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，设计一种农作物烘干机恒温控制系统。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。通过系统仿真应用，设计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;模糊 PID;Smith 预估器
农作物种子等一些物料对烘干过程有较高的温度控制要求，一般要求烘干温度恒定在一个温度范围之内，既不损坏农作物种子的生物活性，又能实现稳定、高效的烘干过程。针对这一实际需求，采用模糊 PID 和改进的 Smith 预估控制算法，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。
1 现有农作物烘干机控制系统存在的问题分析
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，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 [1] 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 [2] 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℃。
2 史密斯预估器的参数自整定模糊 PID 控制系统设计
采用一阶近似法对被控对象的数学模型进行求解。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 7445mm× 宽 3400mm× 高 1847mm，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：
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，实验时环境的温度值为 30℃。
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根据上述所求系统的传递函数，将 PID 控制算法的实用性与模糊控制算法的智能性相结合，实现优势互补，研究一种参数自整定模糊 PID 控制器对烘干房温度控制系统进行控制。系统包括一个常规 PID 控制器和一个模糊推理的参数校正部分。偏差 E 和偏差的变化率 EC 作为模糊系统的输入，三个 PID 参数 Kp、Ki 和 Kd 的变化值作为输出，根据事先确定好的模糊控制规则作出模糊推理的参数校正，在线改变 PID 参数的值，从而实现 PID 参数的自整定。
3 控制系统仿真研究
烘干房预设温度值为 80℃，假设烘干房在正常环境下温度达到 30℃，仿真响应曲线如图 1 所示 [3] ：
通过图 1 的仿真响应曲线图可以看出：黄色曲线为带有史密斯预估器的齐格勒—尼柯尔斯参数整定纯 PID 控制系统响应曲线，易产生振荡，超调量较大;蓝色曲线为模糊控制曲线，虽可以减少系统的振荡，但出现了稳态误差，且稳态误差较大;红色曲线为模糊 PID 控制曲线，克服了纯 PID 控制和模糊控制的缺点，实现了系统调节时间短、超调量小，稳态误差小的理想性能指标。可以有效避免烘干过程中过热或者供热不足的情况，提高了烘干效率。
4 结束语
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 PID 控制及模糊控制有更好的控制效果，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。——论文作者：刘新平
参考文献：
[1] 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.
[2] 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.
[3] 郝鹏飞. 时滞系统Fuzzy-Smith 控制的仿真研究[J]. 陕西科技大学学报,2008,5(26):84-87.
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