基于模糊控制的可切割纖維狀原料的傳輸裝置

摘 要：本文設計了一種針對可切割纖維狀原料的傳輸裝置，并通過PID閉環控制及模糊控制算法，實現了電機啟動調速及傳輸仰角調整，并在實際生產中進行了應用。

關鍵詞：履帶 梳刀 模糊控制 PID 電機調速

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（c）-0100-02

履帶式傳輸裝置是農產品加工、輕工業生產過程中的主要運輸設備。現有的傳輸裝置結構主要是電動機帶動履帶進行傳輸，履帶為水平狀態，傳輸角度無法調節。在傳輸纖維狀物體時，由于纖維束長短粗細不同，無法實現均勻傳輸的目的，往往會出現部分物體糾結抱團的現象；當傳輸的物品中出現鐵性雜物的時候，也沒有辦法進行排除[1]。

針對上述問題，本文所要解決的就是克服現有技術的不足而提供一種傳輸均勻，實現纖維狀原料自動切割成顆粒狀，有利于后續分選的可切割纖維狀原料的傳輸裝置。

1 系統結構

本文裝置包括電機、控制裝置、皮帶輪和履帶。控制裝置帶動電機，電機帶動皮帶輪，履帶包覆在皮帶輪上。其特點在于：履帶一端下方設置有螺旋升降裝置，螺旋升降裝置與控制裝置連接，履帶下方設置有波浪輪，波浪輪上方設置有梳刀，履帶另一端下方設置有電磁滾筒，刷子設置在電磁滾筒的下方，刷子與電磁滾筒接觸。裝置總體結構如下圖1所示。

梳刀包括兩部分：前面為梳子，共設置有三排；后面為三排刀片，刀片與波浪輪正對。

本裝置的工作過程為：控制裝置帶動電機，電機帶動皮帶輪，履帶包覆在皮帶輪上，履帶一端下方設置有螺旋升降裝置，螺旋升降裝置與控制裝置連接，螺旋升降裝置的頂出桿與履帶連接，可以調節履帶的傾斜角度，履帶與水平面的夾角α范圍為0～60°。當履帶傾斜時，履帶上的物品逐層下滑，逐步分開，使得物品在履帶上的分布更均勻。

履帶中段的下方位置設置有波浪輪，波浪輪對應的履帶上方位置設置有梳刀，梳刀橫跨設置在履帶上，物品在履帶上傳輸，到達梳刀的位置，先由梳刀上的前三排梳子8-1進行梳理，后由后三排刀片8-2進行切割，波浪輪外輪廓為正多邊形，本實施例中為5邊形，通過波浪輪外輪廓的凹凸運動使物品與刀片產生間隙擠壓，達到均勻切割的目的。

履帶另一端下方設置有電磁滾筒，刷子設置在電磁滾筒的下方，刷子與電磁滾筒接觸。物品在傳輸到最上方的電磁滾筒處進行分離，電磁滾筒將含有鐵性的物質吸附住滾到下方，由刷子刷離履帶。

本裝置所述的螺旋升降裝置與履帶連接，可以通過控制裝置調節履帶的傾斜角度，履帶與水平面的夾角α范圍為0～60°。

2 控制系統工作原理

傳輸角度調節控制并不屬于簡單的線性控制且控制模型未知，因此需要采用模糊參數自整定PID控制策略來實現。傳輸角度的角度調節范圍量化為0～60的整數值，初始值50。

對于傳輸角度調節而言，根據初值計算出PID調節均值變量e，將e和de/dt作為系統傳輸角度調節程序模塊輸入變量，調用模糊推理策略及PID算法計算出調節后的傳輸角度數據及需要調節的角度偏差值，驅動電機調節螺旋升降裝置高度，同時對調節后的高度采樣，再將其作為系統傳輸角度調節模塊輸入變量，再進行模糊推理策略和PID調節算法計算角度偏差值，之后再驅動電機動作。如此反復推理調節直至達到設定角度值。系統采用的離散PID調節的控制規律[2]為：

式中，u（k）為輸出的控制量；e（k）為控制誤差；ec（k）為誤差的變化率；Kp、Ki和Kd分別為比例、積分和微分的作用系數。模糊參數自整定PID控制的原理如圖4所示，PID調節的各項作用系數由模糊推理規則來確定。根據參數Kp、Ki和Kd對系統輸出特性的影響，規定自整定規則[3]如下。

（1）當|e|偏大時，為避免開始時e增長過快引起的微分過分飽和導致系統超出設定范圍，并提高系統響應速度，以及為了避免積分飽和、防止較大超調出現在系統響應中，因此Kp取較大，Kd取較小。（2）當|e|和|ec|大小適中時，為減少系統響應中的超調，Kp、Ki和Kd都不應往較大取，Ki取較小，Kp和Kd=取中間值，以確保系統的響應速度。（3）當|e|偏小時，為使系統具有較強的魯棒性，應增大比例和積分系數，同時為防止振蕩出現在系統在設定值附近，在|ec|偏小時，Kd值應取大，|ec|值偏大時，Kd值取小。

模糊PID調節的各項作用系數由二階模糊推理來確定。根據參數Kp、Ki和Kd對系統輸出特性的影響，如圖2所示制定各輸入、輸出變量的函數，分別建立Kp、Ki和Kd的模糊控制規則表，并對照模糊控制規則表進行模糊推理和運算后得到Kp、Ki和Kd，從而實現對傳輸角度的模糊PID控制[2]。

3 結論

本裝置與現有技術相比具有產品切斷長度與分布均勻、不含鐵性雜志等優點。除用于傳輸農副產品之外，還可以用于將纖維狀長條物切割為短狀或顆粒狀物品并傳輸，樣機應用于企業實際生產過程中效果較好。

參考文獻

[1]孫大成.色選機控制系統的研究[D].天津：天津工業大學.2010.

[2]代林.基于模糊控制系統的自整定PID參數控制器的設計[J].工業控制與應用，2005（5）.

[3]何鴻志.基于PLC的可控起動傳輸裝置CST控制算法[J].煤礦機電，2011（2）.