0 　 引言

定量給料設備廣泛應用於冶金、建材、化工、食品等各行各業 ,提高配料精度和設備的自動化水平是生產發展的實際需要。 電磁振動給料機 (又稱電振機 )自動控製係統由電磁振動給料機、K8凯发登录入口計、水平振動輸送機、垂直螺旋振動輸送機和儲料器 5部分組成[1] 。工作時 ,電磁振動給料機按控製給定量 ,將儲料器中的物料送給固體K8凯发登录入口計 ,K8凯发登录入口計將實際給料量檢測出來 ,反饋給控製係統 ,調節電磁振動給料機 ,使給料量達到係統設定值。 本文用單片機設計電振機自動控製係統。該係統具有給料精度高 ,係統成本低、可靠性好的特點。

1 　 電磁振動給料機的工作原理

電振機由料槽、激振器和減振器 3部分組成 ,激振器又由電磁鐵、銜鐵和主振彈簧構成。 電振機的振幅用可控矽整流器進行調節 。控製觸發脈衝導通角 ,可改變電磁激振力的大小 ,從而達到改變電振機的振幅、調節給料量和輸料量的目的。

2  控製係統硬件設計^[2]

物料量由K8凯发登录入口計檢測出 ,經變送單元和 A/D轉換電路送入單片機。 單片機利用 DMC算法計算出控製量 ,經 D/A轉換電路去控製電振機的振幅 ,從而達到精確給料的目的。

單片機采用 AT89C51,通過光電耦合器 TLP521-4與模 / 數、數 /模轉換電路及強電控製電路隔離 ,以增強係統抗幹擾能力。模 /數轉換電路采用 AD574芯片 ,數/ 模轉換電路采用 DAC1210芯片 ,看門狗電路定時器采用 MAX690 。 當係統出現電源低於處理器正常工作電壓值、掉電或程序運行“死機”時 ,產生非屏蔽係統中斷或複位熱啟動計算機 ,使係統重新投入運行。鍵盤顯示器接口芯片采用 8279 。

電振機控製係統中有 4個電機和 1個電振機需要單片機控製啟動和停止 ,通過擴展 TT L並行輸出口 ,經光耦隔離後驅動直流繼電器的線圈 ,再由直流繼電器的觸點控製強電繼電器的線圈 ,從而控製各強電設備的啟動和停止。

傳感變送單元輸出及振動器控製信號均選用 0 ～ 5V電壓信號。

3 　 控製係統軟件設計

3. 1 　 控製策略

振動給料機控製過程有以下的特點^{[3- 4]} : ( 1) 控製對象的被控流向是不可逆的。 給料過程中放下的物料不能收回 ,所以輸出結果不能通過超調量立即加以調節。 ( 2) 被控過程具有時變、隨機性 ,是工業過程典型的滯後過程 ,難以建立精確的給料過程數學模型 ,隻能通過參考模型進行逼近。 因此 ,本文采用預測控製算法對控製電壓值進行預測K8凯发大酒店天生赢家控製。 預測控製是一種基於模型、滾動優化並結合反饋校正的新型計算機優化控製算法。 它對模型失配、非最小相位係統、不確定幹擾的影響具有較強的魯棒性 ,適合於控製不易建立精確數學模型且比較複雜的工業生產過程。 動態矩陣控製算法 ( DMC)是一種應用最廣泛的預測控製算法 ,它采用係統階躍響應序列作為對象模型 ,建模方便 ,算法具有良好的魯棒性。 DMC算法包括 3個部分: 預測模型、滾動優化、反饋校正^{[5- 6]} 。

預測模型: 測試被控對象階躍響應 ,得到采樣數據a i (i= 1, 2,… ,N ) ,構成 DMC算法中的預測模型參數。利用對象單位階躍響應模型和給定的輸入控製增量 ,可以預測係統未來的輸出值。

