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關(guān)鍵詞：儲(chǔ)糧，機(jī)械通風(fēng)，控制，優(yōu)化

1. 前言

糧食儲(chǔ)藏在我國(guó)是一個(gè)涉及國(guó)計(jì)民生、發(fā)揮著基礎(chǔ)作用的行業(yè)。截至2018年全國(guó)共有標(biāo)準(zhǔn)糧食倉(cāng)房倉(cāng)容6.7億噸，簡(jiǎn)易倉(cāng)容2.4億噸。受疫情、蝗災(zāi)和各種自然災(zāi)害影響，糧食安全形勢(shì)嚴(yán)峻。據(jù)報(bào)道，我國(guó)2020年小麥主產(chǎn)區(qū)收購(gòu)量較去年減少938萬(wàn)噸。儲(chǔ)糧是保障國(guó)家糧食安全的堅(jiān)強(qiáng)后盾，這也必將凸顯安全儲(chǔ)糧技術(shù)的重要性。儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)作為一種綠色儲(chǔ)糧技術(shù)，能夠有效調(diào)控糧食溫度與水分，改善儲(chǔ)糧環(huán)境，從而保障儲(chǔ)糧品質(zhì)、預(yù)防霉變與蟲(chóng)害等。因此該技術(shù)被各個(gè)糧食倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)所廣泛采用[1-3]。儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)過(guò)程是一個(gè)多因素耦合作用的復(fù)雜過(guò)程，如果控制不當(dāng)往往會(huì)影響糧食品質(zhì)與質(zhì)量，甚至是安全，造成經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。儲(chǔ)糧通風(fēng)優(yōu)化控制研究對(duì)于優(yōu)化通風(fēng)過(guò)程具有重要意義。

本文在儲(chǔ)糧通風(fēng)傳熱傳質(zhì)機(jī)理模型的基礎(chǔ)上，提出一種多目標(biāo)優(yōu)化控制方法，并從通風(fēng)時(shí)間、能耗、和總體最優(yōu)幾個(gè)角度進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2. 儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)機(jī)理與模型

儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)過(guò)程中，空氣流經(jīng)糧食的表面，兩者通過(guò)對(duì)流傳熱傳質(zhì)，使得糧食溫度與水分發(fā)生變化。由于糧堆具有一定厚度，會(huì)出現(xiàn)濕熱參數(shù)分布的分層現(xiàn)象。綜合來(lái)看通風(fēng)過(guò)程當(dāng)中的糧堆是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，機(jī)械通風(fēng)可以克服各種糧堆內(nèi)部微環(huán)境的相互作用，最終實(shí)現(xiàn)通風(fēng)的目的。

依據(jù)傳熱傳質(zhì)原理，可以建立適當(dāng)?shù)膬?chǔ)糧模型來(lái)模擬通風(fēng)過(guò)程。常見(jiàn)的一種模型為基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的非平衡動(dòng)力學(xué)模型，建立控制單元內(nèi)關(guān)于糧食、通風(fēng)介質(zhì)的質(zhì)量、能量平衡的四個(gè)偏微分方程，如公式（1）-（4）所示[6]：

3. 多目標(biāo)優(yōu)化控制方法

（1）控制目標(biāo)

糧倉(cāng)內(nèi)的溫度在同年的冬季和夏季有巨大差異，在夏季可能高達(dá)35℃，這促使倉(cāng)儲(chǔ)小麥含有的多種酶的活性變強(qiáng)，代謝消耗升高，使得小麥活性被喚醒，但是對(duì)于種用需求在數(shù)年后的倉(cāng)儲(chǔ)小麥來(lái)說(shuō)是不利的。低溫儲(chǔ)藏控制倉(cāng)儲(chǔ)糧的溫度，保障儲(chǔ)糧品質(zhì)，但控制溫度如低于實(shí)際需要，難免會(huì)造成能量損耗?，F(xiàn)有的一個(gè)合理儲(chǔ)存溫濕度從小麥發(fā)芽及使用脂肪酸值的品質(zhì)指標(biāo)出發(fā)，研究了溫度及儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)小麥品質(zhì)的影響，溫度越高小麥脂肪酸值變化就越快[7]。在其關(guān)于發(fā)芽率的實(shí)驗(yàn)組中用儲(chǔ)存溫度區(qū)分不同，小麥的發(fā)育率隨時(shí)間增加而下降，但是5℃低溫下發(fā)芽率的下降不易觀察，溫度越高的實(shí)驗(yàn)組發(fā)芽率的下降就越劇烈。最終分析結(jié)果認(rèn)為小麥種子在15℃及以下的條件下即可到達(dá)低溫儲(chǔ)藏的目的。

