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0引言
目前，農(nóng)業(yè)肥料的種類越來越多，包括有機肥、復(fù)合肥、磷銨、大顆粒尿素、多孔硝胺、重鈣、ＢＢ肥、磷肥、鉀肥及各種混配肥等，包裝的市場越來越大，越來越多的肥料生產(chǎn)企業(yè)選擇使用肥料包裝機包裝生產(chǎn)。傳統(tǒng)的肥料包裝機側(cè)重于機械方面，采用螺旋傳動，生產(chǎn)效率低下，運行過程中易擠死，造成停車故障，且維護不方便，稱量不準確，包裝過程常常取決于操作人員的經(jīng)驗。為此，以嵌入式ＡＲＭ為主控制器，研發(fā)了一套肥料包裝機控制系統(tǒng)，旨在提高肥料包裝的精準度和效率。
1肥料包裝機結(jié)構(gòu)與工作原理
1.1整體結(jié)構(gòu)
肥料包裝機用于有機肥料的自動包裝，包括機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分。其中，機械結(jié)構(gòu)功能是為包裝作業(yè)流程提供結(jié)構(gòu)支撐，主要包括供料、上料、定量給料、秤斗、打料電機、橫封、縱封、送料機、傳送系統(tǒng)、送膜與拉膜傳動結(jié)構(gòu)、打印機構(gòu)等單元；控制系統(tǒng)用于操縱整個機器的正常運作，主要包括信號采集電路、核心處理器、伺服電機、人機交互等。肥料包裝機整體機械結(jié)構(gòu)如圖１所示。

肥料包裝機開始工作時，送料機將待包裝的肥料原料送入到上料斗，接近開關(guān)監(jiān)測到上料斗內(nèi)物料，便開始向下傳送物料，在料倉內(nèi)由定量給料機進行精準給料處理；經(jīng)過秤斗的精確計量后，當(dāng)符合質(zhì)量誤差范圍后，使物料由下料斗卸到包裝袋內(nèi)，最后由橫封、縱封完成封口操作。肥料包裝機實物圖如圖２所示。

1.2執(zhí)行結(jié)構(gòu)設(shè)計
肥料包裝機機械執(zhí)行結(jié)構(gòu)主要包括計量機械裝置、橫封與縱封裝置、送膜與拉膜傳動機構(gòu)、氣動控制模塊等４部分。其中，重要的部分為計量機械裝置和氣動控制部模塊。
１）計量機械裝置。定量給料機由數(shù)字顯示表、標定及調(diào)校設(shè)施、秤架、稱重傳感器、速度傳感器、配料秤的密封罩、支撐架、變頻調(diào)速電機、控制器等組成。
定量給料機的工作原理為：首先由稱重傳感器測量稱重秤架上的物料質(zhì)量，測速傳感器測量傳送帶的轉(zhuǎn)動速度，然后將兩個信號送入微處理器，計算出肥料包裝的累計量和瞬時流量，由處理器將該流量與設(shè)定流量進行比較，最后微處理器輸出信號控制變頻器調(diào)速，達到定量給料的要求。該設(shè)備的優(yōu)點為：結(jié)構(gòu)簡單，精度較好，投資較低，維護成本低，調(diào)校容易；缺點為：密閉性差，易漏料、揚塵，造成環(huán)境污染。
２）氣動控制模塊。該肥料包裝機多處運動部件采用氣動動力驅(qū)動，具有動作快捷、結(jié)構(gòu)簡單及維護方便等優(yōu)點。工作時，嵌入式控制系統(tǒng)進行實時控制，氣缸工作壓力可通過氣源三聯(lián)件無級調(diào)整，氣缸動作速度可通過節(jié)流閥快速調(diào)整。
2肥料包裝機伺服傳動的數(shù)學(xué)模型
肥料包裝機采用定量給料機進行供料，而定量給料機的核心是伺服傳動控制。肥料包裝機伺服傳動的原理為：在伺服驅(qū)動器速度控制模式中，通過對比伺服驅(qū)動器速度輸出UP及通過質(zhì)量增加推算到的電機轉(zhuǎn)動速度UG，計算后得到ΔU＝UP－UG；經(jīng)過嵌入式控制器進行轉(zhuǎn)換后，得到嵌入式控制器輸出ＰＷＭ脈沖信號和伺服驅(qū)動器的電樞控制電壓U。在整個速度控制器的控制系統(tǒng)中，包含比例系數(shù)kA，其傳遞函數(shù)表達式為

