色選機喂料器振幅和產(chǎn)量控制的研究*

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，大部分的國產(chǎn)色選機喂料器采用的是開環(huán)控制系統(tǒng)，因價格較為低廉，在農(nóng)村廣泛使用。這些色選機在工作過程中，由于受到農(nóng)村電網(wǎng)電壓的頻繁波動和物料重量突然變化等多種因素的影響，喂料器的振幅會發(fā)生較大的變化。喂料器振幅過小會使物料在通道內(nèi)翻滾跳動，影響色選精度，同時也影響產(chǎn)量；振幅過大則會導(dǎo)致通道內(nèi)料層過厚，色選裝置不能充分識別篩選，影響色選的精度[1]。鑒于采用開環(huán)結(jié)構(gòu)的色選機喂料器不能對振幅進行實時跟蹤監(jiān)測與有效控制，本文提出了基于積分控制的閉環(huán)控制改進方案，對喂料器的振幅穩(wěn)定和產(chǎn)量穩(wěn)定做出了進一步的探索。

1 系統(tǒng)的實現(xiàn)

1.1 硬件實現(xiàn)

本色選機喂料系統(tǒng)在原開環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增加了反饋功能模塊，以實現(xiàn)閉環(huán)控制功能。改進后，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)出的控制信號對喂料器的振幅進行實時調(diào)節(jié)。反饋部分采集喂料器的實際振動振幅數(shù)據(jù)并傳遞給核心處理部分進行處理。核心處理部分根據(jù)事先編制好的積分運算規(guī)則將數(shù)據(jù)處理后傳遞給控制執(zhí)行部分。3個部分緊密結(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)動電路、振動器和料斗等組成。振動器由AC～220 V～50 Hz電源供電，通過可控硅驅(qū)動激振線圈。電流流過振動器的激振線圈時會產(chǎn)生電磁力，改變可控硅的導(dǎo)通角可以改變流過激振線圈電流的時間，進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 信號反饋部分

在喂料器的底座上固定一個霍爾傳感器（本系統(tǒng)采用的型號為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]。喂料器在工作過程中，霍爾傳感器和磁鋼的相對距離不斷變化，由于霍爾傳感器的霍爾效應(yīng)，它可以實時監(jiān)測振動器的振動情況并產(chǎn)生相應(yīng)的連續(xù)變化的電壓信號。該霍爾傳感器的輸出電壓信號較小，需放大后才能被處理器所檢測和識別。

最初，將信號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)字部分之間會相互干擾；處理器發(fā)出的觸發(fā)脈沖對傳感器剛輸出的小信號也會造成較大干擾。隨后，將信號放大電路單獨做板，并在原板上實行模擬地與數(shù)字地單點共地，有效地解決了上述干擾問題。信號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。處理器實時接收傳感器傳回的振動數(shù)據(jù)并在線對其進行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)輸入值運用預(yù)先設(shè)定的積分運算規(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，并且在一個周期內(nèi)的位置要恰當(dāng)，才能在正確的時刻發(fā)出觸發(fā)脈沖。本系統(tǒng)在正半周期的起點t1開始計時，處理器根據(jù)當(dāng)前的振動數(shù)據(jù)情況計算脈沖發(fā)出的時間t2，在時間到達t2時刻時產(chǎn)生一個+5 V的脈沖，來控制可控硅的導(dǎo)通角，如圖4所示。本部分設(shè)計了通信接口，利用RS485接口與計算機進行通信，以便在計算機上對振動參數(shù)進行監(jiān)測和控制?？刂坪诵牟糠值闹饕娐吩韴D如圖5所示。

調(diào)試過程中，可控硅導(dǎo)通時，電流瞬間加載于激振線圈，產(chǎn)生較強的磁場，與磁鋼產(chǎn)生的磁場進行疊加，干擾了其正常的磁場，使輸出的振幅信號產(chǎn)生較大的振蕩。示波器觀測到放大后的振幅信號波形在可控硅開啟時刻的位置始終有個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。因為喂料器本身的限制，磁鋼與霍爾傳感器的安裝位置無法遠離激振線圈，故在A/D采集數(shù)據(jù)時做出處理，在觸發(fā)脈沖發(fā)生的時刻開始，丟掉兩個實時位置數(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個部分有機地結(jié)合在一起，形成了一個閉環(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)備進行通信，把采集到的振幅顯示在監(jiān)控面板上，同時，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，以便實現(xiàn)效果的對比[5]。

