基于自動給料機(jī)的變頻速度調(diào)節(jié)控制研究

陸文灝，劉緒軍

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

隨著自動化控制技術(shù)的深入應(yīng)用，農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)及工業(yè)等行業(yè)對于供應(yīng)給料的精量化與效率化要求亦不斷提高。給料機(jī)作為應(yīng)用廣泛的機(jī)械裝置之一，其功能表現(xiàn)為用于輸送有用原材料，是一種中間物料傳遞裝置。目前，市場的自動給料機(jī)根據(jù)應(yīng)用場合的不同主要有輸送給料、振動給料及氣動給料等。近年來，國內(nèi)外學(xué)者以給料機(jī)為研究對象，相繼從各個(gè)方向做出了研制與開發(fā)，包括從優(yōu)化給料機(jī)給料口尺寸、結(jié)構(gòu)以及增加定量給料控制等。為進(jìn)一步提高給料機(jī)的給料均勻性及速度可調(diào)控性，筆者根據(jù)自動給料機(jī)的工作原理從變頻控制和PID調(diào)節(jié)相結(jié)合的角度出發(fā)，對自動給料機(jī)的給料速度的變頻調(diào)節(jié)和控制算法展開討論。

1 自動給料機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

自動給料機(jī)主要由電機(jī)、激振裝置、給料機(jī)機(jī)體及過濾芘條裝置及彈簧組成，如圖1所示。工作原理可簡要概述為：自動給料裝置在電機(jī)提供動力源的前提條件下，通過彈簧裝置和激振裝置的相互協(xié)調(diào)配合，進(jìn)行自動給料作業(yè)。一方面，電機(jī)作為給料裝置實(shí)現(xiàn)自動控制的核心，針對自動給料機(jī)變頻速度調(diào)節(jié)，很大程度取決于電機(jī)的性能及實(shí)現(xiàn)電機(jī)相關(guān)連鎖作業(yè)及速度調(diào)節(jié)的智能化裝置；另一方面，工作過程的振動性能是決定給料效率的關(guān)鍵，為實(shí)現(xiàn)均勻、快速自動給料，需對給料關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的振動結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解設(shè)計(jì)。動力學(xué)振動理論模型可描述為：

1)自動給料機(jī)構(gòu)水平方向?yàn)?/p>

(1)

2)自動給料機(jī)構(gòu)垂直方向?yàn)?/p>

(2)

(3)

自動給料機(jī)構(gòu)水平與垂直方向的運(yùn)動軌跡及條件表明，電磁振動給料機(jī)的實(shí)時(shí)作業(yè)過程重點(diǎn)考慮電磁共振的區(qū)域、作用力矩和振動幅度等關(guān)鍵參數(shù)。

2 給料系統(tǒng)控制要求

自動給料機(jī)的給料系統(tǒng)整體控制要求精準(zhǔn)化與均勻化，為滿足自動給料的工藝流程，在研究給料系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ)上，對給料速度進(jìn)行變頻優(yōu)化控制。圖2為擬實(shí)現(xiàn)的給料系統(tǒng)變頻給料控制設(shè)計(jì)原理圖。由圖2可知：在給料機(jī)的工作原理基礎(chǔ)上，替代傳統(tǒng)的電氣調(diào)節(jié)方式，增加上位機(jī)監(jiān)控與PLC核心控制原理與變頻裝置協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)給料系統(tǒng)變頻速度調(diào)節(jié)目標(biāo)。上位機(jī)部分實(shí)現(xiàn)了計(jì)算、顯示、報(bào)表與監(jiān)控的一體化控制功能，避免操作不便、監(jiān)控精度不高等缺陷，給料系統(tǒng)部分則實(shí)現(xiàn)了根據(jù)不同給料要求與原料性能，通過調(diào)整電流與電壓信號，控制給料電機(jī)進(jìn)行變頻速度調(diào)節(jié)的控制要求。

1.電機(jī) 2.激振裝置 3.給料機(jī)機(jī)體 4.過濾裝置 5.彈簧

圖2 變頻給料設(shè)計(jì)原理圖Fig.2 Design schematic diagram of the frequency conversion feeding

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件選型

優(yōu)化給料機(jī)變頻控制電路，根據(jù)整流核心原理在觸發(fā)信號環(huán)節(jié)加入IGBT(見圖3)，進(jìn)而本著精確化的目的，在給料環(huán)節(jié)選取電位器型號為WDD35D4。此型號電位器可較好實(shí)現(xiàn)直流或低頻交流電壓電流的精準(zhǔn)化調(diào)節(jié)，關(guān)鍵參數(shù)如下：

額定功率/W：2

電阻值誤差率：12%左右

電氣轉(zhuǎn)度/(°)：344～347

溫度變化范圍/℃：-50～120

給料量的多少與給料機(jī)的變頻速度調(diào)節(jié)之間關(guān)系緊密，為準(zhǔn)確測量給料量實(shí)現(xiàn)變頻速度控制，在給料組成構(gòu)件中安裝固體流量計(jì)，通過傳感裝置獲取物料的下料速度、物料的質(zhì)量大小，進(jìn)一步確定自動給料機(jī)的速度與振幅變化等核心參數(shù)。

