付理祥，鄭力新，樊 輝

(華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門361021)

色選機(jī)作為糧食加工的一種重要工具，因其較高的選別效率而迅速普及。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中，大部分的國(guó)產(chǎn)色選機(jī)喂料器采用的是開環(huán)控制系統(tǒng)，因價(jià)格較為低廉，在農(nóng)村廣泛使用。這些色選機(jī)在工作過(guò)程中，由于受到農(nóng)村電網(wǎng)電壓的頻繁波動(dòng)和物料重量突然變化等多種因素的影響，喂料器的振幅會(huì)發(fā)生較大的變化。喂料器振幅過(guò)小會(huì)使物料在通道內(nèi)翻滾跳動(dòng)，影響色選精度，同時(shí)也影響產(chǎn)量；振幅過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致通道內(nèi)料層過(guò)厚，色選裝置不能充分識(shí)別篩選，影響色選的精度[1]。鑒于采用開環(huán)結(jié)構(gòu)的色選機(jī)喂料器不能對(duì)振幅進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)與有效控制，本文提出了基于積分控制的閉環(huán)控制改進(jìn)方案，對(duì)喂料器的振幅穩(wěn)定和產(chǎn)量穩(wěn)定做出了進(jìn)一步的探索。

1 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1.1 硬件實(shí)現(xiàn)

本色選機(jī)喂料系統(tǒng)在原開環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增加了反饋功能模塊，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制功能。改進(jìn)后，系統(tǒng)由控制執(zhí)行部分、反饋部分和核心處理部分等3個(gè)部分組成。其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

控制執(zhí)行部分根據(jù)核心處理部分發(fā)出的控制信號(hào)對(duì)喂料器的振幅進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。反饋部分采集喂料器的實(shí)際振動(dòng)振幅數(shù)據(jù)并傳遞給核心處理部分進(jìn)行處理。核心處理部分根據(jù)事先編制好的積分運(yùn)算規(guī)則將數(shù)據(jù)處理后傳遞給控制執(zhí)行部分。3個(gè)部分緊密結(jié)合，構(gòu)成喂料器振幅控制系統(tǒng)。

1.1.1 控制執(zhí)行部分

控制執(zhí)行部分由驅(qū)動(dòng)電路、振動(dòng)器和料斗等組成。振動(dòng)器由AC～220 V～50 Hz電源供電，通過(guò)可控硅驅(qū)動(dòng)激振線圈。電流流過(guò)振動(dòng)器的激振線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁力，改變可控硅的導(dǎo)通角可以改變流過(guò)激振線圈電流的時(shí)間，進(jìn)而可以改變電磁力的大小，振幅也隨之改變。合理地控制可控硅的觸發(fā)角，可以得到所希望的振幅[2]。

1.1.2 信號(hào)反饋部分

在喂料器的底座上固定一個(gè)霍爾傳感器（本系統(tǒng)采用的型號(hào)為49E），在后端彈片靠近傳感器的位置吸附一塊小磁鋼，如圖2所示[3]。喂料器在工作過(guò)程中，霍爾傳感器和磁鋼的相對(duì)距離不斷變化，由于霍爾傳感器的霍爾效應(yīng)，它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)器的振動(dòng)情況并產(chǎn)生相應(yīng)的連續(xù)變化的電壓信號(hào)。該霍爾傳感器的輸出電壓信號(hào)較小，需放大后才能被處理器所檢測(cè)和識(shí)別。

最初，將信號(hào)放大部分電路和核心處理部分電路做到一塊電路板上，在電路工作中，模擬部分與數(shù)字部分之間會(huì)相互干擾；處理器發(fā)出的觸發(fā)脈沖對(duì)傳感器剛輸出的小信號(hào)也會(huì)造成較大干擾。隨后，將信號(hào)放大電路單獨(dú)做板，并在原板上實(shí)行模擬地與數(shù)字地單點(diǎn)共地，有效地解決了上述干擾問(wèn)題。信號(hào)放大電路原理圖如圖3所示。

