0 　 引言

定量给料设备广泛应用于冶金、建材、化工、食品等各行各业 ,提高配料精度和设备的自动化水平是生产发展的实际需要。 电磁振动给料机 (又称电振机 )自动控制系统由电磁振动给料机、流量计、水平振动输送机、垂直螺旋振动输送机和储料器 5部分组成[1] 。工作时 ,电磁振动给料机按控制给定量 ,将储料器中的物料送给固体流量计 ,流量计将实际给料量检测出来 ,反馈给控制系统 ,调节电磁振动给料机 ,使给料量达到系统设定值。 本文用单片机设计电振机自动控制系统。该系统具有给料精度高 ,系统成本低、可靠性好的特点。

1 　 电磁振动给料机的工作原理

电振机由料槽、激振器和减振器 3部分组成 ,激振器又由电磁铁、衔铁和主振弹簧构成。 电振机的振幅用可控硅整流器进行调节 ,其工作原理图如图 1所示。控制触发脉冲导通角 ,可改变电磁激振力的大小 ,从而达到改变电振机的振幅、调节给料量和输料量的目的。

2  控制系统硬件设计^[2]

物料量由流量计检测出 ,经变送单元和 A/D转换电路送入单片机。 单片机利用 DMC算法计算出控制量 ,经 D/A转换电路去控制电振机的振幅 ,从而达到精确给料的目的。

单片机采用 AT89C51,通过光电耦合器 TLP521-4与模 / 数、数 /模转换电路及强电控制电路隔离 ,以增强系统抗干扰能力。模 /数转换电路采用 AD574芯片 ,数/ 模转换电路采用 DAC1210芯片 ,看门狗电路定时器采用 MAX690 。 当系统出现电源低于处理器正常工作电压值、掉电或程序运行“死机”时 ,产生非屏蔽系统中断或复位热启动计算机 ,使系统重新投入运行。键盘显示器接口芯片采用 8279 。

电振机控制系统中有 4个电机和 1个电振机需要单片机控制启动和停止 ,通过扩展 TT L并行输出口 ,经光耦隔离后驱动直流继电器的线圈 ,再由直流继电器的触点控制强电继电器的线圈 ,从而控制各强电设备的启动和停止。

传感变送单元输出及振动器控制信号均选用 0 ～ 5V电压信号。

3 　 控制系统软件设计

3. 1 　 控制策略

振动给料机控制过程有以下的特点^{[3- 4]} : ( 1) 控制对象的被控流向是不可逆的。 给料过程中放下的物料不能收回 ,所以输出结果不能通过超调量立即加以调节。 ( 2) 被控过程具有时变、随机性 ,是工业过程典型的滞后过程 ,难以建立精确的给料过程数学模型 ,只能通过参考模型进行逼近。 因此 ,本文采用预测控制算法对控制电压值进行预测学习控制。 预测控制是一种基于模型、滚动优化并结合反馈校正的新型计算机优化控制算法。 它对模型失配、非最小相位系统、不确定干扰的影响具有较强的鲁棒性 ,适合于控制不易建立精确数学模型且比较复杂的工业生产过程。 动态矩阵控制算法 ( DMC)是一种应用最广泛的预测控制算法 ,它采用系统阶跃响应序列作为对象模型 ,建模方便 ,算法具有良好的鲁棒性。 DMC算法包括 3个部分: 预测模型、滚动优化、反馈校正^{[5- 6]} 。

预测模型: 测试被控对象阶跃响应 ,得到采样数据a i (i= 1, 2,… ,N ) ,构成 DMC算法中的预测模型参数。利用对象单位阶跃响应模型和给定的输入控制增量 ,可以预测系统未来的输出值。

滚动优化: 通过最优化准则确定从某时刻起 M 个采 样周期的控制增量 ,以使系统在未来 P个时刻的输出值尽可能接近期望值。理论上可以每隔 M个采样周期重新计算 1次 ,然后将M个控制量在k时刻以后的 M个采样周期分别作用于系统。 但在此期间内 ,模型误差和随机扰动等可能会使系统输出远离期望值。 为了克服这一缺点 ,最简单的方法是只取最优解中的即时控制增量△u(k )构成实际控制量 u(k )= u(k - 1)+ △u(k)作用于系统。 到下一时刻 ,它又提出类似的优化问题求出△u(k+ 1)。 这就是所谓的“滚动优化”的策略。

反馈校正: 当 kT 时刻对被控系统施加控制作用 u(k)后 ,在 (k+ 1) T 时刻可采集到实际输出 y(k+ 1)。与k T 时刻基于模型所作系统输出预测值相比较 ,由于模型误差、干扰、弱非线性及其他实际过程中存在的不确定因素 ,预测值一般会偏离实际值 ,即存在预测误差。若不及时进行反馈校正,进一步的优化就会建立在虚假的基础上。 为此 ,动态矩阵算法利用了实时预测误差对未来输出误差进行预测,以对在模型预测基础上进行的系统在未来各个时刻的输出开环预测值加以校正。

总之 ,整个动态矩阵控制算法是由预测、控制、校正 3部分组成的。动态矩阵控制算法是一种增量算法。 不管模型是否有误差 ,它总能将系统输出调节到期望值而不产生静差。 对于作用在对象输出端的阶跃形式的扰动 ,该算法也总能使系统输出恢复到原来的设定状态。

本系统中 ,经反复验证修改 ,取采样周期T= 1 s,阶跃响应模型时域长度 N= 20,预测时域长度 P= 8,控制时域长度 M= 3,误差加权矩阵为单位矩阵 ,调整控制加权矩阵系数。

3. 2 　 系统程序模块设计

本系统应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序所组成。 系统软件采用结构化模块设计。 主程序包括初始化、显示面板管理及各子程序调用。信号的采集、数字滤波、标度变换、显示、 DMC控制算法等功能的实现由各子程序完成。软件还包括对系统的保护。
 

4 　 实验结果

针对某一型号的电磁振动给料机进行定量给料500 g实验 ,实验数据波形如图 5所示。 定点过程迅速稳定 ,定点量准确。表明给料系统中采用 DMC控制算法可获得较好的控制性能。
 

5 　 结束语

电磁振动给料控制系统大大提高了给料量稳定性、准确性和可控性 ,控制迅速、稳定、准确。 硬件上采用单片机便于实现工作过程自动化 ,提高生产效率。采用 DMC算法 ,有效地克服实际给料过程的不确定性、迟滞和时变等因素的动态影响 ,达到给料过程的优化控制 ,提高了控制性能 ,使给料精度大大提高。 系统控制误差不大于1 %。该系统安全可靠 ,应用灵活方便 ,适用于各种工矿行业的自动给料。

参考文献:

[1]　 刘杰,赵春雨,宁伟刚 ,等.机电一体化技术基础与产品设计 [ M ].北京: 冶金工业出版社 , 2003.

[2]　 王幸之,钟爱琴 ,王雷 ,等. AT89系列单片机原理与接口技术[M ].北京: 北京航空航天大学出版社 , 2004.

[3]　 骆有东.电磁振动给料器的性能及控制研究 [ J].包装工程 , 2005,26( 4) , 54-55.

[4]　 王延峰 ,崔光照.称重式振动给料器控制仪表的设计 [ J].轻工机械 , 2005, 23( 3): 90-92.

[5]　 王顺晃 ,舒迪前.智能控制系统及其应用 [ M ].北京: 机械工业出版社 , 1999.