一种基于LNG冷能氮气的粮仓温湿度协同控制系统的制作方法

本发明涉及粮食储藏自动控制与温湿度协同调节，具体为一种基于lng冷能氮气的粮仓温湿度协同控制系统。

背景技术：

1、现有粮仓低温储粮控制多以仓内空气温度、粮温和相对湿度作为反馈量，并依据预设控制区间调节冷氮温度、通入强度及持续时间。当粮温高于设定范围时，控制器增加冷量输入，使低温氮气与粮堆孔隙空气及粮粒表面进行换热；当相对湿度接近上限时，则通过降低冷却强度、延长氮气置换时间或暂停降温来抑制湿度继续上升。此类控制方式通常把温度偏差与湿度偏差作为彼此独立的判据，依据当前测量值分别触发相应控制动作，并利用周期性采样结果修正下一控制周期的输入量。在负荷变化较缓、粮堆温湿状态较均匀时，独立反馈方式能够维持设定范围，但控制器通常不区分相对湿度变化究竟来自空气温度快速下降还是来自粮堆内部水汽迁移，也不连续描述冷氮输入对粮温、空气含湿状态和露点裕度的耦合影响，因此控制决策主要建立在当前偏差而非未来热湿状态演化基础上。

2、另一类粮仓温湿度控制方式会在独立反馈基础上加入露点判断或预测控制，根据空气温度与相对湿度估算露点，并在粮温接近露点时限制进一步降温；部分控制器还利用历史温湿数据建立未来状态预测关系，在若干候选冷氮控制量中选择满足温度约束的控制序列。此类方式虽然开始考虑凝露边界和温度变化趋势，但露点约束往往作为附加保护条件独立于湿度来源辨识，预测模型也多按照固定参数描述冷氮输入与粮仓响应之间的关系。当粮食含水状态、粮气温差及前期冷却历史发生变化后，同一冷氮温度或通入强度对应的粮温下降速度、空气含湿变化及露点接近速度会出现不同响应，固定映射难以持续反映实际过程；若控制轨迹仅按照温度下降幅度或单时刻露点裕度进行筛选，还可能遗漏预测时域中间阶段的露点收敛过程，使后续控制在局部状态已经接近凝露条件时仍维持较强冷量输入。

3、现有方式需要解决的问题集中在冷氮降温过程中温度变化与湿度变化相互耦合而造成的控制判定失真：空气温度下降会在实际水汽含量基本不变时推高相对湿度，而粮堆内部水汽迁移同样会表现为湿度上升，两类变化在测量结果上具有相似表征，却要求不同的冷氮调节方向。若控制器将温降诱导的相对湿度升高误判为返潮，会过早削弱冷量输入；若将真实水汽迁移误判为单纯温降效应，则可能继续强化冷却，使粮温与露点之间的裕度持续缩小。由于冷氮温度、通入强度和持续时序同时影响粮温下降、空气含湿状态及露点变化，单变量阈值控制难以在同一控制周期内协调这些状态，容易形成降温、湿度上升、减冷、温度回升、再次加冷的往复调节，并使部分预测时段进入凝露风险区，因此需要建立能够区分湿度来源并受露点安全边界约束的热湿协同控制机制。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于lng冷能氮气的粮仓温湿度协同控制系统，可以解决上述背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种基于lng冷能氮气的粮仓温湿度协同控制系统，包括温湿状态构建部、热湿耦合预测部、露点安全域生成部及冷氮控制轨迹决策部；所述温湿状态构建部根据粮仓空气温度、相对湿度及粮温形成空气含湿状态和粮气温差状态；所述热湿耦合预测部基于连续控制周期的lng冷能氮气输入与温湿响应建立状态转移关系；所述露点安全域生成部根据空气含湿状态及粮温确定预测时域内的露点裕度约束；所述冷氮控制轨迹决策部在所述状态转移关系和所述露点裕度约束下生成并筛选冷氮温度、通入强度及持续时序组成的候选控制轨迹。

4、优选的，所述温湿状态构建部将相对湿度变化分解为随空气温度变化产生的温度诱导分量和随所述空气含湿状态变化产生的湿迁移分量，根据相邻控制周期内空气温度变化率、相对湿度变化率及粮温变化率形成湿度来源判别量，并将所述湿度来源判别量、所述空气含湿状态及所述粮气温差状态按照统一控制周期排列为热湿耦合状态向量，所述热湿耦合预测部以前述热湿耦合状态向量和对应的lng冷能氮气输入共同构成状态转移关系的连续输入序列。

5、优选的，所述热湿耦合预测部针对连续多个控制周期建立冷氮温度变化、通入强度变化及持续时序变化与粮温变化量、空气含湿状态变化量和露点裕度变化量之间的局部灵敏度矩阵，将上一控制周期预测状态与实测状态之间的联合偏差沿各冷氮输入方向进行响应归因，并利用归因结果递推更新所述局部灵敏度矩阵，所述冷氮控制轨迹决策部按照更新后的输入方向耦合关系构造预测时域内的候选控制轨迹集合。

6、优选的，所述露点安全域生成部依据粮仓空气露点状态、粮温状态以及二者在连续控制周期内的变化方向，构造随预测时域滚动更新的动态安全边界，并将预测时刻之间的露点裕度连续变化关系纳入所述动态安全边界；所述冷氮控制轨迹决策部按照预测时序逐点计算每一候选控制轨迹对应的粮温状态、空气含湿状态及露点裕度状态，将任一预测时刻越出所述动态安全边界的候选控制轨迹从候选控制轨迹集合中剔除。

