空气源热泵芒果干燥系统变结构智能控制技术.pdf

基金项目:广西重点研发计划(编号:A B );广西电网公司科技项目(编号:G X K J XM )作者简介:郭小璇,女,广西电网有限责任公司电力科学研究院高级工程师,博士.通信作者:郭敏(),男,广西电网有限责任公司电力科学研究院高级工程师,硕士.E m a i l:q q c o m收稿日期:改回日期:D O I:/j s p j x 文章编号 ()空气源热泵芒果干燥系统变结构智能控制技术V a r i a b l es t r u c t u r e i n t e l l i g e n t c o n t r o l f o rm a n g od r y i n gw i t ha i r s o u r c eh e a t p u m p郭小璇,G U OX i a o x u a n,郭敏,G U O M i n,韩帅,HANS h u a i,孙乐平,S UNL e p i n g,(广西电网有限责任公司电力科学研究院,广西 南宁 ;广西电力装备智能控制与运维重点实验室,广西 南宁 )(E l e c t r i cP o w e rR e s e a r c hI n s t i t u t eo fG u a n g x iP o w e rG r i dC o,L t d,N a n n i n g,G u a n g x i ,C h i n a;G u a n g x iK e yL a b o r a t o r yo fI n t e l l i g e n tC o n t r o la n dM a i n t e n a n c eo fP o w e rE q u i p m e n t,N a n n i n g,G u a n g x i ,C h i n a)摘要:目的:提高空气源热泵干燥系统干燥芒果的能效.方法:对空气源热泵干燥系统干燥芒果的工艺进行细分,采用变结构控制实现干燥室温湿度的智能化动态调节以提高能效,即将每个干燥工艺阶段细分为三部分:远离转换点、接近转换点和临近转换点,对前两部分采用受限的带外部输入的非线性自回归神经网络(NA R X)对干燥室温度和湿度设定值进行智能调整来节约电能,而对第三部分则采用P I控制器对干燥工艺转换点除湿量进行精准控制,保证芒果干燥品质.结果:与常规的分段恒温恒湿干燥方法相比,研究提出的细分段变结构控制方法能保证芒果干燥品质,并能节约 的电能.结论:研究提出的细分段变结构控制方法能明显提高热泵干燥系统能效,并获得与常规分段恒温恒湿方法接近的干燥品质.关键词:空气源热泵;变结构控制;非线性自回归神经网络;温湿度解耦;干燥品质;节能A b s t r a c t:O b j e c t i v e:T oi m p r o v et h ee n e r g ye f f i c i e n c yo fm a n g od r y i n g i nt h ea i rs o u r c eh e a tp u m ps y s t e ms oa st os a v ee n e r g y M e t h o d s:T h ep r o c e s so fd r y i n gm a n g o e sw a ss u b d i v i d e d,a n dav a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lw a su s e d t oa d j u s t t h e t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo fd r y i n gr o o mi n t e l l i g e n t l ya n dd y n a m i c a l l yt o i m p r o v ee n e r g ye f f i c i e n c y E a c hd r y i n gp r o c e s ss t a g e w a sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s,n a m e l y f a r a w a y f r o mt h e c o n v e r s i o np o i n t,n e a r t h ec o n v e r s i o np o i n t,a n dc l o s i n gt ot h ec o n v e r s i o np o i n t F o rt h ef i r s