1.1.3 處理核心部分

本部分由處理芯片及其附屬電路、485通信接口等組成。本系統(tǒng)采用新華龍80C51F310處理芯片作為數(shù)據(jù)處理的核心。處理器實(shí)時(shí)接收傳感器傳回的振動(dòng)數(shù)據(jù)并在線對(duì)其進(jìn)行A/D采樣預(yù)處理，之后將該采樣值與系統(tǒng)設(shè)定量的差值e（k）作為系統(tǒng)的輸入值，處理器根據(jù)輸入值運(yùn)用預(yù)先設(shè)定的積分運(yùn)算規(guī)則處理后調(diào)整可控硅的導(dǎo)通角，輸出觸發(fā)脈沖。在本部分中，觸發(fā)脈沖的頻率和電源的頻率要同步，并且在一個(gè)周期內(nèi)的位置要恰當(dāng)，才能在正確的時(shí)刻發(fā)出觸發(fā)脈沖。本系統(tǒng)在正半周期的起點(diǎn)t1開始計(jì)時(shí)，處理器根據(jù)當(dāng)前的振動(dòng)數(shù)據(jù)情況計(jì)算脈沖發(fā)出的時(shí)間t2，在時(shí)間到達(dá)t2時(shí)刻時(shí)產(chǎn)生一個(gè)+5 V的脈沖，來(lái)控制可控硅的導(dǎo)通角，如圖4所示。本部分設(shè)計(jì)了通信接口，利用RS485接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，以便在計(jì)算機(jī)上對(duì)振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制?？刂坪诵牟糠值闹饕娐吩韴D如圖5所示。

調(diào)試過(guò)程中，可控硅導(dǎo)通時(shí)，電流瞬間加載于激振線圈，產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，與磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行疊加，干擾了其正常的磁場(chǎng)，使輸出的振幅信號(hào)產(chǎn)生較大的振蕩。示波器觀測(cè)到放大后的振幅信號(hào)波形在可控硅開啟時(shí)刻的位置始終有個(gè)100 mV左右的3 μs～4 μs的振蕩，使 ADC采集回的波峰或波谷位置的振幅數(shù)據(jù)有誤差。因?yàn)槲沽掀鞅旧淼南拗?，磁鋼與霍爾傳感器的安裝位置無(wú)法遠(yuǎn)離激振線圈，故在A/D采集數(shù)據(jù)時(shí)做出處理，在觸發(fā)脈沖發(fā)生的時(shí)刻開始，丟掉兩個(gè)實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，從而避免了在毛刺位置產(chǎn)生較大誤差。這樣，反饋數(shù)據(jù)得到了較為有效的采集。

至此，3個(gè)部分有機(jī)地結(jié)合在一起，形成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)[4]。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)

本文使用LabWindows/CVI制作了喂料器振幅監(jiān)控系統(tǒng)，如圖6所示。在本喂料系統(tǒng)中，利用RS485通信接口與喂料器硬件設(shè)備進(jìn)行通信，把采集到的振幅顯示在監(jiān)控面板上，同時(shí)，監(jiān)控面板可以設(shè)定開環(huán)和閉環(huán)狀態(tài)下喂料器的振幅，以便實(shí)現(xiàn)效果的對(duì)比[5]。

1.3 控制算法

PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高，被廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)控制中。

在開始設(shè)計(jì)時(shí)，采用的是比例算法。在圖6所示的控制面板閉環(huán)控制區(qū)設(shè)置振幅在280以內(nèi)時(shí)，控制回路可控；設(shè)定振幅超過(guò)280，則極易產(chǎn)生振蕩。分析其原因是振動(dòng)器振幅變化量較大，但作為調(diào)節(jié)量的觸發(fā)角有上下界的限制，在變化劇烈的情況下極易產(chǎn)生誤差正大、負(fù)大的現(xiàn)象，使觸發(fā)角在兩個(gè)極限位置波動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。

根據(jù)多次調(diào)試結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)，本系統(tǒng)的控制算法改進(jìn)為積分控制算法，避免了比例算法的劇烈波動(dòng)。積分控制算法為：

其中，TI為積分系數(shù)。

在計(jì)算機(jī)等數(shù)字處理系統(tǒng)中，一般采用其增量式控制算法：

其中，KI為積分時(shí)間常數(shù)，k為采樣時(shí)間點(diǎn)。KI在誤差較大時(shí)取值比較大，在誤差較小時(shí)取值比較小[6]。在本系統(tǒng)中，誤差e(k)在[-6，6]區(qū)間即可滿足設(shè)計(jì)需求，此時(shí)，取KI=1.3。本系統(tǒng)采用積分控制算法后的流程圖如圖7所示。

