of sheet drying process under different inlet temperature and different control modes

4.2.2不同控制方式和進氣溫度對干燥均勻性的影響

干燥過程中均勻度變化曲線如圖13(圖中橫坐標為以2為底的對數坐標)所示，由圖13可知，在不同進氣溫度下均勻度從大到小表現為離群點優化PID控制、獨立PID控制、整體PID控制，其中離群點優化PID控制的均勻性明顯好于其他兩種控制方式。

在兩種進氣溫度的進氣擾動下干燥均勻度呈現了不同的變化規律，在20℃進氣時的干燥均勻性優于65℃進氣，但在兩種進氣溫度擾動下離群點優化PID控制下的均勻性均優于其他控制方式。說明離群點優化PID控制可以提高整體干燥均勻性，在受到進氣干擾后仍然能維持較好的控制效果。

4.2.3不同進氣溫度干擾下離群點優化PID控制效果

進氣溫度為20℃時，干燥終了整體均勻度為96.4%，65℃時整體均勻度為95%。雖然進氣溫度變化對最終干燥均勻性產生了一定影響，但兩者的整體干燥均勻度均處于較優水平。

5 結論

(1)設計了過零觸發方式的加熱板控制電路，將強電部分和弱電部分獨立設計，減小干燥室內高溫、高濕惡劣環境的影響，采用菊花鏈連接方式方便擴展和安裝。

(2)將離群點檢測算法和積分分離PID控制算法相結合，可以有效解決加熱板表面溫度差異和加熱板電阻值差異引起的輻射強度不均勻問題，并能降低氣流沖擊干擾對均勻性的影響，面片干燥均勻度由90%左右提高到95%以上，整體干燥均勻性的提高為真空脈動干燥裝備大型化發展和智能控制奠定了基礎。