tt w op a r t s,ac o n s t r a i n e dn o n l i n e a ra u t o r e g r e s s i v en e u r a ln e t w o r k(NA R X)w i t he x t e r n a l i n p u t sw a su s e dt oi n t e l l i g e n t l ya d j u s tt h et e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t y s e t t i n g ss o a st o s a v ee l e c t r i c i t y,w h i l e f o rt h et h i r dp a r t,aP Ic o n t r o l l e rw a su s e dt oa c c u r a t e l yc o n t r o l t h ed e h u m i d i f i c a t i o na m o u n ta t t h ec o n v e r s i o np o i n to f t h ed r y i n gp r o c e s ss oa st oe n s u r et h eq u a l i t yo fm a n g od r y i n g R e s u l t s:C o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a l s e g m e n t e dc o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yd r y i n gm e t h o d s,t h ep r o p o s e dc o n t r o lm e t h o dc o u l ds a v e o f e l e c t r i c i t yw i t hag u a r a n t e e dq u a l i t yo fm a n g od r y i n g C o n c l u s i o n:T h ep r o p o s e ds u b d i v i d e dv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l m e t h o dc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ee n e r g ye f f i c i e n c yo fh e a tp u m p d r y i n g s y s t e m s,a n d a c h i e v e d r y i n gq u a l i t ys i m i l a rt oc o n v e n t i o n a ls e g m e n t e dc o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ym e t h o d s K e y w o r d s:a i rs o u r c e h e a tp u m p;v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l;NA R X;t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yd e c o u p l i n g;d r y i n gq u a l i t y;e n e r g ys a v i n g芒果的深加工不仅仅能带来较高的经济附加值,而且便于芒果长期贮存和运输.芒果干燥方式有热风干燥、真空膨胀干燥等方式.空气源热泵系统具有高效节能、干燥质量高、干燥时间短以及环境友好等特点得以推广应用,成为芒果干燥的重要发展趋势.目前,芒果的热泵干燥工艺研究主要集中在干燥温度和湿度的设置上.罗彩连等研究了不同热泵干燥温度(,)及间歇时间(,h)对芒果干燥特性的影响,发现热泵干燥温度越高,间歇时间越长,干燥速率越大.段宙位等考察了温度、铺料密度、风速对果肉干燥的影响,得到的芒果优化工艺参数为温度 、铺料密度 k g/m,热风风速 m/s,干燥时间 h.李珊珊论证了热泵干燥温度和间歇时间对芒果干燥水分F OO D&MA CH I N E R Y第 卷第 期 总第 期|年 月|比、干燥速率的促进作用.分段恒温恒湿干燥方法通过芒果干燥的原理和模型并结合干燥设备来设定热泵干燥系统的温湿度,设定不同干燥工艺阶段的温湿度为恒定值,在此干燥阶段始终保持恒定的温度和湿度.