一種農作物太陽能空氣能複合烘乾機智能恆溫控制系統的製作方法
2023-05-26 09:36:41
本發明涉及烘乾機控制系統，尤其涉及一種農作物太陽能空氣能複合烘乾機智能恆溫控制系統。
背景技術：
現階段，農作物太陽能空氣能複合烘乾機的控制系統，主要通過如圖1所示的單片機控制實現對太陽能和空氣能熱泵的智能控制，其中包括：控制電路、驅動電路、鍵盤及顯示電路等。當太陽能充足時，可通過太陽能機組供能，無需啟動空氣能熱泵機組；當單片機控制電路判斷認為太陽能不充足時，單片機控制電路會啟動空氣能熱泵機組來供能，從而控制空氣能熱泵機組的啟動。
其中，對烘乾室溫度恆溫控制選用的控制策略是模糊-PID控制，模糊-PID控制策略原理如圖2所示。該方法通過對PID控制器中變量進行選取以及量化，找出PID三個控制參數比例係數、積分係數以及微分係數與系統偏差e和偏差變化率ec的模糊關係，建立模糊關係表，藉助模糊控制方法對三個參數進行在線修改。藉助PID參數的在線模糊自整定後，自動切換到正常工作狀態，在系統性能發生改變時自動啟動PID參數的整定過程，重新整定的PID參數。
另外，現有的控制系統是通過圖1中的單片機的觸控螢幕或按鍵模塊來實現人機互動功能。
然而，通過實驗驗證，烘乾室是一個有大慣性、大滯後特性的被控對象，烘乾室的容積、溫度傳感器、物料車的結構和其擺放位置都會對烘乾的滯後產生一定的影響。若只使用模糊PID控制策略對具有非線性、高階、時變等複雜特性的系統時，會出現整定效果差、性能水平低、對環境影響的抗幹擾能力差等缺點。在實際烘乾作業中，一些農作物種子等物料對烘乾溫度要求比較嚴格，而烘乾溫度和烘乾時間對農作物種子的含水量和活力會產生較大的影響。例如：在對水稻種子進行烘乾時，若烘乾溫度過高容易引起爆腰，使種子發芽率降低；若烘乾實際溫度過低，會影響烘乾效率，增加烘乾成本。因此，烘乾機控制系統的關鍵是實現對烘乾室溫度的控制。
同時，僅採用單片機的交互功能，用戶不能直觀清晰的觀測到整個系統的實時運行狀態，無法對相應的工作過程進行及時有效的管理和記錄。
技術實現要素：
為克服現有技術的不足，本發明提出一種農作物太陽能空氣能複合烘乾機智能恆溫控制系統。
本發明的技術方案是這樣的，一種農作物太陽能空氣能複合烘乾機智能恆溫控制系統，包括
上位機，所述上位機用於對農作物太陽能空氣能複合烘乾機的參數數據進行顯示和管理；
與所述上位機相連的單片機，所述單片機用於智能控制農作物太陽能空氣能複合烘乾機；
連接所述單片機的溫度傳感器模塊，所述溫度傳感器模塊包括烘乾房溫度傳感器，儲水箱溫度傳感器、太陽能集熱管進口溫度傳感器和太陽能集熱管出口溫度傳感器；
連接所述單片機的水位傳感器，所述水位傳感器用於檢測並採集儲水箱的水位信號；
連接所述單片機的驅動器；和
連接所述驅動器的變頻壓縮機、太陽能溫差循環泵、烘乾房供熱水泵和供熱風機；
其中，所述驅動器包括傳算法控制器和模糊控制器，所述遺傳算法控制器根據系統溫度控制的穩定性和節能性對模糊控制器進行優化。
進一步地，所述單片機包括鍵盤模塊和顯示模塊，用於人機互動。
進一步地，所述單片機包括無線通信模塊，所述上位機無線連接所述單片機。
進一步地，所述上位機為計算機。
進一步地，所述遺傳算法控制器根據系統溫度控制的穩定性和節能性能對模糊控制器進行優化的過程包括步驟
S1：以編碼形式生成{ai,bi,u}形式的位串，所採用的編碼形式是二進位編碼，通過計算機語言將模糊控制器進行二進位編碼，以方便後續計算；
S2：隨機初始化，通過隨機初始化生成初始的模糊控制器的隸屬度函數和模糊控制規則；
S3：採樣，通過將隨機初始化生成的模糊控制器的相關參數及性能進行採樣，以尋找其性能代表值；
S4：生成初始種群，根據算法的種群規模，利用二進位數生成初始種群；
S5：計算適應度值，利用適應度計算公式計算初始種群的適應度；
S6：生成新種群，利用算法的選擇、交叉、變異操作，在初始種群的基礎上生成新種群；
S7：判斷是否滿足要求，利用新種群進行隨機初始化操作，判斷生成的結果是否滿足要求，如果是，則將個體進行輸出解碼，並將控制信號其輸入執行機構中；如果否，則利用新種群代替初始種群，並返回第四步進行循環，直至最終滿足條件。
