摘要：糧食儲藏涉及國計民生，對於保障糧食安全具有重要意義。機械通風是保障儲糧安全的關鍵技術之一，但是控制不當往往會造成儲糧損失。本文采用傳熱傳質機理模型，對儲糧通風控制方法進行研究，構建多目標目標函式，針對通風速率、能耗和總體最優三個目標分別記性模擬驗證。結果表明，提出的通風控制最佳化方法，能夠分別達到加速儲糧通風程序，節省能耗，達到總體最優的目的。

關鍵詞：儲糧，機械通風，控制，最佳化

1. 前言

糧食儲藏在我國是一個涉及國計民生、發揮著基礎作用的行業。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。據報道，我國2020年小麥主產區收購量較去年減少938萬噸。儲糧是保障國家糧食安全的堅強後盾，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，能夠有效調控糧食溫度與水分，改善儲糧環境，從而保障儲糧品質、預防黴變與蟲害等。因此該技術被各個糧食倉儲企業所廣泛採用[1-3]。儲糧機械通風過程是一個多因素耦合作用的複雜過程，如果控制不當往往會影響糧食品質與質量，甚至是安全，造成經濟損失[4-5]。儲糧通風最佳化控制研究對於最佳化通風過程具有重要意義。

本文在儲糧通風傳熱傳質機理模型的基礎上，提出一種多目標最佳化控制方法，並從通風時間、能耗、和總體最優幾個角度進行模擬驗證。

2. 儲糧機械通風機理與模型

儲糧機械通風過程中，空氣流經糧食的表面，兩者透過對流傳熱傳質，使得糧食溫度與水分發生變化。由於糧堆具有一定厚度，會出現溼熱引數分佈的分層現象。綜合來看通風過程當中的糧堆是一個複雜的系統，機械通風可以克服各種糧堆內部微環境的相互作用，最終實現通風的目的。

依據傳熱傳質原理，可以建立適當的儲糧模型來模擬通風過程。常見的一種模型為基於連續介質假設的非平衡動力學模型，建立控制單元內關於糧食、通風介質的質量、能量平衡的四個偏微分方程，如公式（1）-（4）所示[6]：

3. 多目標最佳化控制方法

（1）控制目標

糧倉內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，但是對於種用需求在數年後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，但控制溫度如低於實際需要，難免會造成能量損耗。現有的一個合理儲存溫溼度從小麥發芽及使用脂肪酸值的品質指標出發，研究了溫度及儲存時間對小麥品質的影響，溫度越高小麥脂肪酸值變化就越快[7]。在其關於發芽率的實驗組中用儲存溫度區分不同，小麥的發育率隨時間增加而下降，但是5℃低溫下發芽率的下降不易觀察，溫度越高的實驗組發芽率的下降就越劇烈。最終分析結果認為小麥種子在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，關於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熱，生蟲，糧間水分子阻礙空氣流動引起散熱不暢，發黴變質，姜洪等學者在對山東五個重要糧庫開展跟蹤試驗測後，對幾個資料指標型別進行了相關性分析，總結出小麥的儲存安全水分不應超過13% [8]。

（2）控制結構

儲糧通風多目標最佳化控制方法的控制結構如圖1所示。執行機構用於模擬糧食在溫度溼度和風速三種屬性入風相互作用結果，儲糧為被控物件，其溫溼度作被控量，相應控制結構圖如下所示。使用Matlab軟體模擬模擬控制被控物件，即儲糧。其中的儲糧是一個獨立的系統，輸入為風的三個屬性可表示通風。控制變數透過對最優控制的目標函式最佳化得到。本控制策略在給出溫溼度目標之後會自動控制通風，一次通風的結果反饋給最優控制並根據一定入風條件組合多次迴圈判斷最優，傳遞給執行機構，停止條件為當前糧食溫溼達到給定目標。

圖1 控制結構圖

2.3控制目標函式

下邊依次列出了通風時間最快、能耗最省、總體最優的目標函式。且各公式中包含的協同關係按照給出的式子進行歸一化處理，使得每種協同關係取值在一定的範圍符合多變數協同的需要，詳細如下：

4. 控制方法實現與模擬

（1）控制策略程式設計實現

使用Matlab軟體進行程式設計，前文中提到的公式將轉化成Matlab軟體適用的語言來概括，為此模擬物件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、溼度和風速這三個變數並將計算結果輸出到控制模型。在控制模型中目標函式使用while迴圈，在通風條件組合之間進行比較，將一組符合協同要求的通風條件組合傳遞給通風模型。所有迴圈中記錄下關鍵的計算結果，當到達通風目標後同時輸出結果和繪製變化曲線。

（2）目標函式入風條件基本組合

需要確定出適當的條件變化範圍和變化步長，使得模擬的計算時間在合理的範圍內有利於進行更多的修正機會。依據上面的引數設施，入風溫度按照整數變化，相對溼度保持，入風風速有三種變化。最終設定了入風條件組合，供目標函式做最佳化選擇，使用迴圈語句在量化的通風過程開始前進行判斷。

（3）模擬結果與分析

1）模擬結果

針對高水分儲糧展開通風研究，糧食物件為小麥。設定糧食初始水分為20.5 %，初始溫度20℃的。模擬結果如圖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 總體最優目標糧食水分變化

2）模擬結論與分析

根據模擬結果，時間最快函式耗時1832min，能量消耗為76583kJ；能耗最省函式耗時2156min，能量消耗為48251kJ；總體最優函式耗時2052min，能量消耗為43442kJ。

通風過程中，基於三種不同最佳化目標其程序不同。時間最快函式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；能耗最省函式同樣用了33℃較高溫空氣通風，當水分降至19℃時採用20℃也就是室溫通風，能夠節省能耗，當水分降至13.23%及以下後迅速採用和時間最短函式相同的10℃低溫空氣來降溫。總體最優函式綜合了以上兩種函式的特點，因此在優先乾燥的時候使用的溫度是介於40℃和33℃之間的36、35℃，最高層水分降至19℃後，使用能耗最省函式的方式繼續降溫降水更優。

5. 結論

本文從儲糧通風傳熱傳質原理構建小麥通風模擬模型，得到了多變數系統控制引數，使用多目標最佳化思想設定目標函式包含時間、能耗、總體最佳化的控制策略。最後利用Matlab軟體進行模擬，驗證策略可行性。本文得到結論：（1）通風溫度對於通風乾燥影響較大，糧食倉庫的通風裝置還應當包含加熱器，風機需具備一定的風速能力，如糧食溫度或水分過高將處於危險狀態，通風則不計成本代價進行。（2）總體最佳化控制適當的利用一些通風時間換取更多能耗損失的降低，具有產生經濟效益的意義。

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

參考文獻

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【基金資助】本文獲得北京聯合大學“啟明星”大學生科技創新專案（202011417XJ097）資助。