这种分段式恒温恒湿方法简单方便,能耗较低,但由于空气源热泵干燥系统存在个体差异,而且热泵系统在干燥过程中的运行环境或工况也有所不同,简单的阶梯式温湿度设定与系统的最优化运行吻合度不高.因此,在保证干燥工艺基本要求的情况下,通过智能算法自动调节控制器参数,可以有效提高除湿效率,节约电能 ,智能控制的难点是还需要精细控制干燥工艺转换点的除湿量以保证芒果干燥品质.针对芒果的干燥工艺,研究拟提出一种细分段变结构芒果干燥智能控制方法,将每个干燥工艺段细分为部分,前部分采用受限的能效智能提升控制方法提高芒果干燥能效,第部分采用P I控制器控制每个干燥工艺段的转换点除湿量与手动干燥方法一致.由于烘干是个复杂的过程,其除湿效率随烘干箱的温度、湿度、压力等物理量的变化而不断变化,并且这些物理量之间又相互耦合与 影 响,为 此 提 出 利 用 非 线 性 自 回 归 神 经 网 络(NA R X)的解耦特性对干燥室温度和湿度进行解耦控制的能效智能提升控制方法,在保证芒果干燥品质的基础上节约电能.芒 果 的 空 气 源 热 泵 干 燥 智 能 控 制新方法芒果的空气源热泵干燥智能控制的关键在于在保证芒果的干燥品质的基础上采用符合空气源热泵干燥特性的智能控制方法.芒果干燥品质指标主要包括芒果干燥后的硬度、脆度、色泽、膨化度、水分含量等.芒果干燥工艺对干燥品质的影响主要在于干燥工艺阶段之间的转换点除湿量控制上 ,如果能控制转换时刻的除湿量与分段恒温恒湿方法一致,可以保证干燥品质接近于常规的分段恒温恒湿方法.细分段变结构智能控制方法将每个干燥工艺阶段又细分为远离转换点、接近转换点和临近转换点三部分,分别采用不同的控制方案.如图所示,芒果干燥分为个工艺阶段,除第段外其他工艺阶段又分为部分,分别对应t、t和t.()远离转换点t:刚开始启动转换点对应的干燥阶段不久,距离转换点较远,因此对干燥速率的控制可以较宽松,只需要控制干燥速率与分段恒温恒湿方法的干燥速率相差不是很大即可.为了保障芒果干燥质量,控制干燥速率在常规C T CH方法的干燥速率附近的一定范围内,令vm a x(t)vC T CH(t)vm a x,()vm i n(t)vC T CH(t)vm i n,()图芒果干燥工艺阶段F i g u r eP r o c e s ss e c t i o n s f o rm a n g od r y i n g式中:t 时间,h;vm a x、vm i n 干燥速率的上限和下限,k g/h;vC T CH 根据分段恒温恒湿工艺的干燥速率确定的干燥速率标准,k g/h;vm a x、vm i n 干燥速率的上下容许偏差,k g/h.当实际的干燥速率高于vm a x时,降低温度设定值,提高湿度设定值以降低干燥速率.当实际干燥速率低于vm i n时,提高温度设定值,降低湿度设定值以降低干 燥速率.TTTvvm a x(t)Tvm i n(t)vvm a x(t)TTvvm i n(t),()HHHvvm a x(t)Hvm i n(t)vvm a x(t)HTvvm i n(t),()式中:T 温度参考值,;H 湿度参考值,;T NA R X神经网络的输出温度参考值,;H NA R X神经网络的输出湿度参考值,;T 温度调整量,;H 湿度调整量,.()接近转换点t:此部分为其他两部分(t和t)之间的过渡,见图,此时需要考虑逐步逼近转换点的除湿量,但仍然需要给能效提升留调节空间,因此,这一阶段的除湿速率控制在以转换点除湿量为目标的一定范围内波动,即:vm a x(t)w(t)w/(tt)vm a x,()vm i n(t)w(t)w/(tt)vm i n,()式中:w(t)检测到的芒果质量,k g;w 转换点时刻的芒果质量,k g;t 转换点对应时刻,h;|V o l ,N o 郭小璇等:空气源热泵芒果干燥系统变结构智能控制技术d输入时延阶数d反馈输入时延阶数f()神经网络激活函数图t和t智能控制框图F i g u r e I n t e l l i g e n t c o n t r o lb l o c kd i a g r a md u r i n gta n dtvm a x、vm i n 干燥速率的上下容许偏差,k g/h.其控制框图与温湿度参考值的计算方法与远离转换点时相同.()临近转换点t:这时已非常接近于转换点,见图,需要对干燥速率进行严格控制,使其目标时刻的除湿量逼近转换点的除湿量.这一段的控制采用比例积分(P I)控制器,如图所示.v(t)w(t)w/(tt),tt,()式中:v(t)干燥速率的设定值,k g/h.通过P I控制,转换点时刻的芒果质量将逐步逼近于w.温湿度分配器将按NA R X对应的最小能耗分配温度和湿度,即T(t)T(t)G(t)T(t)/H(t)T(t)/H(t)T(t),()H(t)H(t)G(t)H(t)/H(t)T(t)H(t)/T(t),()式中:G(t)P I控制器的输出;T(t)t时刻温度的变化量,;H(t)t时刻湿度的变化量,.细分段变结构智能控制方法的参数设计主要是确定t、t和t的时间长度及干燥速率的上下限.远离转换点t选取过短则不能更充分发挥NA R X能效,影响能效提升;而t选取过长,则难以保证后面两段时间能足够干燥到转换点的湿度.上下限的选取主要是限制干燥速率不要偏差太远.接近转换点t这一段主要完成从远离转换图临近转换点干燥速率控制图F i g u r eC o n t r o l c h a r to fd r y i n gr a t en e a r t h ec o n v e r s i o np o i n t点到临近转换点的过渡,因此,考虑一定程度地节约电能并加速接近临近转换点区域;t的选取主要考虑前两段时间除湿量可能出现的偏差,在这段时间内能快速地回复,最终在转换点时刻达到指定除湿量.时间长度的选取可以根据芒果干燥进展自动进行调整,也可以依据常规芒果干燥数据来确定,自动调节参数的方法能更多地节约电能,但控制逻辑复杂,实现比较困难.NA R X能效提升方法为了提高除湿能效,利用智能控制方法智能化地动态调整温湿度.芒果干燥的温湿度控制是通过压缩机和风机的控制来实现的,无论是压缩机还是风机的状态改变都会同时影响到干燥室的温度和湿度 .另一方面,干燥室温度的升高和降低会引起湿度的变化,而湿度的变化同样也会影响温度的升降.可见干燥室温湿度之间具有较强的互耦特性,而神经网络控制有很好的解耦控制特性,它在输入层和输出层之间插入隐含层,通过调整输入层与隐含层、隐含层与输出层的权值来实现输入变量与各输出变量之间的函数关系,从而实现解耦.考虑到控制系统通常带有一定的延时,可以引入带外部输入的非线性自回归(NA R X)神经网络,它通过一系列的输入数据来预测神经网络输入的变化趋势从而调整神经网络 的 输 出,因 此 能 较 好 地 适 应 时 延 较 大 的 控 制系统 .设系统控制的目标函数为:Fm i n(/),()式中:F 目标函数;单位能耗除湿量(S ME R),k g/(k Wh).受干燥工艺的影响,干燥室温度和湿度受如下限制:Tm i n(t)T(t)Tm a x(t),()Hm i n(t)H(t)Hm a x(t),()式中:T(t)干燥温度,;H(t)干燥湿度,;Tm i n(t)、Tm a x(t)干燥最低温度和最高温度,;Hm i n(t)、Hm a x(t)干 燥 最 低 湿 度 和 最 高湿度,.N A R X控制能保证干燥过程温湿度保持在干燥工艺容许范围内,同时也受到干燥系统温湿度控制范围的限制.神经网络控制一般是用来缩小控制误差,通过误差与权值之间的负梯度速降来使得误差最小化,使得控制器的输出逼近期望值 ,常用来实现预测或精准的跟踪控制.由于空气源热泵干燥系统的控制目标是提高单位能耗除湿量,因此改进的NA R X控制系统误差函数选为e/,而不再是常规神经网络的控制误差.其结构如图.通过输入层与隐含层、隐含层与输出层之间的食品装备与智能制造F OO DE QU I PME NT&I NT E L L I G E NT MANU F A C TUR I NG总第 期|年 月|权值来使得/达到最小,从而最大化获得单位能耗除湿量.NA R X神经网络的输入XT,T,Td,H,H,Hd,e,e,ed,以T和H为NA R X神经网络的输出,NA R X控制方法参照文献 ,鉴于篇幅有限,文中不做赘述.试验与分析试验测试用的空气源热泵芒果干燥系统包括一个宽m、深m、高m的干燥室,台Z L 热泵机组,单台功率为 kW,台M S W /k W循环风机,排风量为 m/h,以及一台D L 电辅加热设备,其功率为kW.系统最高加热温度.热泵干燥系统自带温湿度控制器,通过对热泵系统和风机的启停控制来调节干燥室的温湿度.测试芒果采购自广西百色经切片清洗、腌制后冷链运输(历时d),随后进行铺装烘干.芒果糖渍果片配料包括食用糖粉、麦芽糖浆、食用盐和食品添加剂(焦亚硫酸钠,甘油)等.参照文献 的模型和参数,结合空气源热泵系统的实际情况设置芒果干燥工艺流程见表,芒果在干燥室共计 h,其中芒果在干燥室内自然冷却软化h,空气源热泵工作时间为 h.在空气源热泵工作期间通过自动监测装置每隔m i n自动记录干燥室温湿度以及芒果质量、能耗等数据.