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摘 要：本文设计了一种针对可切割纤维状原料的传输装置，并通过PID闭环控制及模糊控制算法，实现了电机启动调速及传输仰角调整，并在实际生产中进行了应用。
关键词：履带 梳刀 模糊控制 PID 電机调速
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（c）-0100-02
履带式传输装置是农产品加工、轻工业生产过程中的主要运输设备。现有的传输装置结构主要是电动机带动履带进行传输，履带为水平状态，传输角度无法调节。在传输纤维状物体时，由于纤维束长短粗细不同，无法实现均匀传输的目的，往往会出现部分物体纠结抱团的现象；当传输的物品中出现铁性杂物的时候，也没有办法进行排除[1]。
针对上述问题，本文所要解决的就是克服现有技术的不足而提供一种传输均匀，实现纤维状原料自动切割成颗粒状，有利于后续分选的可切割纤维状原料的传输装置。
1 系统结构
本文装置包括电机、控制装置、皮带轮和履带。控制装置带动电机，电机带动皮带轮，履带包覆在皮带轮上。其特点在于：履带一端下方设置有螺旋升降装置，螺旋升降装置与控制装置连接，履带下方设置有波浪轮，波浪轮上方设置有梳刀，履带另一端下方设置有电磁滚筒，刷子设置在电磁滚筒的下方，刷子与电磁滚筒接触。装置总体结构如下图1所示。
梳刀包括两部分：前面为梳子，共设置有三排；后面为三排刀片，刀片与波浪轮正对。
本装置的工作过程为：控制装置带动电机，电机带动皮带轮，履带包覆在皮带轮上，履带一端下方设置有螺旋升降装置，螺旋升降装置与控制装置连接，螺旋升降装置的顶出杆与履带连接，可以调节履带的倾斜角度，履带与水平面的夹角α范围为0～60°。当履带倾斜时，履带上的物品逐层下滑，逐步分开，使得物品在履带上的分布更均匀。
履带中段的下方位置设置有波浪轮，波浪轮对应的履带上方位置设置有梳刀，梳刀横跨设置在履带上，物品在履带上传输，到达梳刀的位置，先由梳刀上的前三排梳子8-1进行梳理，后由后三排刀片8-2进行切割，波浪轮外轮廓为正多边形，本实施例中为5边形，通过波浪轮外轮廓的凹凸运动使物品与刀片产生间隙挤压，达到均匀切割的目的。
履带另一端下方设置有电磁滚筒，刷子设置在电磁滚筒的下方，刷子与电磁滚筒接触。物品在传输到最上方的电磁滚筒处进行分离，电磁滚筒将含有铁性的物质吸附住滚到下方，由刷子刷离履带。
本装置所述的螺旋升降装置与履带连接，可以通过控制装置调节履带的倾斜角度，履带与水平面的夹角α范围为0～60°。
2 控制系统工作原理
传输角度调节控制并不属于简单的线性控制且控制模型未知，因此需要采用模糊参数自整定PID控制策略来实现。传输角度的角度调节范围量化为0～60的整数值，初始值50。
对于传输角度调节而言，根据初值计算出PID调节均值变量e，将e和de/dt作为系统传输角度调节程序模块输入变量，调用模糊推理策略及PID算法计算出调节后的传输角度数据及需要调节的角度偏差值，驱动电机调节螺旋升降装置高度，同时对调节后的高度采样，再将其作为系统传输角度调节模块输入变量，再进行模糊推理策略和PID调节算法计算角度偏差值，之后再驱动电机动作。如此反复推理调节直至达到设定角度值。系统采用的离散PID调节的控制规律[2]为：
式中，u（k）为输出的控制量；e（k）为控制误差；ec（k）为误差的变化率；Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分的作用系数。模糊参数自整定PID控制的原理如图4所示，PID调节的各项作用系数由模糊推理规则来确定。根据参数Kp、Ki和Kd对系统输出特性的影响，规定自整定规则[3]如下。
（1）当|e|偏大时，为避免开始时e增长过快引起的微分过分饱和导致系统超出设定范围，并提高系统响应速度，以及为了避免积分饱和、防止较大超调出现在系统响应中，因此Kp取较大，Kd取较小。（2）当|e|和|ec|大小适中时，为减少系统响应中的超调，Kp、Ki和Kd都不应往较大取，Ki取较小，Kp和Kd=取中间值，以确保系统的响应速度。（3）当|e|偏小时，为使系统具有较强的鲁棒性，应增大比例和积分系数，同时为防止振荡出现在系统在设定值附近，在|ec|偏小时，Kd值应取大，|ec|值偏大时，Kd值取小。
模糊PID调节的各项作用系数由二阶模糊推理来确定。根据参数Kp、Ki和Kd对系统输出特性的影响，如图2所示制定各输入、输出变量的函数，分别建立Kp、Ki和Kd的模糊控制规则表，并对照模糊控制规则表进行模糊推理和运算后得到Kp、Ki和Kd，从而实现对传输角度的模糊PID控制[2]。
3 结论
本装置与现有技术相比具有产品切断长度与分布均匀、不含铁性杂志等优点。除用于传输农副产品之外，还可以用于将纤维状长条物切割为短状或颗粒状物品并传输，样机应用于企业实际生产过程中效果较好。
参考文献
[1] 孙大成.色选机控制系统的研究[D].天津：天津工业大学.2010.
[2] 代林.基于模糊控制系统的自整定PID参数控制器的设计[J].工业控制与应用，2005（5）.
