片状农业物料干燥过程控制研究

论文摘要

干燥是农业生产中的关键环节,是实现农产品生产全程机械化的重要组成部分。农产品干燥技术包括干燥方法与质量鉴别方法两个重要方面。实践表明：在干燥方法上,热风干燥仍然是目前最简单、经济的干燥方法；在质量鉴别上,由于各种农业物料的理化属性千差万别,因此一种物料干燥质量鉴别的方法很可能不适用于另一种物料。本项研究以玫瑰花瓣为片状农业物料试样,旨在通过实验,探讨实现片状物料干燥过程的设备控制要求。进行研究的实验设备包括箱式干燥器烘箱、冷凝器、温度湿度传感器、控制器和相关的电气设备。试验研究片状农业物料的干燥特性,确定工艺参数,使用数字图像处理的方法进行干燥质量鉴定,继而用单片机设计控制系统,以达到经济实用、因地制宜的效果。论文按照设计和实验的步骤,概括每一步的方法、结论和改进措施,分层展开叙述。本项研究在干燥的过程中回收花卉中的水分。根据实验用箱式干燥器的烘箱结构,建立起传热模型的数学物理方程,确定边界条件,求解该方程得出烘箱内的温度分布。依据干燥对象和干燥过程的特点,对玫瑰花瓣的片状物料干燥工艺进行设计确定相应的干燥参数测量方案。本项研究对控制系统建模并确定控制参数,使用可编程控制器设计其控制流程,利用电气设备实现控制方案。实验表明干燥温度在低温段与高温段对干燥质量有不同的影响,为了量化温度对干燥质量的影响程度,使用数字图像处理的方法分析干燥物料,确定适宜的干燥温度。在适宜的温度下进行试验,采集干燥过程中物料的湿度、重量随时间的变化关系,分析其干燥特性。为了预测物料在不同的工况和时刻的干燥程度,本项研究使用人工神经网络模拟其干燥特性,同时提供一种科学的研究方法。干燥特性的实验表明使用周期控制的PID算法不能准确地控制干燥温度。因此使用单片机设计使用离散PID运算的控制系统,控制可控硅实现相位控制,获得准确的干燥温度。使用离散PID相控虽然准确地实现了控制方案,但是干燥效率仍然相对低下。片状农业物料的干燥特性被其内部水分迁移规律所决定,厚度越薄则效率越高,在单个玫瑰花瓣的厚度无法改变的情况下,使干燥对象在干燥过程中不断运动,因此整体玫瑰花瓣层相对变薄。为提高干燥效率,本项研究在最后进行理论上的分析与设计,在原有的基础上进行改进。设计新的干燥设备,使玫瑰花瓣在干燥的过程中不断运动。由于运动的系统无法使用重力测量反映其干燥程度,因此引入数字图像处理的方法进行连续自动摄像、干燥对象自动识别、干燥质量实时分析。利用分析的结果通过串口实现与单片机的通讯最终控制运动系统,实现控制要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 农业物料干燥与控制技术研究现状
• 1.2.1 农业物料干燥技术概况
• 1.2.2 农业物料干燥控制技术概况
• 1.3 论文研究的主要内容
• 第二章 片状农业物料干燥特性研究
• 2.1 片状农业物料干燥工艺
• 2.1.1 片状农业物料干燥特性分析
• 2.1.2 干燥装置传热过程建模
• 2.1.3 玫瑰花瓣干燥工艺设计
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 实验器材
• 2.2.2 绘制干燥特性曲线
• 2.2.3 使用人工神经网络建立干燥特性预测模型
• 2.2.4 干燥过程控制参数优化
• 2.3 实验结果分析
• 2.4 小结
• 第三章 干燥实验控制系统设计
• 3.1 温度控制系统建模
• 3.1.1 建立干燥装置传递函数
• 3.1.2 建立温控系统传递函数
• 3.1.3 稳定性分析及比例增益确定
• 3.2 电气回路设计
• 3.3 实验系统的测量装置
• 3.3.1 温度测量
• 3.3.2 重量测量
• 3.3.3 湿度测量
• 3.4 控制程序编制
• 3.5 实验结果分析
• 3.6 小结
• 第四章 基于单片机的干燥控制系统设计
• 4.1 C8051F020单片机特性
• 4.2 单片机应用系统设计的步骤
• 4.2.1 整体方案设计
• 4.2.2 硬件系统设计
• 4.2.3 软件系统设计
• 4.3 单片机进行PID控制的方法
• 4.4 单片机进行相位控制的方法
• 4.5 控制参数的确定
• 4.6 硬件电路的设计
• 4.6.1 C8051F020芯片管脚排列
• 4.6.2 温度测量电路
• 4.6.3 可控硅的控制电路
• 4.7 程序编制
• 4.8 实验结果分析
• 4.9 小结
• 第五章 片状农业物料干燥过程控制的优化分析
• 5.1 系统改进的设计方案
• 5.2 自动采集图像信息的实现
• 5.3 图像信息的实时分析
• 5.3.1 自动识别两种干燥物料
• 5.3.2 干燥质量的实时分析
• 5.4 上下位机通讯的实现
• 5.4.1 串行通讯的原理
• 5.4.2 上下位机通讯的硬件电路
• 5.4.3 串行通讯的下位机程序编制
• 5.4.4 串行通讯的上位机程序编制
• 5.5 结果与讨论
• 5.6 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士学位期间发表论文目录
• 附录B 攻读硕士学位期间获得的专利目录
• 附录C 下位机电子电路图