本發明的有益效果在於，與現有技術相比，本發明根據溫度控制的穩定性、節能性等要求，將模糊控制應用於太陽能熱泵烘乾控制系統中，並利用遺傳算法對模糊控制算法進行優化，提高系統的控制性能；同時採用上位機，用戶可以直接在上位機上對採集到的溫度數據進行實時的監測和控制。
附圖說明
圖1是現有的太陽能空氣能複合烘控制系統結構圖；
圖2是現有的太陽能空氣能複合烘控制系統的模糊-PID控制策略原理圖；
圖3是本發明農作物太陽能空氣能複合烘乾機智能恆溫控制系統結構圖；
圖4是本發明遺傳算法控制器根據系統溫度控制的穩定性和節能性能對模糊控制器進行優化的控制原理圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
請參見圖3，本發明一種農作物太陽能空氣能複合烘乾機智能恆溫控制系統，包括上位機，所述上位機用於對農作物太陽能空氣能複合烘乾機的參數數據進行顯示和管理；與所述上位機相連的單片機，所述單片機用於智能控制農作物太陽能空氣能複合烘乾機；連接所述單片機的溫度傳感器模塊，所述溫度傳感器模塊包括烘乾房溫度傳感器，儲水箱溫度傳感器、太陽能集熱管進口溫度傳感器和太陽能集熱管出口溫度傳感器；連接所述單片機的水位傳感器，所述水位傳感器用於檢測並採集儲水箱的水位信號；連接所述單片機的驅動器；和連接所述驅動器的變頻壓縮機、太陽能溫差循環泵、烘乾房供熱水泵和供熱風機；其中，所述驅動器包括傳算法控制器，所述遺傳算法控制器根據系統溫度控制的穩定性和節能性能對模糊控制器進行優化。
其中所述單片機可進一步包括鍵盤模塊和顯示模塊，用於人機互動。所述鍵盤模塊和顯示模塊可設置於一觸控螢幕上。
作為本發明的一個優選實施例，所述單片機可包括無線通信模塊，所述上位機無線連接所述單片機。此時的上位機可採用移動終端如手機等。一般地，所述上位機為計算機。
請參見圖4，所述遺傳算法控制器根據系統溫度控制的穩定性和節能性對模糊控制器進行優化。優化的過程包括步驟
S1：以編碼形式生成{ai,bi,u}形式的位串，所採用的編碼形式是二進位編碼，通過計算機語言將模糊控制器進行二進位編碼，以方便後續計算；
S2：隨機初始化，通過隨機初始化生成初始的模糊控制器的隸屬度函數和模糊控制規則，該初始化生成的數值一般只是計算的初步，很難一次性達到最優，需要後續的步驟進行優化；
S3：採樣，通過將隨機初始化生成的模糊控制器的相關參數及性能進行採樣，以尋找其性能代表值；
S4：生成初始種群。根據算法的種群規模，利用二進位數生成初始種群；
S5：計算適應度值，利用適應度計算公式計算初始種群的適應度；
S6：生成新種群，利用算法的選擇、交叉、變異操作，在初始種群的基礎上生成新種群；
S7：判斷是否滿足要求，利用新種群進行隨機初始化操作，判斷生成的結果是否滿足要求，如果是，則將個體進行輸出解碼，並將控制信號其輸入執行機構中；如果否，則利用新種群代替初始種群，並返回第四步進行循環，直至最終滿足條件。
本發明的工作原理是這樣的：
控制系統由上位機和下位機組成，下位機包括了上述除上位機外的所有組成部分。在各個關鍵環節上安裝了傳感器：一是溫度傳感器，用於檢測並採集烘乾房環境溫度、儲水箱水溫、太陽能集熱管進出口溫度等模擬信號；二是水位傳感器，檢測並採集儲水箱水位模擬信號。下位機通過輸入電路接收傳感器發來的模擬信號，判斷烘乾室內溫度、太陽能集熱器進出口溫度等。同時，將處理過的烘乾室溫度信號傳遞給上位機，經上位機分析和處理之後得到相應的控制信號反饋給下位機，下位機根據上位機的反饋信號，結合相應的控制算法對水泵、變頻壓縮機等執行部件進行實時控制，實現對烘乾機系統的控制。
上位機是本發明一種農作物太陽能空氣能複合烘乾機智能恆溫控制系統的上層管理部分，它的作用主要是用來對烘乾系統的參數據進行顯示和管理，包括對烘乾室溫度數據的實時儲存和提取、儲熱水箱水位的實時動態顯示、壓縮機工作佔空比PWM顯示等。同時，也負責完成對烘乾室溫度控制方式的智能決策，能夠選擇控制的方式為手動或者是智能控制模式。
以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍。