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0 　 引言

定量給料設(shè)備廣泛應(yīng)用于冶金、建材、化工、食品等各行各業(yè) ,提高配料精度和設(shè)備的自動(dòng)化水平是生產(chǎn)發(fā)展的實(shí)際需要。 電磁振動(dòng)給料機(jī) (又稱電振機(jī) )自動(dòng)控制系統(tǒng)由電磁振動(dòng)給料機(jī)、流量計(jì)、水平振動(dòng)輸送機(jī)、垂直螺旋振動(dòng)輸送機(jī)和儲(chǔ)料器 5部分組成[1] 。工作時(shí) ,電磁振動(dòng)給料機(jī)按控制給定量 ,將儲(chǔ)料器中的物料送給固體流量計(jì) ,流量計(jì)將實(shí)際給料量檢測出來 ,反饋給控制系統(tǒng) ,調(diào)節(jié)電磁振動(dòng)給料機(jī) ,使給料量達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值。 本文用單片機(jī)設(shè)計(jì)電振機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有給料精度高 ,系統(tǒng)成本低、可靠性好的特點(diǎn)。

1 　 電磁振動(dòng)給料機(jī)的工作原理

電振機(jī)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(gòu)成。 電振機(jī)的振幅用可控硅整流器進(jìn)行調(diào)節(jié) ?？刂朴|發(fā)脈沖導(dǎo)通角 ,可改變電磁激振力的大小 ,從而達(dá)到改變電振機(jī)的振幅、調(diào)節(jié)給料量和輸料量的目的。

2  控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)^[2]

物料量由流量計(jì)檢測出 ,經(jīng)變送單元和 A/D轉(zhuǎn)換電路送入單片機(jī)。 單片機(jī)利用 DMC算法計(jì)算出控制量 ,經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換電路去控制電振機(jī)的振幅 ,從而達(dá)到精確給料的目的。

單片機(jī)采用 AT89C51,通過光電耦合器 TLP521-4與模 / 數(shù)、數(shù) /模轉(zhuǎn)換電路及強(qiáng)電控制電路隔離 ,以增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。模 /數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用 AD574芯片 ,數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換電路采用 DAC1210芯片 ,看門狗電路定時(shí)器采用 MAX690 。 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)電源低于處理器正常工作電壓值、掉電或程序運(yùn)行“死機(jī)”時(shí) ,產(chǎn)生非屏蔽系統(tǒng)中斷或復(fù)位熱啟動(dòng)計(jì)算機(jī) ,使系統(tǒng)重新投入運(yùn)行。鍵盤顯示器接口芯片采用 8279 。

電振機(jī)控制系統(tǒng)中有 4個(gè)電機(jī)和 1個(gè)電振機(jī)需要單片機(jī)控制啟動(dòng)和停止 ,通過擴(kuò)展 TT L并行輸出口 ,經(jīng)光耦隔離后驅(qū)動(dòng)直流繼電器的線圈 ,再由直流繼電器的觸點(diǎn)控制強(qiáng)電繼電器的線圈 ,從而控制各強(qiáng)電設(shè)備的啟動(dòng)和停止。

傳感變送單元輸出及振動(dòng)器控制信號均選用 0 ～ 5V電壓信號。

3 　 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3. 1 　 控制策略

振動(dòng)給料機(jī)控制過程有以下的特點(diǎn)^{[3- 4]} : ( 1) 控制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(jié)果不能通過超調(diào)量立即加以調(diào)節(jié)。 ( 2) 被控過程具有時(shí)變、隨機(jī)性 ,是工業(yè)過程典型的滯后過程 ,難以建立精確的給料過程數(shù)學(xué)模型 ,只能通過參考模型進(jìn)行逼近。 因此 ,本文采用預(yù)測控制算法對控制電壓值進(jìn)行預(yù)測學(xué)習(xí)控制。 預(yù)測控制是一種基于模型、滾動(dòng)優(yōu)化并結(jié)合反饋校正的新型計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制算法。 它對模型失配、非最小相位系統(tǒng)、不確定干擾的影響具有較強(qiáng)的魯棒性 ,適合于控制不易建立精確數(shù)學(xué)模型且比較復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程。 動(dòng)態(tài)矩陣控制算法 ( DMC)是一種應(yīng)用最廣泛的預(yù)測控制算法 ,它采用系統(tǒng)階躍響應(yīng)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(gè)部分: 預(yù)測模型、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正^{[5- 6]} 。

預(yù)測模型: 測試被控對象階躍響應(yīng) ,得到采樣數(shù)據(jù)a i (i= 1, 2,… ,N ) ,構(gòu)成 DMC算法中的預(yù)測模型參數(shù)。利用對象單位階躍響應(yīng)模型和給定的輸入控制增量 ,可以預(yù)測系統(tǒng)未來的輸出值。

