粉碎机负荷单片机智能控制系统

1、粉碎机负荷单片机智能控制系统陈学永i沈美雄2（|福建农林大学机电学院，福州350002$福建省机械科学研究院，福州350005 ）摘要：本文从分析超微粉碎机负荷与能耗和粉碎作业质虽的关系，指出粉碎机负荷控制的重 要性。详细介绍超微粉碎机智能喂料负荷控制系统的便件构成、核心软件设计和现场使用效 果。经生产实践证明，整个系统运行可靠，满足无人值守自动控制粉碎机负荷的预期要求， 使机组工作平稳，负荷稳定，经济安全，达到提高粉碎机效率和节能的良好效果。关键词：粉碎机、负荷控制、单片机、pid控制«-ax-1. 刖冷超微粉碎作业是一种高耗能、低效率的单元操作。因此最人限度地发挥电机的 功率和效

2、能，保持粉碎电机最佳工况是提高粉碎效率、降低单位能耗的重要途径。 对于人、屮型超微粉碎机而言，保持最佳工况以获得良好的作业质罐和经济效益， 在很大程度上取决于对粉碎电机负荷的正确、实时控制。粉碎机在超负荷情况卜-工 作，产蜃会有所增加，但带来粉碎质量明显下降，电机发热、机件损坏加剧和粉料 温升增加的不r效果；粉碎机在轻载条件下工作，虽能获得较好的粉碎质量，但产 量卜-降，单位能耗大，经济性差。因此，保持粉碎机理想的负荷状态，保证粉碎质 罐、发挥最人的生产能力、降低能耗是粉碎系统长期追求的目标。常用的闭式循环 粉碎机负荷控制大都采取控制喂料量的方法，就是通过改变喂料量使电机负荷与额 定功率一致，

3、达到经济高效、安全运行的目的，但由人工调控喂料量，存在反应不 灵、操作精度不高、劳动强度较人等问题，开发一种高效智能控制系统是粉碎生产 的迫切需求。fk- 1 00型解能喂料负荷控制系统是一种以单片机为cpu的负荷控制系统，与福 建省机械科学研究院研制的wfl系列微粉碎机配套使用，它可通过人机界面进行微 粉碎机负荷的实时口动控制，合理解决微粉碎机效率与能耗的矛盾，达到高效节能， 提高粉碎质量的目的。2. 负荷智能控制系统的设计2. 1系统的总体设计原设计的人工负荷调控系统是采用手动调节螺旋喂料器的转速，达改变粉碎机 喂料量，从而达到控制粉碎机负荷的目的，而转速控制方法是人工调节调速电机控 制器

4、的转速旋钮，控制螺旋喂料器的转轴速度。基本思路是当粉碎机电动机工作电 流人于额定电流时，调节喂料转速使喂入粉碎机机内的物料减少一粉碎机工作电流 降低，反z当粉碎机工作电流较低时，则调节转速旋钮使喂料器转速增加，加大物 料喂入量f粉碎机的工作电流增加。根据这一思路，采集粉碎机电机工作电流数据， 判断粉碎机的丁作状态，调节物料喂入粉碎机的喂入最，达到h动调节粉碎机负荷 的目的。系统结构如图1所示图1.系统总体结构图2. 2系统锁件设计系统硬件包含：cpu屮央处理模块、a/ d采样电路和a/d采样模块、x5045 参数设置和参数存储模块、d/a输出变频器控制模块、键盘和显示模块共五大模块。a/d采样

5、电路和a/d采样模块基本功能是；利用互感器将粉碎机电动机三相电 流的变化转化为05 v的直流电平变化，供a/d转换芯片进行模数转换，从而为cpu 提供粉碎机负荷变化的判别依据。本系统选用8通道8位芯片ad0809,使用其中 的三路对粉碎机的三相电流进行在线负荷检测。x5045参数设置和参数存储模块主要功能是：x5045具有电可改写，掉电数据 不丢火的功能，本身还具冇上电复位和看门狗的功能，让用户进行负载的设定以及 系统智能pid算法的参数设置的存储。d/a输出变频器控制模块功能是：完成对变频器的电平控制。变频器有四种控 制方式，手动控制、电流控制、电压控制和485串口通讯控制四种模式。选用ad