圖3 給料機(jī)變頻控制電路Fig.3 Frequency conversion control circuit of the feeding machine

3.2 軟件控制

自動給料裝置軟件控制采用將模糊化控制理論與PID控制器相融合，通過兩者的高效程序設(shè)計(jì)與結(jié)合，實(shí)現(xiàn)變頻速度調(diào)節(jié)控制。此優(yōu)化核心在于隸屬度函數(shù)的確立與模糊規(guī)則的選取等。圖4為自動給料系統(tǒng)控制編輯器窗口設(shè)置截圖。由窗口設(shè)置可知：通過給定一定的給料量偏差及相應(yīng)的偏差變化率參數(shù)，進(jìn)一步通過變頻裝置實(shí)現(xiàn)給料速度的調(diào)節(jié)控制。

圖4 自動給料系統(tǒng)控制編輯器窗口設(shè)置Fig.4 Control editor window Settings of automatic feeding system

自動給料機(jī)的智能化實(shí)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)由上位機(jī)、執(zhí)行系統(tǒng)及下位機(jī)完整組成。為便于監(jiān)控給料機(jī)的變頻速度控制及整機(jī)工作狀態(tài)，針對自動給料的組態(tài)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)(見圖5)。在軟件系統(tǒng)與硬件執(zhí)行部件間建立數(shù)據(jù)通訊程序，給定符合給料工況的控制參數(shù)設(shè)置，通過監(jiān)視畫面實(shí)現(xiàn)給料流程與事件異常的狀態(tài)監(jiān)控和相關(guān)信息保存，便于分析等功能。

圖5 自動給料系統(tǒng)組態(tài)功能組成圖Fig.5 Configuration function composition diagram of automatic feeding system

4 模擬試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

選取符合設(shè)計(jì)要求的工控機(jī)與擬定給料的電振給料裝置，按照圖6電路與數(shù)據(jù)接口連接圖進(jìn)行數(shù)據(jù)連線，主要從數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、接口控制模塊及信息傳遞模塊等部分展開，確保各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與及時(shí)性。同時(shí)，按照表1所示的控制要求參數(shù)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

圖6 試驗(yàn)條件下電路與數(shù)據(jù)接口連接圖Fig.6 Circuit and data interface connection diagram in the Test conditions

表1 自動給料試驗(yàn)條件下PID參數(shù)值Table 1 PID parameters values under the automatic feeding test condition

4.2 效果分析

通過試驗(yàn)，記錄不同激振頻率下自動給料機(jī)對應(yīng)的振幅情況(見表2)。由表2可知：給料機(jī)在電機(jī)控制的帶動下，工作頻率在47.5～50.5Hz范圍內(nèi)。經(jīng)硬件選型及軟件變頻控制程序給定，可實(shí)現(xiàn)這一工作要求。此時(shí)，自動給料機(jī)能夠以較小的輸出功率發(fā)揮較大的機(jī)械性能，加之變頻控制速度性能，從而較好地提高自動給料機(jī)的給料效率。

表2 自動給料試驗(yàn)條件下不同激振頻率與振幅的測試數(shù)據(jù)Table 2 Testing data of the different vibration frequency and the amplitude under the automatic feeding test condition

通過給定模擬條件，編輯執(zhí)行控制程序及函數(shù)，得出如圖7～圖9所示的模擬效果。從圖中可看出：比例、積分、微分環(huán)節(jié)的控制在試驗(yàn)條件下曲面特征表現(xiàn)為明顯分布，梯度分明，顯示調(diào)節(jié)控制的可行性。進(jìn)一步經(jīng)數(shù)據(jù)參數(shù)轉(zhuǎn)換，表明三者的互相配合調(diào)節(jié)與理論計(jì)算誤差控制在6%之內(nèi)，驗(yàn)證了自動給料變頻PID速度調(diào)節(jié)控制的合理性與可行性。

圖7 比例調(diào)節(jié)ΔKp控制模擬效果Fig.7 Simulation results of Proportional control ΔKp

圖8 積分調(diào)節(jié)ΔKi控制模擬效果Fig.8 Simulation results of Integral regulation control ΔKi

圖9 微分調(diào)節(jié)ΔKd控制模擬效果Fig.9 Simulation results of Integral regulation control ΔKd

5 結(jié)論

1)通過理解自動給料機(jī)的工作原理及控制要求，研究給料機(jī)的變頻速度調(diào)節(jié)控制。

2)加入IGBT激振電路與實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、精準(zhǔn)測定給料量等相關(guān)硬件裝置，并優(yōu)化軟件控制程序，實(shí)現(xiàn)基于自動給料機(jī)的變頻速度調(diào)節(jié)功能優(yōu)化；并經(jīng)試驗(yàn)得到配合調(diào)節(jié)與預(yù)期目標(biāo)誤差控制在6%之內(nèi)，驗(yàn)證了自動給料變頻PID速度調(diào)節(jié)控制的合理性與可行性。

3)將機(jī)械給料與自動控制技術(shù)相結(jié)合，并融入組態(tài)監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)變頻速度控制，這一思想有利于自動給料機(jī)不斷向智能化方向開發(fā)與優(yōu)化，具有一定的參考意義。