7、优选的，所述湿度来源判别量通过温降补偿基线进行构建，所述温降补偿基线根据相邻稳定控制阶段中空气温度变化与相对湿度变化的同步关系递推形成；当前控制周期的相对湿度变化量按照温降补偿基线分离出温度诱导分量，并将剩余变化量与空气含湿状态变化方向进行一致性配对，按照配对结果生成湿迁移分量；所述温降补偿基线仅采用所述湿迁移分量保持连续且lng冷能氮气输入未发生方向切换的控制周期进行后续递推更新。

8、优选的，所述局部灵敏度矩阵分别设置冷氮温度、通入强度及持续时序对应的输入方向，并根据同一控制周期内粮温、空气含湿状态及露点裕度的联合响应确定输入方向之间的交叉耦合项；当连续控制周期的预测偏差被归因至同一输入方向时，将对应输入方向与产生反向露点裕度响应的另一输入方向建立联动约束，并按照所述联动约束重构所述候选控制轨迹，使两个关联输入方向不再独立变化，所述局部灵敏度矩阵同步记录重构轨迹产生的联合响应状态。

9、优选的，所述动态安全边界进一步根据粮温变化方向与露点裕度变化方向构造冷却接近状态，将预测时域划分为露点裕度扩张区间、稳定区间和收敛区间；对于处于所述收敛区间的候选控制轨迹，禁止冷氮温度降低与通入强度增加在同一预测时段同时发生，并从冷氮温度、通入强度及持续时序中选取一个输入方向保持前一时段状态，其余输入方向依据所述动态安全边界重新排列，形成带有输入方向互斥约束的候选控制轨迹。

10、优选的，所述冷氮控制轨迹决策部根据空气含湿状态变化方向以及露点裕度扩张区间、稳定区间和收敛区间，将所述候选控制轨迹分割为降温主导轨迹段与排湿主导轨迹段，并以预测状态由露点裕度收敛转为稳定或者由湿迁移分量增加转为减小的预测时刻确定轨迹连接点；所述轨迹连接点两侧的冷氮输入按照前一轨迹段的末端状态和后一轨迹段的首端状态建立连续过渡序列，所述连续过渡序列与两个轨迹段共同组成完整预测时域的组合控制轨迹。

11、优选的，所述湿迁移分量按照组合控制轨迹的预测时段建立逐段对应关系，将各降温主导轨迹段对应的湿迁移分量预测方向与执行后的湿迁移分量实测方向进行一致性比较；当连续两个相邻降温主导轨迹段均出现预测方向与实测方向相反时，将前一轨迹连接点调整至首次出现方向偏离的预测时段，并基于所述温降补偿基线重新计算调整区间内的所述温度诱导分量和所述湿迁移分量，再利用重新形成的湿迁移分量序列重构相邻降温主导轨迹段与排湿主导轨迹段。

12、优选的，局部灵敏度矩阵、所述动态安全边界及所述组合控制轨迹采用同一滚动预测时域进行关联更新，将当前预测时域内已经执行的冷氮输入序列对应至粮温、所述空气含湿状态和露点裕度的实测状态序列，将尚未执行的组合控制轨迹移入下一预测时域作为初始轨迹，并利用所述实测状态序列与对应预测状态序列之间的偏差同步更新所述局部灵敏度矩阵的交叉耦合项、动态安全边界所属状态区间以及所述组合控制轨迹的轨迹连接点，再基于更新结果生成下一滚动预测时域的lng冷能氮气控制序列。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

14、1.温湿状态构建方式将相对湿度变化分离为温度诱导分量和湿迁移分量，并把空气含湿状态、粮气温差及湿度来源判别量纳入同一热湿耦合状态向量，使控制器能够在相对湿度升高时识别其对应的状态来源；结合冷氮输入与粮温、空气含湿状态、露点裕度之间持续更新的局部灵敏度关系，可在预测时域内同步计算不同冷氮温度、通入强度和持续时序造成的热湿响应。动态露点安全边界对候选控制轨迹逐时刻进行约束，使会造成露点裕度连续收敛并越界的控制序列在执行前被排除。当湿度升高主要由温降引起时，控制过程无需因单一相对湿度变化立即转入排湿状态；当湿迁移分量持续增加时，组合控制轨迹能够将降温主导段切换为排湿主导段。由此可减少湿度来源误判导致的冷氮反向调节，使粮温下降过程与水汽状态变化保持协调，并降低局部状态进入凝露条件的概率。

15、2.局部灵敏度矩阵根据实际控制响应递推更新冷氮各输入方向之间的交叉耦合关系，使不同粮食热湿状态下的控制轨迹不再依赖固定映射；当连续预测偏差集中于同一输入方向时，输入联动约束对冷氮温度与通入强度的组合变化进行重构，可减少两个输入同时强化所造成的露点裕度快速收敛。动态安全边界进一步把预测时域划分为露点裕度扩张、稳定和收敛状态，在收敛状态下限制冷氮温度降低与通入强度增加同步发生，并通过轨迹连接点形成降温主导段与排湿主导段的连续过渡。滚动预测过程中，已执行输入对应的实测粮温、空气含湿状态和露点裕度会反向修正灵敏度关系、安全区间及轨迹连接点，使后续控制序列随实际响应连续更新，减小固定模型偏差累积造成的温度过冲、控制方向频繁切换和相邻控制周期之间的冷氮输入突变。