一种用于给料器的数字控制系统

一种用于给料器的数字控制系统

给料量的影响与人们的生活和农业生产密切相关的定量粉料包装量很大，品种和规格非常多。其中,有很大一部分物料由于流动性差,需要采用电磁振动给料器定量给料。传统电气控制的电磁振动给料器不能适应物料密度波动、料仓内物料增减、供电电压波动等情况,给料量准确性、稳定性、可控性差。为了提高电磁振动给料器给料性能,研制了一种电磁振动给料器数字控制系统。1传统电磁干燥器和分析1.1振动给料及振动分析电磁振动给料器是一种广泛用于粉粒状物料定量给料、配料等生产流程的加料设备,它的结构及力学模型如图1所示。其中,质量m1由机座及与之联接的铁芯、线圈、部分板弹簧构成,质量m2由槽体及与它联接的衔铁、部分板弹簧、部分物料构成,k1为隔振弹簧弹性刚度,k2为板弹簧弹性刚度。根据电磁振动给料器振动分析,为减少机座振幅,提高电磁振动给料器对机架的隔振性,要求m1约为m2的5倍,k1大约是k2的1/10到1/5。此外为了使电磁振动给料器给料稳定可靠,以较小的功率消耗产生较大的机械效能,其工作点通常设定在亚临界近共振区,即振动系统工作频率ω为振动系统固有频率ω0的85%～95%。固有频率ω0表达式为ω0=k2(m1+m2)m1m2−−−−−−−√=k2m−−√ω0=k2(m1+m2)m1m2=k2m(1)1.2电磁铁间相互作用将正弦交流电经过单向半波整流后,加在电磁铁的激振线圈上。在交流电正半周,激振线圈上有电流通过,在衔铁和电磁铁之间产生一对大小相等的脉冲电磁力F而相互吸引,给料槽向后运动,弹性变形存储一定的势能;在交流电负半周,激振线圈上无电流通过,在衔铁和电磁铁之间电磁力消失,弹簧存储的势能释放,衔铁和电磁铁之间朝反方向离开,给料槽向前运动。这样电磁振动给料器就以交流电频率50Hz为工作频率ω,作往复振动,使给料槽中物料不断向前抛起移动,实现给料目的。1.3脉冲移相控制三点三分法电磁振动给料器电气控制一般包括同步电源、控制放大和晶闸管驱动3部分。如图2所示,J1的1、2脚输入AC220V交流电压,3、4脚输出电磁振动给料器供电电压。同步电源部分通过变压器B1将AC220V变压为AC60V,经过二极管D5整流和稳压管WG进行消波,作为控制放大部分电源。控制放大部分通过两级晶体管T3和T2放大,由电位器RW手工调节或通过计算机输出不同数字量经过A/D转换成模拟电压Ui自动控制晶体管T3基级电压,随着T3基级电压变化,T2集电级对电容器C3充电时间也发生变化,实现脉冲移相控制。晶闸管驱动部分通过单结晶体管T1驱动控制晶闸管,T1基级电压由电容器C3充电电压决定,当充电电压达到T1峰点电压,发射极与基级导通,C3迅速放电;当C3放电至T1谷点电压,T1截止。通过改变C3放电和充电时间产生不同宽度脉冲电压,触发控制晶闸管导通角,获得不同幅度输出电压,实现给料量调节。1.4自动调节给料量的影响传统电磁振动给料器在给料过程中,物料密度波动、料仓内物料增减将导致质量m2的变化,从而使固有频率ω0发生变化,影响给料器振动工作点;当供电电压波动时,给料器的激振力发生变化;采用电气控制实现自动调节给料量,需增加数字输出及A/D转换电路,数字与模拟电路之间干扰大,在规定的供电时间内,交流电周期数不稳定。以上三方面都会影响给料器给料量稳定性和准确性,其可控性差。2磁源器数字数字控制系统用于电动压计2.1给料器线圈ud电磁振动给料器数字控制系统如图3所示。其中,J1的1、2脚输入AC220V交流电压Ua,3、4脚输出电磁振动给料器供电电压Ud。Ua经过二极管D1半波整流成Ub,J3的1、2脚输入AC30V交流电经过二极管D3半波整流成交流电同步信号,经过J2的1、2脚输给比较检测及光隔接口电路产生脉冲信号Ue输入微机,微机从Ue上升沿开始,定时t1后通过J2的4、5脚输出控制电压Uc,通过光电耦合器U1控制晶闸管导通,使得给料器线圈供电电压Ud波形如图3所示。由于交流电周期T为20ms,半波为10ms,因此t1的调节范围在0～10ms之间。电磁振动给料器线圈在一定供电时间(即周期T个数)内,t1越大,Ud波形宽度越小,Ud平均电压越小,电磁振动给料器激振力越小,给料量越少;反之,t1越小,电磁振动给料器激振力越大,给料量越多。