[3] 何鸿志.基于PLC的可控起动传输装置CST控制算法[J].煤矿机电，2011（2）.
关键词：履带 梳刀 模糊控制 PID 電机调速
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（c）-0100-02
履带式传输装置是农产品加工、轻工业生产过程中的主要运输设备。现有的传输装置结构主要是电动机带动履带进行传输，履带为水平状态，传输角度无法调节。在传输纤维状物体时，由于纤维束长短粗细不同，无法实现均匀传输的目的，往往会出现部分物体纠结抱团的现象；当传输的物品中出现铁性杂物的时候，也没有办法进行排除[1]。
针对上述问题，本文所要解决的就是克服现有技术的不足而提供一种传输均匀，实现纤维状原料自动切割成颗粒状，有利于后续分选的可切割纤维状原料的传输装置。
1 系统结构
本文装置包括电机、控制装置、皮带轮和履带。控制装置带动电机，电机带动皮带轮，履带包覆在皮带轮上。其特点在于：履带一端下方设置有螺旋升降装置，螺旋升降装置与控制装置连接，履带下方设置有波浪轮，波浪轮上方设置有梳刀，履带另一端下方设置有电磁滚筒，刷子设置在电磁滚筒的下方，刷子与电磁滚筒接触。装置总体结构如下图1所示。
梳刀包括两部分：前面为梳子，共设置有三排；后面为三排刀片，刀片与波浪轮正对。
本装置的工作过程为：控制装置带动电机，电机带动皮带轮，履带包覆在皮带轮上，履带一端下方设置有螺旋升降装置，螺旋升降装置与控制装置连接，螺旋升降装置的顶出杆与履带连接，可以调节履带的倾斜角度，履带与水平面的夹角α范围为0～60°。当履带倾斜时，履带上的物品逐层下滑，逐步分开，使得物品在履带上的分布更均匀。
履带中段的下方位置设置有波浪轮，波浪轮对应的履带上方位置设置有梳刀，梳刀横跨设置在履带上，物品在履带上传输，到达梳刀的位置，先由梳刀上的前三排梳子8-1进行梳理，后由后三排刀片8-2进行切割，波浪轮外轮廓为正多边形，本实施例中为5边形，通过波浪轮外轮廓的凹凸运动使物品与刀片产生间隙挤压，达到均匀切割的目的。
履带另一端下方设置有电磁滚筒，刷子设置在电磁滚筒的下方，刷子与电磁滚筒接触。物品在传输到最上方的电磁滚筒处进行分离，电磁滚筒将含有铁性的物质吸附住滚到下方，由刷子刷离履带。
本装置所述的螺旋升降装置与履带连接，可以通过控制装置调节履带的倾斜角度，履带与水平面的夹角α范围为0～60°。
2 控制系统工作原理
传输角度调节控制并不属于简单的线性控制且控制模型未知，因此需要采用模糊参数自整定PID控制策略来实现。传输角度的角度调节范围量化为0～60的整数值，初始值50。
对于传输角度调节而言，根据初值计算出PID调节均值变量e，将e和de/dt作为系统传输角度调节程序模块输入变量，调用模糊推理策略及PID算法计算出调节后的传输角度数据及需要调节的角度偏差值，驱动电机调节螺旋升降装置高度，同时对调节后的高度采样，再将其作为系统传输角度调节模块输入变量，再进行模糊推理策略和PID调节算法计算角度偏差值，之后再驱动电机动作。如此反复推理调节直至达到设定角度值。系统采用的离散PID调节的控制规律[2]为：
式中，u（k）为输出的控制量；e（k）为控制误差；ec（k）为误差的变化率；Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分的作用系数。模糊参数自整定PID控制的原理如图4所示，PID调节的各项作用系数由模糊推理规则来确定。根据参数Kp、Ki和Kd对系统输出特性的影响，规定自整定规则[3]如下。
（1）当|e|偏大时，为避免开始时e增长过快引起的微分过分饱和导致系统超出设定范围，并提高系统响应速度，以及为了避免积分饱和、防止较大超调出现在系统响应中，因此Kp取较大，Kd取较小。（2）当|e|和|ec|大小适中时，为减少系统响应中的超调，Kp、Ki和Kd都不应往较大取，Ki取较小，Kp和Kd=取中间值，以确保系统的响应速度。（3）当|e|偏小时，为使系统具有较强的鲁棒性，应增大比例和积分系数，同时为防止振荡出现在系统在设定值附近，在|ec|偏小时，Kd值应取大，|ec|值偏大时，Kd值取小。
模糊PID调节的各项作用系数由二阶模糊推理来确定。根据参数Kp、Ki和Kd对系统输出特性的影响，如图2所示制定各输入、输出变量的函数，分别建立Kp、Ki和Kd的模糊控制规则表，并对照模糊控制规则表进行模糊推理和运算后得到Kp、Ki和Kd，从而实现对传输角度的模糊PID控制[2]。
3 结论
本装置与现有技术相比具有产品切断长度与分布均匀、不含铁性杂志等优点。除用于传输农副产品之外，还可以用于将纤维状长条物切割为短状或颗粒状物品并传输，样机应用于企业实际生产过程中效果较好。
参考文献
[1] 孙大成.色选机控制系统的研究[D].天津：天津工业大学.2010.
[2] 代林.基于模糊控制系统的自整定PID参数控制器的设计[J].工业控制与应用，2005（5）.
[3] 何鸿志.基于PLC的可控起动传输装置CST控制算法[J].煤矿机电，2011（2）.