1.3 控制算法

PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高，被廣泛應(yīng)用于過程控制和運動控制中。

在開始設(shè)計時，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，控制回路可控；設(shè)定振幅超過280，則極易產(chǎn)生振蕩。分析其原因是振動器振幅變化量較大，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、負大的現(xiàn)象，使觸發(fā)角在兩個極限位置波動，導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。

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

其中，TI為積分系數(shù)。

在計算機等數(shù)字處理系統(tǒng)中，一般采用其增量式控制算法：

其中，KI為積分時間常數(shù)，k為采樣時間點。KI在誤差較大時取值比較大，在誤差較小時取值比較小[6]。在本系統(tǒng)中，誤差e(k)在[-6，6]區(qū)間即可滿足設(shè)計需求，此時，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，振動量的改變即使較大，誤差也有個遞進的梯度，通過誤差累積后再起控制作用，可有效地對振幅進行控制。利用此方法對喂料系統(tǒng)進行控制，可以得到較好的效果。

2 實驗效果對比

2.1 振幅穩(wěn)定性測試

2.1.1 開環(huán)控制實驗

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)定振動量為570(本監(jiān)控系統(tǒng)可以同時監(jiān)控5路，本文只用1路做測試實驗，選用的物料為大米，下同)。在工作時料斗內(nèi)原有大米0.6 kg，當(dāng)大米重量突然增加0.6 kg時，測試多次后取其中一次的振動數(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)控制實驗

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)振動量設(shè)定為570，當(dāng)大米重量突然增加時，測試多次后取其中一次的振動數(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。

2.2 產(chǎn)量穩(wěn)定性對比

2.2.1 開環(huán)控制實驗

以供電電源AC～220 V～50 Hz時的產(chǎn)量作為參考值，在控制面板上設(shè)置開環(huán)振動量為260，實驗條件是在米量足夠的情況下每下落10 kg記時一次，測試4次，取消耗時間的平均值作為消耗時間的計算值。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時的實驗測試數(shù)據(jù)如表1所示。與參考條件下對比，產(chǎn)量最大誤差為181.25%。開環(huán)控制產(chǎn)量變化過大，難以滿足產(chǎn)量穩(wěn)定的要求，同時又對色選精度造成了影響。

表1 開環(huán)實驗數(shù)據(jù)記錄表

2.2.2 閉環(huán)實驗

以開環(huán)控制時電源為AC～220 V～50 Hz時的產(chǎn)量作為參照標(biāo)準(zhǔn)，在閉環(huán)控制220 V的測試條件下，要達到開環(huán)控制一樣的產(chǎn)量，這時要在控制面板上設(shè)置閉環(huán)振動量為250，在米量足夠的情況下每下落10 kg記時一次，測試4次，取消耗時間的平均值作為消耗時間的計算值。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時的實驗測試數(shù)據(jù)如表 2所示。本組測試最大誤差為12.10%。實驗結(jié)果有著良好的一致性。

表2 閉環(huán)實驗數(shù)據(jù)記錄表

經(jīng)開環(huán)和閉環(huán)實驗對比表明，喂料器采用積分運算方式改進后的閉環(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，達到了設(shè)計預(yù)期的效果。

色選機喂料系統(tǒng)是個復(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)實際情況進行自適應(yīng)。經(jīng)過實際測試，該系統(tǒng)對工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的諸如電網(wǎng)電壓的波動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，對提高色選精度和穩(wěn)定產(chǎn)量有著很大的輔助作用，達到了預(yù)期的改進效果，有著較大的實用價值。

[1]高瑞，張永林，王旺平，等.散體物料光電色選機模糊 PID控制系統(tǒng)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版)，2008，32（4）：634-637.

[2]林少偉，胡懷榮.電磁振動式給料設(shè)備控制方式的改進[J].華東電力，2004，32（10）：60-62.

[3]賀為群.淺談RNGS系列色選機的創(chuàng)新點[J].糧食與飼料工業(yè)，2006(7)：4-5.

[4]MUSTAFA B，MEHMET D O.Determination of applicability and effects of color sorting system in bulgur production line[J].Journal of Food Engineering，2006(74)：232-239.

[5]王建新，隋美麗.LabWindows/CVI虛擬儀器測試技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：1-9.

[6]李元春.計算機控制系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2005：112-121.