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储粮通风控制与仿真
来源:北京联合大学城市轨道交通与物流学院,北京 100101    作者: 阅读:82116 日期:2020-12-21

摘要:粮食储藏涉及国计民生,对于保障粮食安全具有重要意义。机械通风是保障储粮安全的关键技术之一,但是控制不当往往会造成储粮损失。本文采用传热传质机理模型,对储粮通风控制方法进行研究,构建多目标目标函数,针对通风速率、能耗和总体最优三个目标分别记性仿真验证。结果表明,提出的通风控制优化方法,能够分别达到加速储粮通风进程,节省能耗,达到总体最优的目的。

关键词:储粮,机械通风,控制,优化

1. 前言

粮食储藏在我国是一个涉及国计民生、发挥着基础作用的行业。截至2018年全国共有标准粮食仓房仓容6.7亿吨,简易仓容2.4亿吨。受疫情、蝗灾和各种自然灾害影响,粮食安全形势严峻。据报道,我国2020年小麦主产区收购量较去年减少938万吨。储粮是保障国家粮食安全的坚强后盾,这也必将凸显安全储粮技术的重要性。储粮机械通风技术作为一种绿色储粮技术,能够有效调控粮食温度与水分,改善储粮环境,从而保障储粮品质、预防霉变与虫害等。因此该技术被各个粮食仓储企业所广泛采用[1-3]。储粮机械通风过程是一个多因素耦合作用的复杂过程,如果控制不当往往会影响粮食品质与质量,甚至是安全,造成经济损失[4-5]。储粮通风优化控制研究对于优化通风过程具有重要意义。

本文在储粮通风传热传质机理模型的基础上,提出一种多目标优化控制方法,并从通风时间、能耗、和总体最优几个角度进行仿真验证。

2. 储粮机械通风机理与模型

储粮机械通风过程中,空气流经粮食的表面,两者通过对流传热传质,使得粮食温度与水分发生变化。由于粮堆具有一定厚度,会出现湿热参数分布的分层现象。综合来看通风过程当中的粮堆是一个复杂的系统,机械通风可以克服各种粮堆内部微环境的相互作用,最终实现通风的目的。

依据传热传质原理,可以建立适当的储粮模型来模拟通风过程。常见的一种模型为基于连续介质假设的非平衡动力学模型,建立控制单元内关于粮食、通风介质的质量、能量平衡的四个偏微分方程,如公式(1)-(4)所示[6]:

3. 多目标优化控制方法

(1)控制目标

粮仓内的温度在同年的冬季和夏季有巨大差异,在夏季可能高达35℃,这促使仓储小麦含有的多种酶的活性变强,代谢消耗升高,使得小麦活性被唤醒,但是对于种用需求在数年后的仓储小麦来说是不利的。低温储藏控制仓储粮的温度,保障储粮品质,但控制温度如低于实际需要,难免会造成能量损耗。现有的一个合理储存温湿度从小麦发芽及使用脂肪酸值的品质指标出发,研究了温度及储存时间对小麦品质的影响,温度越高小麦脂肪酸值变化就越快[7]。在其关于发芽率的实验组中用储存温度区分不同,小麦的发育率随时间增加而下降,但是5℃低温下发芽率的下降不易观察,温度越高的实验组发芽率的下降就越剧烈。最终分析结果认为小麦种子在15℃及以下的条件下即可到达低温储藏的目的。

水分是储粮通风控制的重要目标,一直是仓储研究的课题,关于在储存过程中粮食的水分应保持在何种程度可以避免因遇上高温时发热,生虫,粮间水分子阻碍空气流动引起散热不畅,发霉变质,姜洪等学者在对山东五个重要粮库开展跟踪试验测后,对几个数据指标类型进行了相关性分析,总结出小麦的储存安全水分不应超过13% [8]。 

(2)控制结构

储粮通风多目标优化控制方法的控制结构如图1所示。执行机构用于模拟粮食在温度湿度和风速三种属性入风相互作用结果,储粮为被控对象,其温湿度作被控量,相应控制结构图如下所示。使用Matlab软件仿真模拟控制被控对象,即储粮。其中的储粮是一个独立的系统,输入为风的三个属性可表示通风。控制变量通过对最优控制的目标函数优化得到。本控制策略在给出温湿度目标之后会自动控制通风,一次通风的结果反馈给最优控制并根据一定入风条件组合多次循环判断最优,传递给执行机构,停止条件为当前粮食温湿达到给定目标。

1 控制结构图

2.3控制目标函数

下边依次列出了通风时间最快、能耗最省、总体最优的目标函数。且各公式中包含的协同关系按照给出的式子进行归一化处理,使得每种协同关系取值在一定的范围符合多变量协同的需要,详细如下:

