摘要
我国是世界上的人口大国，每年的粮食消耗量十分巨大。玉米是主要的粮食、饲料兼经济作物，在我国粮食安全领域中有着举足轻重的地位。玉米收获后，含水率较高，籽粒内部存在旺盛的呼吸作用。这不仅消耗部分营养物质，降低经济价值;还产生大量的热量，导致籽粒迅速腐败变质。因此，必须将收获后玉米的含水率降低到安全范围内。此过程中，玉米籽粒的大量且快速干燥便成为收获后的重要环节之一。目前存在的干燥方式多种多样，主要包括热风干燥、微波干燥、冷冻干燥等。微波干燥、冷冻干燥成本较高、产量较低，实际大规模的生产中主要采用热风干燥。热风干燥过程中的各工艺参数（热风温度、热风风速及缓苏比等）会对干燥效果（综合考虑干燥速率、能耗水平与干后品质）产生重要影响。因此，必须找出实现干燥效果最大化的工艺参数;探究提高玉米干后品质的工艺方法;开发出一套控制方法，实现干燥过程的高效化与自动化;对热风干燥箱的结构进行改进与优化，实现干燥均匀性的最大化。具体研究内容如下: （1）热风干燥工艺参数分析。 热风干燥过程中的工艺参数主要包括热风温度、热风湿度、热风风速及缓苏比等。实际生产过程中热风需求量十分巨大，大规模地改变热风湿度不切实际，因此不研究其对干燥效果的影响。首先，通过单因素实验探究各单一参数对干燥效果的影响，得出它们的最佳范围。以此为基础，进行正交实验，得到不同工艺参数组合下的干燥效果。借助数据处理，找出最优工艺参数组，使得综合考虑干燥速率、能耗水平及干后品质时达到最优水平。 (2)热风干燥过程中玉米籽粒应力特性探究。 玉米籽粒热风干燥过程中存在较大应力，进而产生裂纹，这是影响籽粒干后品质的重要因素，必须尽量避免。依据平均几何尺寸建立玉米籽粒的三维适体模型，基于传热传质方程、应力-应变理论及热质守恒定律构建玉米籽粒的热风干燥模型，进行传热传质模拟计算，获得温、湿度梯度分布，并与应力模型进行耦合，揭示干燥应力的变化规律。此外，还针对热风干燥模型的正确性与精确度进行实验验证。结果发现:干燥过程中，热应力、湿应力在籽粒中均呈现表层较大而内部较小的现象，二者均在初期迅速增大而后缓慢减小;玉米籽粒主要受湿应力作用，干燥初期由于湿应力过大从而产生裂纹，适当增加空气湿度可显著降低应力水平;玉米籽粒温度的模拟值与实验值间的最大误差为8.5％。 (3)热风干燥温度控制方法研究。 热风温度通过对干燥速率、能耗水平及产物干后品质加以作用，进而影响干燥效果，重要性不言而喻。通过工艺参数分析，已经得到实现干燥效果最大化的最优温度。以最优工艺参数中的温度为期望值,通过推导得出热风干燥箱温度控制系统的传递函数。将免疫反馈算法、模糊控制算法相结合，在线实时整定PID控制器中的比例、微分、积分系数，设计一种基于经典PID控制器的模糊免疫PID控制器，用以精确控制干燥过程中的温度。借助仿真平台，对比分析经典PID、模糊PID、模糊免疫PID三种控制算法的温度响应曲线，结果表明:模糊免疫PID控制器的上升时间、调整时间及超调量均优于经典PID控制器，其抗干扰能力显著优于模糊PID控制器。通过比较得出，三种控制算法中，模糊免疫PID算法是玉米热风干燥过程中实现温度自动控制的最优方法。 (4)热风干燥箱结构改进与优化。 在玉米籽粒热风干燥工艺分析与应力模拟的基础上，对干燥箱的结构进行优化与再设计。基于流场可视化研究，以温度均匀性与速度均匀性为评价指标，重新设计热风入口的数量与相对位置，对比分析优化前后箱内流场的分布均匀性，以期找到最优结构，利于物料的干燥，实现干燥均匀性的最大化。
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