采用積分控制算法后，振動(dòng)量的改變即使較大，誤差也有個(gè)遞進(jìn)的梯度，通過(guò)誤差累積后再起控制作用，可有效地對(duì)振幅進(jìn)行控制。利用此方法對(duì)喂料系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以得到較好的效果。

2 實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比

2.1 振幅穩(wěn)定性測(cè)試

2.1.1 開環(huán)控制實(shí)驗(yàn)

在電壓為AC～220 V～50 Hz的條件下，喂料器振幅監(jiān)控面板開環(huán)控制調(diào)節(jié)區(qū)設(shè)定振動(dòng)量為570(本監(jiān)控系統(tǒng)可以同時(shí)監(jiān)控5路，本文只用1路做測(cè)試實(shí)驗(yàn)，選用的物料為大米，下同)。在工作時(shí)料斗內(nèi)原有大米0.6 kg，當(dāng)大米重量突然增加0.6 kg時(shí)，測(cè)試多次后取其中一次的振動(dòng)數(shù)據(jù)如圖8所示。由此可見，在開環(huán)狀態(tài)下，大米重量突然增加后，喂料器振幅減小后就很難再恢復(fù)。

2.1.2 閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)

相同條件下，喂料器振幅監(jiān)控面板閉環(huán)控制調(diào)節(jié)區(qū)振動(dòng)量設(shè)定為570，當(dāng)大米重量突然增加時(shí)，測(cè)試多次后取其中一次的振動(dòng)數(shù)據(jù)，如圖9所示?？梢缘玫剑陂]環(huán)控制狀態(tài)下，大米重量突然增加后，喂料器振幅變小后在幾個(gè)周期后逐漸恢復(fù)原先設(shè)定的振幅，魯棒性能好，抗干擾能力強(qiáng)。

2.2 產(chǎn)量穩(wěn)定性對(duì)比

2.2.1 開環(huán)控制實(shí)驗(yàn)

以供電電源AC～220 V～50 Hz時(shí)的產(chǎn)量作為參考值，在控制面板上設(shè)置開環(huán)振動(dòng)量為260，實(shí)驗(yàn)條件是在米量足夠的情況下每下落10 kg記時(shí)一次，測(cè)試4次，取消耗時(shí)間的平均值作為消耗時(shí)間的計(jì)算值。該條件下?lián)Q算成產(chǎn)量為 0.352 9 t/h。電壓為 160 V、180 V、200 V、220 V、240 V時(shí)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。與參考條件下對(duì)比，產(chǎn)量最大誤差為181.25%。開環(huán)控制產(chǎn)量變化過(guò)大，難以滿足產(chǎn)量穩(wěn)定的要求，同時(shí)又對(duì)色選精度造成了影響。

表1 開環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

2.2.2 閉環(huán)實(shí)驗(yàn)

以開環(huán)控制時(shí)電源為AC～220 V～50 Hz時(shí)的產(chǎn)量作為參照標(biāo)準(zhǔn)，在閉環(huán)控制220 V的測(cè)試條件下，要達(dá)到開環(huán)控制一樣的產(chǎn)量，這時(shí)要在控制面板上設(shè)置閉環(huán)振動(dòng)量為250，在米量足夠的情況下每下落10 kg記時(shí)一次，測(cè)試4次，取消耗時(shí)間的平均值作為消耗時(shí)間的計(jì)算值。該條件下?lián)Q算成產(chǎn)量為0.352 9 t/h，電壓為160 V、180 V、200 V、220 V、240 V時(shí)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表 2所示。本組測(cè)試最大誤差為12.10%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著良好的一致性。

表2 閉環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

經(jīng)開環(huán)和閉環(huán)實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明，喂料器采用積分運(yùn)算方式改進(jìn)后的閉環(huán)控制系統(tǒng)抗干擾效果顯著，振幅能在設(shè)定值處穩(wěn)定，產(chǎn)量穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期的效果。

色選機(jī)喂料系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，本文提出了基于積分控制的閉環(huán)控制方法，使得本喂料器振幅能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行自適應(yīng)。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的諸如電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和物料重量的突然變化等情況有較好的適應(yīng)能力。本系統(tǒng)可以在線控制振幅的穩(wěn)定，對(duì)提高色選精度和穩(wěn)定產(chǎn)量有著很大的輔助作用，達(dá)到了預(yù)期的改進(jìn)效果，有著較大的實(shí)用價(jià)值。

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