水分是儲(chǔ)糧通風(fēng)控制的重要目標(biāo)，一直是倉(cāng)儲(chǔ)研究的課題，關(guān)于在儲(chǔ)存過(guò)程中糧食的水分應(yīng)保持在何種程度可以避免因遇上高溫時(shí)發(fā)熱，生蟲(chóng)，糧間水分子阻礙空氣流動(dòng)引起散熱不暢，發(fā)霉變質(zhì)，姜洪等學(xué)者在對(duì)山東五個(gè)重要糧庫(kù)開(kāi)展跟蹤試驗(yàn)測(cè)后，對(duì)幾個(gè)數(shù)據(jù)指標(biāo)類(lèi)型進(jìn)行了相關(guān)性分析，總結(jié)出小麥的儲(chǔ)存安全水分不應(yīng)超過(guò)13% [8]。 

（2）控制結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)糧通風(fēng)多目標(biāo)優(yōu)化控制方法的控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于模擬糧食在溫度濕度和風(fēng)速三種屬性入風(fēng)相互作用結(jié)果，儲(chǔ)糧為被控對(duì)象，其溫濕度作被控量，相應(yīng)控制結(jié)構(gòu)圖如下所示。使用Matlab軟件仿真模擬控制被控對(duì)象，即儲(chǔ)糧。其中的儲(chǔ)糧是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，輸入為風(fēng)的三個(gè)屬性可表示通風(fēng)。控制變量通過(guò)對(duì)最優(yōu)控制的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化得到。本控制策略在給出溫濕度目標(biāo)之后會(huì)自動(dòng)控制通風(fēng)，一次通風(fēng)的結(jié)果反饋給最優(yōu)控制并根據(jù)一定入風(fēng)條件組合多次循環(huán)判斷最優(yōu)，傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，停止條件為當(dāng)前糧食溫濕達(dá)到給定目標(biāo)。

圖1 控制結(jié)構(gòu)圖

2.3控制目標(biāo)函數(shù)

下邊依次列出了通風(fēng)時(shí)間最快、能耗最省、總體最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)。且各公式中包含的協(xié)同關(guān)系按照給出的式子進(jìn)行歸一化處理，使得每種協(xié)同關(guān)系取值在一定的范圍符合多變量協(xié)同的需要，詳細(xì)如下：

4. 控制方法實(shí)現(xiàn)與仿真

（1）控制策略編程實(shí)現(xiàn)

使用Matlab軟件進(jìn)行編程，前文中提到的公式將轉(zhuǎn)化成Matlab軟件適用的語(yǔ)言來(lái)概括，為此仿真對(duì)象的通風(fēng)模型需要與控制策略的控制模型分開(kāi)，前者讀取輸入的溫度、濕度和風(fēng)速這三個(gè)變量并將計(jì)算結(jié)果輸出到控制模型。在控制模型中目標(biāo)函數(shù)使用while循環(huán)，在通風(fēng)條件組合之間進(jìn)行比較，將一組符合協(xié)同要求的通風(fēng)條件組合傳遞給通風(fēng)模型。所有循環(huán)中記錄下關(guān)鍵的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)?shù)竭_(dá)通風(fēng)目標(biāo)后同時(shí)輸出結(jié)果和繪制變化曲線。

