基于模糊控制技術的谷物干燥控制系統研究與設計

摘 要： 谷物干燥處理是糧食存儲和農產品加工中一個既重要又復雜的過程。由于該過程受諸多不確定因素的影響，因此實現精準控制意義重大。介紹一種基于模糊控制技術的谷物干燥控制系統，從系統原理、結構設計、參數選擇等方面進行論述，通過對谷倉內溫度、濕度兩個參數的調節評價模糊控制技術運行的穩定性和可靠性，取得理想的結果，為該技術的開發與推廣打下良好的基礎。

關鍵詞：模糊控制；谷物干燥；控制系統

中圖分類號：S24 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）11-0107-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.202411316

0 引言

谷物儲藏的安全問題一直是一個復雜而又重要的問題，如何設計一個谷物監控系統來實時監控谷物的溫濕度，并能及時對異常情況做出迅速地反映，這些都是需要深入研究的問題[1-2]。

我國的糧食儲存技術采用傳統谷物干燥系統還較多，從儲藏環境和管理制度等方面主要是借助于人工管理來實現，由此帶來的谷物儲藏的安全問題較多[3]。谷物管理的重點是要時刻監測谷物的溫濕度，只有溫濕度達到合適的水平，谷物才能夠長時間儲存。如果谷物管理自動化水平不高，就需要人工經常進入谷倉內檢查谷物的溫濕度，這樣的管理方式會消耗大量的人力、物力，同時對人的身體也會造成一定的影響，并使谷物發生變質的幾率大大升高[4-5]。因此，為了提高谷物干燥水平，開展以智能化控制為目標的研究勢在必行[6]。

常規的計算機控制系統，大多是處理一些精確參數，每個參數通過計算機轉換為代碼語言，經計算機處理后又輸出給系統一個精確結果去調節系統。而現代自動控制系統大多具有多變量、非線性等特點，系統較為復雜，常規控制系統很難正確描述其動態過程，也就很難達到精準控制的目的。模糊控制技術主要是建立在人工經驗的基礎上，采用模糊控制器來巧妙地控制一個復雜系統的生產過程，其本質是利用計算機來實現人工控制的經驗[7]。這些經驗在現實中通常具有一定的模糊性，如稍高、較小、偏大和過低等。因此，模糊控制器的輸入和輸出不是精確的數值，而是模糊集合，這使得模糊控制具有更強的魯棒性和適應性，更適用于復雜系統。

模糊控制的原理是把精確的控制參數模糊化，通過模糊規則表進行模糊推理得出輸出變量的模糊集合，最后再去模糊化輸出精確變量以控制系統，使復雜、動態的系統達到穩定的控制狀態。

目前，我國傳統的谷物干燥控制單憑傳統的儀器儀表和手工操作的方式是不能達到智能化，本項目在傳統谷物干燥系統的基礎上，將傳感器技術、計算機技術和模糊控制技術等有機結合，提出了基于模糊控制技術的谷物干燥控制系統設計[8-9]。谷物干燥技術主要是去除谷物中的大量水分，以達到能夠長時間儲存的目的。因此，影響谷物干燥的主要因素是谷倉內的溫度、濕度及谷倉的通風條件，但這些條件綜合在一起，形成了一個動態的控制過程，往往不容易建立精確的數學模型[10-11]。而模糊控制技術正是利用了模糊推理等理論來控制復雜的動態系統，屬于智能控制的范疇，將模糊控制技術應用于谷物干燥過程，對提高我國谷物干燥系統的發展水平有著重大的意義[12]。

1 谷物干燥控制系統

1.1 整體設計

本研究針對谷物干燥過程中測控精度不達標、溫度不均勻、影響品質等生產實際問題，通過理論分析設計了基于模糊控制技術的谷物干燥控制系統。通過模糊數學把谷物所處復雜環境定量化，即將其轉化為模糊控制算法，以代替人工經驗，從而實現谷物干燥控制系統的智能化管理。