6、558 一种数模转换电压控制芯片实现对变频器的速度控制非常方便。变频器的控制电压 范围是0-10v,而ad558的最高工作电压可以达到16v以上，因此，直接利用变 频器所提供的直流10v电压电源实现ad558的0-10v的电压输出。键盘显示模块比较简单，键盘完成粉碎机负荷参数的输入和pid智能控制的参 数设置输入；显示模块采用四位数码管显示，在参数修改吋显示所修改的参数，在 系统正常运行时显示粉碎机的电机工作载荷。因此可以直观看到粉碎机负荷在智能 系统控制下的运行变化情况。cpu屮央处理模块是系统的核心，选用的是89c51单片机，该模块完成对ad数模转换模块的负荷数据的读取、分析处理，并进行p

7、id运算，所得结果对da模 块进行控制，通过控制粉碎机喂料量的人小实现对粉碎机负荷的闭环控制。2. 3系统核心软件设计2.3.1 p1d控制的棊本原理及系统控制方案的确定在工程实际应用中，应用最为广泛的调节器的控制规律为比例、积分和微分控 制，简称pid控制，pid控制器因具结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而 成为工业控制的主要技术之一。pid控制技术具有很强的鲁棒性解决了被控对象的 结构和参数不明确、数学模型不梢确的控制问题。pid控制的实质就是根据系统误 差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。pid控制回路如图2所示：图2.单回路p1d控制原理图在模拟系统屮pid算法的表达

8、式：p=心刃)+ + je(t)dt + td 讐式屮p （ t）调节器的输入信号；e（t）-调节器的偏差信号；kp-调节器的比例系数；t】调节器的积分时间；td调节器的微分时间对模拟系统p1d算法离散化后，得到增量型pid算法表达式：ap伙）= p（£） p伙1）=kpe(k) 一 e(k 一 1) + kje(k) + kde(k) 一 2e(k 一 1) + e(k 一 2)式中积分系数；十-微分系数pid是比例（p）控制、积分（i）控制和微分（d）控制的综合，积分控制能 够消除系统的稳态误差，而微分控制能够改善系统在调节过程中的动态特性。鉴于 上述因素，针对粉碎机喂料系统电机

9、控制采用p + i加上粗微分控制。具体参数根据 现场调试情况进一步确定。pid参数的确定方案pid的输入参数的采样周期的确定根据香农（shannon）采样定理，采样频率 （1/t）的上限为2fmax, fm湫为被控对象的最高运行频率，理论上釆样频率越高越 好，但受到各种因索的制约，釆样周期须综合考虑以下因索：被控对象的扰动频率、 控制四路的数量、控制精度、被控对彖的动态特性和被控对彖的时间常数与纯滞后 量。工程上确定采样周期时最常用的是经验法，根据实际调试结果不断修正，玄到 满意为止。p1d算法控制中比例控制能迅速反应谋差，但不能消除稳态误差，比例放大系 数过大，会使系统不稳定；积分控制可消除

10、误差，足够的吋间能使系统误差为零， 但积分过强会导致系统振荡；微分参数可以减小系统超调，克服振荡，提高系统的 稳定性。因此适当选择pid参数中的比例放人系数kp、积分时间t,和微分时间td， 可使系统获得良好的性能。本系统采用实验试凑法确定系统pid闭环控制器的参 数，具体步骤是：a.整定比例控制，将比例控制作用由小变大，观察响应情况，最 后确定比例放大系数kp； b.整定积分环节，在比例控制下稳态误差不能满足耍求吋 需要加入积分控制，将比例系数减为原有的5()%-8()%,将积分时间t|放置较人值， 然后观察系统响应情况并逐步减小积分时间，加大积分作用并相应调整比例系数， 最后确定积分时间t

11、i； c.整定微分环节，在系统动态响应特性不能令人满意时须通 过加入微分环节來控制，先置微分时间td = 0,逐渐加大微分时间并适当调整比例 系数和积分时间，直至获得满意的控制效果和pid控制参数。pid的程序实现根据pid控制的算法流程，确定系统控制程序的流程图如图3：3. 系统的使用与结论本系统在福州峰华饲料有限公司的wfl-100型饲料微粉碎机上使用，电机功率 7 5 k w ,经牛产应用，得到如下结论：1. 系统的负荷控制效果良好，电机工作电流在参数设定范围内工作，实现微粉 碎机负荷控制的24小时无人值守；2. 采用本系统后，粉碎粒度更加均匀，由于喂料过程更加均匀，粉仓结拱堵料 现彖也大为减少；3. 高效节能，从各种原料的粉碎统计结果表明，采用本系统后，吨料电耗可降 低10%左右，系统粉碎鳗鱼黑仔料时小时平均产量由原来的2.3吨提高到2.5 吨。参考文献1.摘要：本文从分析超微粉碎机负荷与能耗和粉碎作业质量的关系，指出粉碎机负荷控制的重 要性。详细介绍超微粉碎