摘要：为了适应农作物种子等产品的恒温烘干要求和节能减排的目标，研发了一种太阳能与空气源热泵并联加热的农作物烘干机及其恒温控制系统。烘干机内采用封闭流动的纯净水为传热介质，用储水箱来储存热能。恒温控制系统采用LPC单片机，在水箱和烘干房等处设置多个温度传感器，组成一个闭环控制系统，能够根据天气和烘干物料情况选择节能的加热烘干模式。控制系统使用加入Smith预估环节的模糊PID控制算法，使烘干过程维持在设定温度范围内。通过系统仿真和实际应用，研发的太阳能热泵烘干机可提高烘干效率和工艺稳定性，能够满足农作物种子等恒温烘干需求。
关键词：太阳能；空气源热泵；烘干机；单片机；模糊PID；Smith预估器
1引言
烘干机常用热源有煤、电、天然气等，物料烘干过程是一个巨大的耗能过程，研发利用太阳能、空气能等可再生能源的工业烘干设备，可以节能减排。单独利用太阳能集热器的太阳能烘干机容易受天气变化的影响，空气能热泵烘干机有较好的节能效果。将太阳能集热和空气能热泵结合在一起的太阳能热泵烘干机，不但可以充分利用太阳能，达到最佳的节能效果，而且易于保证烘干工艺稳定性的要求。文献等通过实验研究发现将太阳能与热泵联合烘干，烘干时间与单独采用太阳能烘干相比缩短了20％左右，节能效率在70％左右。
一些农作物种子等物料对烘干温度和时间的要求比较严格。文献研究烘干温度与时间对水稻种子含水量和活力的影响时发现，若烘干温度过高容易引起爆腰，使种子发芽率降低；若烘干实际温度过低，会影响烘干效率，增加烘干成本。文献在茶叶烘干机温度控制中采用模糊PID控制算法，取得了较好的应用效果。但常规的模糊PID控制系统对于延迟大、非线性强、控制信号反应慢的复杂烘干过程往往不能获得令人满意的控制效果。文献进行自然空气对流和强制空气对流的方法辅助太阳能干燥稻谷的研究，结果发现太阳能干燥中的谷物温度一般低于70。文献研究了流化床干燥器的模糊控制过程和控制过程，并通过实验得出结论：模糊控制较控制不仅具有较好的控制特性，而且控制器的设计也较传统的非线性控制器简单。文献提出一种改进Smith预估器的方法，应用于模糊PID控制系统中，使系统对模型精度要求降低，控制品质得到了很大的改善。
为了满足农作物种子的恒温烘干要求和节能减排的目标，研发一种太阳能与空气能热泵并联加热的农作物烘干机，烘干机内采用封闭流动的纯净水为传热介质，用储水箱来储存能量，该结构不但易于最大限度地储存和利用太阳能，还有利于实现恒温烘干。采用模糊PID和改进的Smith预估控制算法，设计出一种恒温烘干控制系统，使烘干过程维持在预设温度范围内，提高农作物种子的烘干品质和效率。
2太阳能热泵烘干机系统及工作流程
太阳能热泵烘干机系统主要由太阳能集热器、空气能热泵、储热水箱、烘干机等主要部件组成，系统构成，如图1所示。为了减少水垢的危害，传热介质采用纯净水，形成一个封闭的水循环系统。空气能热泵子系统由冷凝器、变频压缩机、蒸发器、节流膨胀阀等构成。太阳能集热器和热泵并联连接，可同时加热储水箱里的热水。水泵抽取储水箱里的热水流经烘干机内的散热片时，通过鼓风机将热量吹入烘干室内，通过热风实现对物料的烘干。为了实现最大的节能效率，在天气晴好时，太阳能集热器加热热水；没有阳光或水箱水温不能满足烘干要求时，启动空气能热泵加热。
图1太阳能热泵烘干机系统的总体结构
太阳能热泵烘干机控制系统的具体工作流程为：(1)用户根据需要预设所需的烘干温度并启动烘干机。(2)通过水位传感器检测循环水箱内的水位值，当水位低于预设值，自动开启电磁阀补水。(3)控制系统通过温度传感器采集太阳能集热器的进出口温度来判别是否需要启动太阳能供热模式。(4)通过烘干房供热水泵将加热后的热水抽人供热水箱中，并由散热片和供热风机将热水散出的热空气送人烘干房中对农作物进行烘干。(5)当烘干处于稳定状态时(达到需要的预设温度)，热泵压缩机保持固定的频率运行。当出现一定的干扰时，控制系统通过调节热泵压缩机的运行频率，直到烘干房再一次稳定在用户设定的温度值。
3控制系统方案的硬件设计
烘干机控制系统是一个控制精度高、操作简便、处理快的智能控制系统。同时，太阳能热泵烘干机作为一种节能减排的绿色产品，节约处理器系统的能耗也应成为设计的