研究對象是谷物干燥控制系統，主要進行模糊控制系統設計、控制系統硬件設計和控制系統軟件設計3 個方面的研究。通過對這3 個部分的研究結果最終實現谷物干燥的智能化控制，以達到實現“智慧農業”的目的。谷物干燥控制系統整體設計如圖1 所示。

1.2 模糊控制系統設計

模糊控制系統是一個負反饋控制系統，最終能夠達到自動調節參數的目的。主要由數據采集（A/D 及D/A 轉換器、傳感變送器等）、模糊控制器、執行機構和被控對象等部分組成，其系統組成框圖如圖2 所示。

1.2.1 模糊控制器

模糊控制器由計算機實現，是模糊控制系統的核心單元，控制算法通過計算機軟件和硬件實現。本系統采用國產宏晶公司生產的STC89C52 單片機作為模糊控制系統的核心器件。程序設計語言采用匯編語言。

1.2.2 A/D 轉換和D/A 轉換

考慮到計算機只能接收數字信號， 因此選用A/D（實現模擬量到數字量的轉換）和D/A（實現數字量到模擬量的轉換）轉換器實現采集數據導入計算機或數據從計算機的輸出。本系統采用普通的ADC0809大規模集成電路芯片。

1.2.3 執行機構

執行機構依據控制系統的輸出去調節被控對象采取相應的措施，如對谷倉內環境進行加熱或通風等。本系統執行機構主要有烘干機、鼓風機等。烘干機可以提供熱量以加熱谷物，加熱方式可以是燃氣的或電熱的[13]；鼓風機主要是將熱空氣通入谷倉以吸收熱量進行干燥。

1.2.4 被控對象

谷物干燥過程本身就是一個受多種因素影響的復雜過程，被控對象具有多變量、非線性、有滯后和易受干擾等特點，數學模型難以精準描述該過程，而目前普遍采用模糊控制作為解決方案。根據谷物干燥過程中各種因素的影響程度，本系統選擇溫度和濕度兩個關鍵因素作為被控對象。

1.2.5 檢測裝置

本系統檢測裝置主要指溫度傳感器和濕度傳感器，兩者的作用是把谷倉里的非電量（溫度和濕度）信號采集出來，經過穩壓、濾波和放大等環節轉換為便于測量的電壓或電流信號。通常，對檢測裝置的精度和穩定性等要求較高。

1.3 谷物干燥控制系統硬件設計

硬件電路包括信號檢測部分 （即溫濕度傳感器）、信號調理、A/D 轉換部分、單片機、D/A 轉換部分和執行機構等8 部分組成。其中，監測和控制的都是谷物的表面溫度和濕度值，通過多個溫度和濕度傳感器對谷倉內不同位置谷物的溫度和濕度進行測量，并將測量信號進行穩壓、濾波和放大等環節的處理后，通過A/D 轉換器將模擬量轉換為數字量送給單片機進行模糊控制算法分析處理，并由顯示電路進行顯示，之后又把單片機處理之后的數字量通過數模轉換器轉換為模擬量，并發出命令給執行機構，即由暖風機或加溫器等設備對谷倉內的溫度和濕度值進行合理的調控。控制系統硬件結構框圖如圖3 所示。

1.4 谷物干燥控制系統軟件設計

本系統的核心是軟件，軟件的任務有系統參數檢測和數據信息管理兩個方面。具體包括系統參數設定；數據信息的采集、存儲和處理；信息輸出等功能。控制系統軟件結構框圖如圖4 所示。

單片機語言方面，主要有匯編語言、C 語言和BASIC 語言等。本系統的編程語言采用匯編語言，主要是因為其能夠直接操作單片機的寄存器和內存，使用時編程效率高、執行速度快、使用靈活方便。