滾動優化: 通過最優化準則確定從某時刻起 M 個采 樣周期的控製增量 ,以使係統在未來 P個時刻的輸出值盡可能接近期望值。理論上可以每隔 M個采樣周期重新計算 1次 ,然後將M個控製量在k時刻以後的 M個采樣周期分別作用於係統。 但在此期間內 ,模型誤差和隨機擾動等可能會使係統輸出遠離期望值。 為了克服這一缺點 ,最簡單的方法是隻取最優解中的即時控製增量△u(k )構成實際控製量 u(k )= u(k - 1)+ △u(k)作用於係統。 到下一時刻 ,它又提出類似的優化問題求出△u(k+ 1)。 這就是所謂的“滾動優化”的策略。

反饋校正: 當 kT 時刻對被控係統施加控製作用 u(k)後 ,在 (k+ 1) T 時刻可采集到實際輸出 y(k+ 1)。與k T 時刻基於模型所作係統輸出預測值相比較 ,由於模型誤差、幹擾、弱非線性及其他實際過程中存在的不確定因素 ,預測值一般會偏離實際值 ,即存在預測誤差。若不及時進行反饋校正,進一步的優化就會建立在虛假的基礎上。 為此 ,動態矩陣算法利用了實時預測誤差對未來輸出誤差進行預測,以對在模型預測基礎上進行的係統在未來各個時刻的輸出開環預測值加以校正。

總之 ,整個動態矩陣控製算法是由預測、控製、校正 3部分組成的。動態矩陣控製算法是一種增量算法。 不管模型是否有誤差 ,它總能將係統輸出調節到期望值而不產生靜差。 對於作用在對象輸出端的階躍形式的擾動 ,該算法也總能使係統輸出恢複到原來的設定狀態。

本係統中 ,經反複驗證修改 ,取采樣周期T= 1 s,階躍響應模型時域長度 N= 20,預測時域長度 P= 8,控製時域長度 M= 3,誤差加權矩陣為單位矩陣 ,調整控製加權矩陣係數。

3. 2 　 係統程序模塊設計

本係統應用程序主要由主程序、中斷服務程序和子程序所組成。 係統軟件采用結構化模塊設計。 主程序包括初始化、顯示麵板管理及各子程序調用。信號的采集、數字濾波、標度變換、顯示、 DMC控製算法等功能的實現由各子程序完成。軟件還包括對係統的保護。

4 　 實驗結果

針對某一型號的電磁振動給料機進行定量給料500 g實驗 ,實驗數據波形如圖 5所示。 定點過程迅速穩定 ,定點量準確。表明給料係統中采用 DMC控製算法可獲得較好的控製性能。
 

5 　 結束語

電磁振動給料控製係統大大提高了給料量穩定性、準確性和可控性 ,控製迅速、穩定、準確。 硬件上采用單片機便於實現工作過程自動化 ,提高生產效率。采用 DMC算法 ,有效地克服實際給料過程的不確定性、遲滯和時變等因素的動態影響 ,達到給料過程的優化控製 ,提高了控製性能 ,使給料精度大大提高。 係統控製誤差不大於1 %。該係統安全可靠 ,應用靈活方便 ,適用於各種工礦行業的自動給料。

參考文獻:

[1]　 劉傑,趙春雨,寧偉剛 ,等.機電一體化技術基礎與產品設計 [ M ].北京: 冶金工業出版社 , 2003.

[2]　 王幸之,鍾愛琴 ,王雷 ,等. AT89係列單片機原理與接口技術[M ].北京: 北京航空航天大學出版社 , 2004.

[3]　 駱有東.電磁振動給料器的性能及控製研究 [ J].包裝工程 , 2005,26( 4) , 54-55.

[4]　 王延峰 ,崔光照.稱重式振動給料器控製儀表的設計 [ J].輕工機械 , 2005, 23( 3): 90-92.

[5]　 王順晃 ,舒迪前.智能控製係統及其應用 [ M ].北京: 機械工業出版社 , 1999.

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