电磁振动给料器数字控制与电气控制相比,优点是:电路简单、成本低,弱电控制电路与强电驱动电路之间干扰小,供电电压控制准确稳定,供电时间按照交流电周期T的个数控制,给料量控制准确稳定。2.2比例模糊综合控制自动定量时,根据前一次给料目标量和实际量差ΔW,调节下一次给料定时时间t1,自动控制供电电压Ud,反馈控制给料量,使给料量稳定准确。为了提高控制的实时性和有效性,t1调节采用比例模糊综合控制,其原理是:根据物料的密度变化程度、供电电压波动程度等设定比例模糊控制阀值W0(如10g)和t1时间比例控制最大增减时间Δt(如0.25ms)。当ΔW<W0时,采用比例控制;反之,采用模糊PID控制。模糊PID控制方法见文献。通过比例模糊综合控制,在自动定量之前,进行t1自动定点搜索,迅速得到一合适的t1初始量;在自动定量过程中,保证给料量稳定准确。3混合式自动定量控制硬件设计混合式自动定量包装系统如图4所示,包括:料仓、粗细给料管、给料器及数字控制部分,称重料斗、投料气缸、称重传感器及数据采集部分,微机控制系统,主控微机,包装机及控制系统。其自动定量过程在微机的协调控制下,进行两级给料及一次静态称重。首先粗给料器在一定料厚和供电时间下,调节其合适t1值,快速往称重料斗加入目标量的大部分(主加料);其次在稳定一定时间后进行准确静态称重;然后计算剩余的小部分量,将其换算成细给料器加料的容积,在一定料厚和合适t1值情况下用时间长短表示;最后控制细给料器加料(补加料),同时控制投料汽缸向包装机投料,完成一个循环。在自动定量中,粗、细给料对定量速度和准确度影响很大。其中,细给料稳定、迅速、准确将直接提高定量速度和准确度;粗给料稳定、迅速、准确,可以使主加料量占目标量比例提高,补加料量比例减少,从而提高定量速度和准确度。因此,稳定、迅速、准确给料是实现混合式自动定量的关键。混合式自动定量微机控制系统硬件如图5所示。其中,AT89C52单片机为控制器,看门狗、电压监控和EEPROM一体的X5045存放运行参数,通过RS-485接口转换芯片LBC184与主控微机、包装机控制系统交换数据。两台UH-53高准确度电阻应变片式称重传感器、仪表放大器AD623及14位高速串行模/数转换器MAX121组成前置通道,完成对称重信号采样、放大、转换处理。通过光电隔离器MOC3020,反相驱动器74HC14和MC1413组成输入、输出接口,输入交流同步信号,输出给料器数字控制信号。4磁源检测器的定量激励试验4.1实验结果与分析对GZV2型电磁振动给料器(给料槽宽60mm)进行电气控制和数字控制定量给料200ms小米对比实验。在相同的实验条件(同一台给料器,相同料厚)下实验数据如表1所示。由表可见,电气控制给料量在8.1～12.5g之间,变化率为±21%,数字控制给料量在9.8～10.4g之间,变化率为±3%,要比电气控制稳定、准确。4.2血压为液压器出料及供电电源到ac200v对GZV2型电磁振动给料器进行小米给料量定点10.0g实验,供电时间200ms。实验分两个阶段:第一阶段(1到10次)从料仓加料后给料器刚开始出料开始,到给料量定点在10.0g左右;第二阶段(11到18次),通过变压器将电磁振动给料器供电电源从AC220V调整到AC200V(模拟供电电压波动),从给料量发生突变到再定点在10.0g。实验数据波形如图6所示,定点过程迅速稳定,定点量准确。4.3主加料时间及稳定性试验数据分析以GZV5型(给料槽宽度为120mm)和GZV2型电磁振动给料器为粗、细给料器,进行定量400g小米包装实验。实验参数:主加料目标量380g,最大补加料量40g,通过调节料厚度,使主加料时间为600ms,最大补加料时间为800ms,稳定时间200ms,静态称量时间为300ms左右。实验数据如表2及图7所示。其中,系列1实验数据在工作环境较稳定情况下得到,绝对误差在-1.0～0.8g之间,准确度在-0.25%～0.20%之内;系列2实验数据通过变压器将给料器供电电源从AC220V调整到AC200V,然后再调整到AC220V,模拟供电电压波动等工作环境变化得到,绝对误差在-2.8～2.4g之间,准确度在-0.7%～0.6%之内,满足自动定量准确度要求。5混合式自动定量