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關鍵詞：儲糧，機械通風，控制，優(yōu)化

1. 前言

糧食儲藏在我國是一個涉及國計民生、發(fā)揮著基礎作用的行業(yè)。截至2018年全國共有標準糧食倉房倉容6.7億噸，簡易倉容2.4億噸。受疫情、蝗災和各種自然災害影響，糧食安全形勢嚴峻。據(jù)報道，我國2020年小麥主產(chǎn)區(qū)收購量較去年減少938萬噸。儲糧是保障國家糧食安全的堅強后盾，這也必將凸顯安全儲糧技術的重要性。儲糧機械通風技術作為一種綠色儲糧技術，能夠有效調(diào)控糧食溫度與水分，改善儲糧環(huán)境，從而保障儲糧品質(zhì)、預防霉變與蟲害等。因此該技術被各個糧食倉儲企業(yè)所廣泛采用[1-3]。儲糧機械通風過程是一個多因素耦合作用的復雜過程，如果控制不當往往會影響糧食品質(zhì)與質(zhì)量，甚至是安全，造成經(jīng)濟損失[4-5]。儲糧通風優(yōu)化控制研究對于優(yōu)化通風過程具有重要意義。

本文在儲糧通風傳熱傳質(zhì)機理模型的基礎上，提出一種多目標優(yōu)化控制方法，并從通風時間、能耗、和總體最優(yōu)幾個角度進行仿真驗證。

2. 儲糧機械通風機理與模型

儲糧機械通風過程中，空氣流經(jīng)糧食的表面，兩者通過對流傳熱傳質(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，會出現(xiàn)濕熱參數(shù)分布的分層現(xiàn)象。綜合來看通風過程當中的糧堆是一個復雜的系統(tǒng)，機械通風可以克服各種糧堆內(nèi)部微環(huán)境的相互作用，最終實現(xiàn)通風的目的。

依據(jù)傳熱傳質(zhì)原理，可以建立適當?shù)膬Z模型來模擬通風過程。常見的一種模型為基于連續(xù)介質(zhì)假設的非平衡動力學模型，建立控制單元內(nèi)關于糧食、通風介質(zhì)的質(zhì)量、能量平衡的四個偏微分方程，如公式（1）-（4）所示[6]：

3. 多目標優(yōu)化控制方法

（1）控制目標

糧倉內(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35℃，這促使倉儲小麥含有的多種酶的活性變強，代謝消耗升高，使得小麥活性被喚醒，但是對于種用需求在數(shù)年后的倉儲小麥來說是不利的。低溫儲藏控制倉儲糧的溫度，保障儲糧品質(zhì)，但控制溫度如低于實際需要，難免會造成能量損耗。現(xiàn)有的一個合理儲存溫濕度從小麥發(fā)芽及使用脂肪酸值的品質(zhì)指標出發(fā)，研究了溫度及儲存時間對小麥品質(zhì)的影響，溫度越高小麥脂肪酸值變化就越快[7]。在其關于發(fā)芽率的實驗組中用儲存溫度區(qū)分不同，小麥的發(fā)育率隨時間增加而下降，但是5℃低溫下發(fā)芽率的下降不易觀察，溫度越高的實驗組發(fā)芽率的下降就越劇烈。最終分析結(jié)果認為小麥種子在15℃及以下的條件下即可到達低溫儲藏的目的。

水分是儲糧通風控制的重要目標，一直是倉儲研究的課題，關于在儲存過程中糧食的水分應保持在何種程度可以避免因遇上高溫時發(fā)熱，生蟲，糧間水分子阻礙空氣流動引起散熱不暢，發(fā)霉變質(zhì)，姜洪等學者在對山東五個重要糧庫開展跟蹤試驗測后，對幾個數(shù)據(jù)指標類型進行了相關性分析，總結(jié)出小麥的儲存安全水分不應超過13% [8]。 

（2）控制結(jié)構(gòu)