（2）目標(biāo)函數(shù)入風(fēng)條件基本組合

需要確定出適當(dāng)?shù)臈l件變化范圍和變化步長(zhǎng)，使得仿真的計(jì)算時(shí)間在合理的范圍內(nèi)有利于進(jìn)行更多的修正機(jī)會(huì)。依據(jù)上面的參數(shù)設(shè)施，入風(fēng)溫度按照整數(shù)變化，相對(duì)濕度保持，入風(fēng)風(fēng)速有三種變化。最終設(shè)定了入風(fēng)條件組合，供目標(biāo)函數(shù)做優(yōu)化選擇，使用循環(huán)語(yǔ)句在量化的通風(fēng)過(guò)程開(kāi)始前進(jìn)行判斷。

（3）仿真結(jié)果與分析   

1）仿真結(jié)果

針對(duì)高水分儲(chǔ)糧展開(kāi)通風(fēng)研究，糧食對(duì)象為小麥。設(shè)置糧食初始水分為20.5 %，初始溫度20℃的。仿真結(jié)果如圖2~4所示。

圖2.時(shí)間最快目標(biāo)糧食水分與溫度變化

圖3.能耗最省目標(biāo)糧食水分與溫度變化

圖4 總體最優(yōu)目標(biāo)糧食水分變化

2）仿真結(jié)論與分析

根據(jù)仿真結(jié)果，時(shí)間最快函數(shù)耗時(shí)1832min，能量消耗為76583kJ；能耗最省函數(shù)耗時(shí)2156min，能量消耗為48251kJ；總體最優(yōu)函數(shù)耗時(shí)2052min，能量消耗為43442kJ。

通風(fēng)過(guò)程中，基于三種不同優(yōu)化目標(biāo)其進(jìn)程不同。時(shí)間最快函數(shù)耗時(shí)是最快的但是能量消耗最大，通風(fēng)過(guò)程中首先使用實(shí)驗(yàn)允許的40℃高溫空氣通風(fēng)，最快使頂層的糧食水分降至19%及以下；能耗最省函數(shù)同樣用了33℃較高溫空氣通風(fēng)，當(dāng)水分降至19℃時(shí)采用20℃也就是室溫通風(fēng)，能夠節(jié)省能耗，當(dāng)水分降至13.23%及以下后迅速采用和時(shí)間最短函數(shù)相同的10℃低溫空氣來(lái)降溫?？傮w最優(yōu)函數(shù)綜合了以上兩種函數(shù)的特點(diǎn)，因此在優(yōu)先干燥的時(shí)候使用的溫度是介于40℃和33℃之間的36、35℃，最高層水分降至19℃后，使用能耗最省函數(shù)的方式繼續(xù)降溫降水更優(yōu)。

5. 結(jié)論

本文從儲(chǔ)糧通風(fēng)傳熱傳質(zhì)原理構(gòu)建小麥通風(fēng)仿真模型，得到了多變量系統(tǒng)控制參數(shù)，使用多目標(biāo)優(yōu)化思想設(shè)置目標(biāo)函數(shù)包含時(shí)間、能耗、總體優(yōu)化的控制策略。最后利用Matlab軟件進(jìn)行仿真，驗(yàn)證策略可行性。本文得到結(jié)論：（1）通風(fēng)溫度對(duì)于通風(fēng)干燥影響較大，糧食倉(cāng)庫(kù)的通風(fēng)設(shè)備還應(yīng)當(dāng)包含加熱器，風(fēng)機(jī)需具備一定的風(fēng)速能力，如糧食溫度或水分過(guò)高將處于危險(xiǎn)狀態(tài)，通風(fēng)則不計(jì)成本代價(jià)進(jìn)行。（2）總體優(yōu)化控制適當(dāng)?shù)睦靡恍┩L(fēng)時(shí)間換取更多能耗損失的降低，具有產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的意義。

本文得到北京聯(lián)合大學(xué)“啟明星”大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（202011417XJ097）的資助。

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