 

4. 控制方法实现与仿真

(1)控制策略编程实现

使用Matlab软件进行编程,前文中提到的公式将转化成Matlab软件适用的语言来概括,为此仿真对象的通风模型需要与控制策略的控制模型分开,前者读取输入的温度、湿度和风速这三个变量并将计算结果输出到控制模型。在控制模型中目标函数使用while循环,在通风条件组合之间进行比较,将一组符合协同要求的通风条件组合传递给通风模型。所有循环中记录下关键的计算结果,当到达通风目标后同时输出结果和绘制变化曲线。

(2)目标函数入风条件基本组合

需要确定出适当的条件变化范围和变化步长,使得仿真的计算时间在合理的范围内有利于进行更多的修正机会。依据上面的参数设施,入风温度按照整数变化,相对湿度保持,入风风速有三种变化。最终设定了入风条件组合,供目标函数做优化选择,使用循环语句在量化的通风过程开始前进行判断。

(3)仿真结果与分析   

1)仿真结果

针对高水分储粮展开通风研究,粮食对象为小麦。设置粮食初始水分为20.5 %,初始温度20℃的。仿真结果如图2~4所示。

图2.时间最快目标粮食水分与温度变化

 

图3.能耗最省目标粮食水分与温度变化

 

图4 总体最优目标粮食水分变化

2)仿真结论与分析

根据仿真结果,时间最快函数耗时1832min,能量消耗为76583kJ;能耗最省函数耗时2156min,能量消耗为48251kJ;总体最优函数耗时2052min,能量消耗为43442kJ。

通风过程中,基于三种不同优化目标其进程不同。时间最快函数耗时是最快的但是能量消耗最大,通风过程中首先使用实验允许的40℃高温空气通风,最快使顶层的粮食水分降至19%及以下;能耗最省函数同样用了33℃较高温空气通风,当水分降至19℃时采用20℃也就是室温通风,能够节省能耗,当水分降至13.23%及以下后迅速采用和时间最短函数相同的10℃低温空气来降温。总体最优函数综合了以上两种函数的特点,因此在优先干燥的时候使用的温度是介于40℃和33℃之间的36、35℃,最高层水分降至19℃后,使用能耗最省函数的方式继续降温降水更优。

5. 结论

本文从储粮通风传热传质原理构建小麦通风仿真模型,得到了多变量系统控制参数,使用多目标优化思想设置目标函数包含时间、能耗、总体优化的控制策略。最后利用Matlab软件进行仿真,验证策略可行性。本文得到结论:(1)通风温度对于通风干燥影响较大,粮食仓库的通风设备还应当包含加热器,风机需具备一定的风速能力,如粮食温度或水分过高将处于危险状态,通风则不计成本代价进行。(2)总体优化控制适当的利用一些通风时间换取更多能耗损失的降低,具有产生经济效益的意义。

本文得到北京联合大学“启明星”大学生科技创新项目(202011417XJ097)的资助。

参考文献

[1] 杨国峰,江燮云. 储粮机械通风中若干问题的探讨. 食品科学,2008,29(8):659-662. 

[2] 黄亚伟,任芳,王若兰,胡玉兰. 储粮保水通风技术研究进展. 粮食与油脂,2019,32 (10):1-3.

[3] 王远成,吴子丹,魏雷,俞晓静. 储粮生态系统热湿调控机理及在就仓机械通风中的应用. 中国粮油学报,2019,34 (12):71-77.

[4] Karunakaran C., Muir W.E., Jayas D.S., White N.D.G., D. Abramson. Safe storage time of high moisture wheat. Journal of Stored Products Research, 2001, 37: 303-312.

[5] Browning C. W., Donald B. Brooker, Robert M. George and Browning C. E. Batch-in-bin drying by alternating heated and unheated Air. Transactions of the ASAE, 1971, 193-194.

[6] guaz A., Arroquil C., Esnoz A., Vírseda P. Modeling and simulation of heat transfer in stored rough rice with aeration. Biosystems Engineering, 2004, 89(1): 69-77.

[7] 万忠民,吴琳.不同储藏温度下小麦的品质劣变[J].粮油食品科技,2005(06):6-7.

[8] 姜洪,吕平原,任凌云,赵莹,周建征,刘军,王秀兵,武丽华,吴真真,朱孟庭,姜建枝,李广明,董小荣,李维克,徐留安.山东省小麦、稻谷、玉米实仓试验与储粮安全水分的探讨[J].粮食储藏,2017,46(04):40-44.



【基金资助】本文获得北京联合大学“启明星”大学生科技创新项目(202011417XJ097)资助。

[*]通讯作者:刘景云,博士,讲师,研究方向:智能检测与控制系统

 

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