滾動(dòng)優(yōu)化: 通過最優(yōu)化準(zhǔn)則確定從某時(shí)刻起 M 個(gè)采 樣周期的控制增量 ,以使系統(tǒng)在未來 P個(gè)時(shí)刻的輸出值盡可能接近期望值。理論上可以每隔 M個(gè)采樣周期重新計(jì)算 1次 ,然后將M個(gè)控制量在k時(shí)刻以后的 M個(gè)采樣周期分別作用于系統(tǒng)。 但在此期間內(nèi) ,模型誤差和隨機(jī)擾動(dòng)等可能會(huì)使系統(tǒng)輸出遠(yuǎn)離期望值。 為了克服這一缺點(diǎn) ,最簡單的方法是只取最優(yōu)解中的即時(shí)控制增量△u(k )構(gòu)成實(shí)際控制量 u(k )= u(k - 1)+ △u(k)作用于系統(tǒng)。 到下一時(shí)刻 ,它又提出類似的優(yōu)化問題求出△u(k+ 1)。 這就是所謂的“滾動(dòng)優(yōu)化”的策略。

反饋校正: 當(dāng) kT 時(shí)刻對被控系統(tǒng)施加控制作用 u(k)后 ,在 (k+ 1) T 時(shí)刻可采集到實(shí)際輸出 y(k+ 1)。與k T 時(shí)刻基于模型所作系統(tǒng)輸出預(yù)測值相比較 ,由于模型誤差、干擾、弱非線性及其他實(shí)際過程中存在的不確定因素 ,預(yù)測值一般會(huì)偏離實(shí)際值 ,即存在預(yù)測誤差。若不及時(shí)進(jìn)行反饋校正,進(jìn)一步的優(yōu)化就會(huì)建立在虛假的基礎(chǔ)上。 為此 ,動(dòng)態(tài)矩陣算法利用了實(shí)時(shí)預(yù)測誤差對未來輸出誤差進(jìn)行預(yù)測,以對在模型預(yù)測基礎(chǔ)上進(jìn)行的系統(tǒng)在未來各個(gè)時(shí)刻的輸出開環(huán)預(yù)測值加以校正。

總之 ,整個(gè)動(dòng)態(tài)矩陣控制算法是由預(yù)測、控制、校正 3部分組成的。動(dòng)態(tài)矩陣控制算法是一種增量算法。 不管模型是否有誤差 ,它總能將系統(tǒng)輸出調(diào)節(jié)到期望值而不產(chǎn)生靜差。 對于作用在對象輸出端的階躍形式的擾動(dòng) ,該算法也總能使系統(tǒng)輸出恢復(fù)到原來的設(shè)定狀態(tài)。

本系統(tǒng)中 ,經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證修改 ,取采樣周期T= 1 s,階躍響應(yīng)模型時(shí)域長度 N= 20,預(yù)測時(shí)域長度 P= 8,控制時(shí)域長度 M= 3,誤差加權(quán)矩陣為單位矩陣 ,調(diào)整控制加權(quán)矩陣系數(shù)。

3. 2 　 系統(tǒng)程序模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)應(yīng)用程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和子程序所組成。 系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化模塊設(shè)計(jì)。 主程序包括初始化、顯示面板管理及各子程序調(diào)用。信號的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、顯示、 DMC控制算法等功能的實(shí)現(xiàn)由各子程序完成。軟件還包括對系統(tǒng)的保護(hù)。

4 　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對某一型號的電磁振動(dòng)給料機(jī)進(jìn)行定量給料500 g實(shí)驗(yàn) ,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波形如圖 5所示。 定點(diǎn)過程迅速穩(wěn)定 ,定點(diǎn)量準(zhǔn)確。表明給料系統(tǒng)中采用 DMC控制算法可獲得較好的控制性能。
 

5 　 結(jié)束語

電磁振動(dòng)給料控制系統(tǒng)大大提高了給料量穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可控性 ,控制迅速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確。 硬件上采用單片機(jī)便于實(shí)現(xiàn)工作過程自動(dòng)化 ,提高生產(chǎn)效率。采用 DMC算法 ,有效地克服實(shí)際給料過程的不確定性、遲滯和時(shí)變等因素的動(dòng)態(tài)影響 ,達(dá)到給料過程的優(yōu)化控制 ,提高了控制性能 ,使給料精度大大提高。 系統(tǒng)控制誤差不大于1 %。該系統(tǒng)安全可靠 ,應(yīng)用靈活方便 ,適用于各種工礦行業(yè)的自動(dòng)給料。

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