两份芒果质量同为 k g的芒果分别采用分段恒温恒湿方法和细分段变结构温湿度智能调节方法进行干燥,参考分段恒温恒湿方法的试验测试数据,并结合经验设置细分段式变结构智能控制器的主要参数见表.综合考虑算法实现难度及控制精度而设计的NA R X控制参数见表,其中阶段因为除湿量小、除湿速率小,仍然采用常规的恒温恒湿方法,而未使用智能控制.表分段式芒果干燥温湿度设置表T a b l eT e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e t t i n gt a b l e f o rm a n g od r y i n g阶段温度/湿度/时间/h工艺说明 前期升温、预热、果肉表层水分蒸发阶段 产品定形、果肉干燥阶段 果肉干燥阶段干燥室内自然冷却软化软化阶段,有利于果肉水分从芯层向表层移动,提高口感 深度干燥阶段 深度干燥阶段表细分段式智能控制器参数T a b l eM a i np a r a m e t e r so f s u b d i v i d e d i n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r阶段阶段末质量目标/k g远离转换点时间/hvm a x/(k gh)vm i n/(k gh)T/H/接近转换点时间/hvm a x/(k gh)vm i n/(k gh)T/H/临近转换点时间/hKpKi 采 用 分 段 恒 温 恒 湿 热 泵 干 燥 后 的 芒 果 质 量 为 k g,总能耗 kWh.采用细分段变结构智能温湿度调节方法干燥的芒果质量为 k g,总能耗为 k Wh.采用分段恒温恒湿和智能温湿度调节方法各干燥阶段的参数对比如表所示,各工艺阶段末的芒果 质 量 都 比 较 接 近,除 湿 速 率 控 制 器 达 到 了 较好 的控制效果.两者的单位能耗除湿量分别为 ,表NA R X控制器主要参数T a b l eM a i np a r a m e t e r so f t h eNA R Xc o n t r o l l e r隐含层数隐含层节点数学习率dd k g/(k Wh),采用细分段变结构智能温湿度调节方法节约电能 k Wh,节电率为.通过对采用分段恒温恒湿工艺和细分段变结构智能温湿度调节工艺干燥的芒果对比,两种工艺得到的芒果干无论是色泽、脆度,还是口感等都很接近.结论采用温湿度智能调节方法可以有效提高干燥芒果的能效,节约电能,通过转换点除湿量控制来保证智能控制下的芒果干燥品质.研究提出将芒果干燥工艺阶段细分为三部分的 芒果 干燥 能 效提 升方 法,在 远离 转 换 点 和接近转换点时利用非线性自回归神经网络来提高干燥能|V o l ,N o 郭小璇等:空气源热泵芒果干燥系统变结构智能控制技术表各干燥阶段对比表T a b l eC o m p a r i s o nt a b l eo f e a c hd r y i n gs t a g e阶段阶段末质量/k g分段恒温恒湿细分段变结构除湿量/k g分段恒温恒湿细分段变结构能耗/(kWh)分段恒温恒湿细分段变结构 总计 效,在临近转换点时采用比例积分控制器控制转换点的除湿量,从而保障芒果干燥品质.试验证明,这种方法能明显提高热泵干燥系统的能效,节约电能,并能获得与分段恒温恒湿方法接近的干燥品质.参考文献1 戚玉欣,陶志国.空气源热泵干燥技术的研究现状与发展展望J.资源节约与环保,2016(5):69.QI Y X,TAO Z G.Research status and development prospects ofairsourceheatpumpdryingtechnology J.ResourcesEconomization and Environmental Protection,2016(5):69.2 蔡志敏,李凡,李春来.空气源热泵烘干机组研究现状及发展趋势J.科技创新与应用,2022,12(21):7780.CAI Z M,LI F,LI C L.Research status and development trend ofair source heat pump drying unitJ.Technology Innovation andApplication,2022,12(21):7780.3 KIVEVELE T,HUAN Z J.Experimental comparative study of anopen and completely closed air source heat pump 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