軟件系統流程包括單片機的初始化、數據采集子程序、模糊處理子程序及顯示和打印子程序等。軟件系統啟動后，首先要對單片機和模數轉換器等設備進行初始化，接下來進行各個數據的采集、處理、存儲、顯示及打印等，最后輸出控制系統的輸出信號，完成整個軟件流程。控制系統軟件流程如圖5 所示。

1.5 模糊控制器設計

模糊控制器不需要精確的數學模型即可對非線性系統進行精確控制，處理過程分為模糊化、模糊推理和去模糊化3 個部分。本系統主要針對溫度和濕度兩個參數進行模糊控制，即溫度和濕度作為系統的兩個輸入變量。模糊控制器的首要工作是對此兩個變量進行模糊化處理，也就是首先將溫度、濕度兩個輸入信號的精確量進行模糊化處理，后續通過模糊規則表進行模糊推理并輸出，而最終執行機構只能接收精確的輸出信號，因此還要將輸出的模糊量去模糊化以得到精確的輸出指令。

以谷倉內溫度為例，選擇溫度偏差e、偏差變化率Ec 和輸出控制量U 作為系統參數。溫度偏差e 的變化范圍[?60， 60 ]°C，對溫度的精確數值進行模糊化，設定其量化范圍{?6， +6}；模糊化等級分為7 級，分別為NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、ZO （零）、PS （正小）、PM（正中）和PB（正大）[14]。根據谷倉內的溫度變化特性，制定模糊規則，如當溫度偏差較大時，為將溫度快速降低到設定值，則溫度誤差量化因子要取較大值；反之，當溫度偏差較小時，溫度誤差量化因子要取較小值。因此，制定合適的模糊控制規則是設計模糊控制器的關鍵。而通過模糊推理，得到的輸出也是一個模糊集合，所以還要進行去模糊化得到一個精確的輸出值去驅動執行機構開啟或關閉相關設備，以使谷倉內溫度保持合適。

根據以上過程，模糊控制器結構組成如圖6 所示。

2 監測結果分析

干燥控制系統對谷倉內溫度、濕度的控制曲線如圖7 所示。倉內起始溫度和濕度分別為3.6 °C 和43%，溫度、濕度期望值分別設定為50 °C 和20%。由圖7 可知，倉內溫度經歷了升高?降低?穩定的變化過程，而濕度則經歷兩次上升?兩次下降?穩定的變化過程。還發現，溫度、濕度達到預期設定值的時間分別為28 和36 min。有研究也得出了類似的結論，束仁冬等[14] 通過試驗發現，溫度、濕度達到預期值的時間分別為29和 35 min。上述結果說明了本研究結果的可靠性，也說明了該模糊控制系統實現了干燥過程中對溫度和濕度兩個參數的控制，也證明模糊控制系統具有響應速度迅速、超調量小、穩定時間長及良好的穩態性能等特點。

3 結束語

本研究對基于模糊控制技術的谷物干燥控制系統進行了研究，結果表明：①控制系統具有較好的運行可行性、精度可靠性及操控便捷性；②改善了谷倉內的溫濕度環境，谷物干燥水平進一步提高；③提高了系統的自動化水平；④降低了系統能耗，提高了效率。

糧食安全問題受到越來越多的關注，未來針對糧食存儲的安全性、穩定性和可靠性會提出更高的要求。后續可以從以下3 個方面進行深入研究：以研發出更加高效、更加節能、更加環保的干燥設備為目標，研發和創新糧食干燥設備；以提高干燥效率和干燥質量為目標，推廣應用新干燥技術，如微波干燥[15]、熱泵干燥[16-17]、紅外線干燥[18]、電磁干燥[19] 等；以實現智能化控制為目標，引入和優化智能管控系統[20]。

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基金項目： 楊凌職業技術學院2020 年自然科學基金項目（ZK20-45）

基金項目： 楊凌職業技術學院2020 年自然科學基金項目（ZK20-45）