儲糧通風多目標優(yōu)化控制方法的控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。執(zhí)行機構(gòu)用于模擬糧食在溫度濕度和風速三種屬性入風相互作用結(jié)果，儲糧為被控對象，其溫濕度作被控量，相應控制結(jié)構(gòu)圖如下所示。使用Matlab軟件仿真模擬控制被控對象，即儲糧。其中的儲糧是一個獨立的系統(tǒng)，輸入為風的三個屬性可表示通風?？刂谱兞客ㄟ^對最優(yōu)控制的目標函數(shù)優(yōu)化得到。本控制策略在給出溫濕度目標之后會自動控制通風，一次通風的結(jié)果反饋給最優(yōu)控制并根據(jù)一定入風條件組合多次循環(huán)判斷最優(yōu)，傳遞給執(zhí)行機構(gòu)，停止條件為當前糧食溫濕達到給定目標。

圖1 控制結(jié)構(gòu)圖

2.3控制目標函數(shù)

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

4. 控制方法實現(xiàn)與仿真

（1）控制策略編程實現(xiàn)

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

（2）目標函數(shù)入風條件基本組合

需要確定出適當?shù)臈l件變化范圍和變化步長，使得仿真的計算時間在合理的范圍內(nèi)有利于進行更多的修正機會。依據(jù)上面的參數(shù)設施，入風溫度按照整數(shù)變化，相對濕度保持，入風風速有三種變化。最終設定了入風條件組合，供目標函數(shù)做優(yōu)化選擇，使用循環(huán)語句在量化的通風過程開始前進行判斷。

（3）仿真結(jié)果與分析   

1）仿真結(jié)果

針對高水分儲糧展開通風研究，糧食對象為小麥。設置糧食初始水分為20.5 %，初始溫度20℃的。仿真結(jié)果如圖2~4所示。

圖2.時間最快目標糧食水分與溫度變化

圖3.能耗最省目標糧食水分與溫度變化

圖4 總體最優(yōu)目標糧食水分變化

2）仿真結(jié)論與分析

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

通風過程中，基于三種不同優(yōu)化目標其進程不同。時間最快函數(shù)耗時是最快的但是能量消耗最大，通風過程中首先使用實驗允許的40℃高溫空氣通風，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，當水分降至19℃時采用20℃也就是室溫通風，能夠節(jié)省能耗，當水分降至13.23%及以下后迅速采用和時間最短函數(shù)相同的10℃低溫空氣來降溫?？傮w最優(yōu)函數(shù)綜合了以上兩種函數(shù)的特點，因此在優(yōu)先干燥的時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

本文從儲糧通風傳熱傳質(zhì)原理構(gòu)建小麥通風仿真模型，得到了多變量系統(tǒng)控制參數(shù)，使用多目標優(yōu)化思想設置目標函數(shù)包含時間、能耗、總體優(yōu)化的控制策略。最后利用Matlab軟件進行仿真，驗證策略可行性。本文得到結(jié)論：（1）通風溫度對于通風干燥影響較大，糧食倉庫的通風設備還應當包含加熱器，風機需具備一定的風速能力，如糧食溫度或水分過高將處于危險狀態(tài)，通風則不計成本代價進行。（2）總體優(yōu)化控制適當?shù)睦靡恍┩L時間換取更多能耗損失的降低，具有產(chǎn)生經(jīng)濟效益的意義。

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

參考文獻

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[3] 王遠成，吳子丹，魏雷，俞曉靜. 儲糧生態(tài)系統(tǒng)熱濕調(diào)控機理及在就倉機械通風中的應用. 中國糧油學報，2019，34 (12)：71-77.

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[8] 姜洪,呂平原,任凌云,趙瑩,周建征,劉軍,王秀兵,武麗華,吳真真,朱孟庭,姜建枝,李廣明,董小榮,李維克,徐留安.山東省小麥、稻谷、玉米實倉試驗與儲糧安全水分的探討[J].糧食儲藏,2017,46(04):40-44.