其中，θM（t）為伺服電機的角位移量；kv為速度控制環(huán)的增益值。
為了實現(xiàn)對伺服驅(qū)動器的動態(tài)控制，結(jié)合嵌入式控制和模糊ＰＩＤ技術(shù)，在包裝機ＡＲＭ控制系統(tǒng)上應(yīng)用模糊ＰＩＤ控制算法，目的是將被控對象的控制量進行等級離散化，利用ＰＩＤ的良好靜態(tài)控制效果，在線對ＰＩＤ參數(shù)進行修改。定量配重系統(tǒng)模糊ＰＩＤ控制的功能是根據(jù)目標定量值和稱重秤測得實際值去控制電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)定量給料系統(tǒng)的精準計量。模糊ＰＩＤ控制的定量給料系統(tǒng)如圖３所示。

定量配重系統(tǒng)的主要任務(wù)是在計量精度滿足要求的前提下，加快包裝速度。但是，定量給料機轉(zhuǎn)動的速度越快，單位時間內(nèi)下的物料會越多，計量精度也就會越低。因此，計量精度和電機轉(zhuǎn)動速度是一對矛盾體，需要模糊自適應(yīng)整定控制器動態(tài)進行調(diào)節(jié)。
本文以每袋產(chǎn)品包裝質(zhì)量是５０ｋｇ、精度要求為±０．２％為例進行設(shè)計。由于包裝下料是一個單向逼近式的過程，根據(jù)要求系統(tǒng)采用粉料動態(tài)快速測量及自校準技術(shù)，引入閉環(huán)復(fù)合無級調(diào)速方法，根據(jù)稱量質(zhì)量進行實時高精度控制。此外，系統(tǒng)無級調(diào)速裝置可提高包裝速度，在質(zhì)量達到目標值的９０％（即４５０００ｇ）時前，全速加料；到限量時，根據(jù)經(jīng)驗曲線和稱量值，智能逐步減少加料速度，直至加料過程完成。控制電機轉(zhuǎn)速與時間曲線如圖４所示。

3肥料包裝機控制系統(tǒng)的設(shè)計
肥料包裝機控制系統(tǒng)的核心主要負責(zé)整個系統(tǒng)的開啟、關(guān)閉、采集秤斗質(zhì)量信息和控制各個傳感器的開關(guān)等，以協(xié)調(diào)各個機械裝置的正常運轉(zhuǎn)。肥料包裝機控制系統(tǒng)整體框架如圖５所示。

1肥料包裝機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
１）嵌入式ＡＲＭ處理器。肥料包裝機控制系統(tǒng)的硬件部分主要由嵌入式控制模塊、傳感器模塊和伺服驅(qū)動模塊等組成，嵌入式控制模塊采用ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ａ９內(nèi)核體系的四核微處理器Ｅｘｙｎｏｓ４４１２。肥料包裝機控制系統(tǒng)硬件框架如圖６所示。

２）伺服電機。肥料包裝機控制系統(tǒng)要求對伺服電機轉(zhuǎn)速具有非常高的控制精度，本文采用ＨＳＶ１－１２０－Ｆ３伺服驅(qū)動器，其額定輸出為１．５ｋＷ，輸入電源為ＡＣ３８０Ｖ。Ｅｘｙｎｏｓ４４１２微處理器采用ＲＳ２３２接口和伺服控制器進行操作的指令轉(zhuǎn)換，控制方式單一，穩(wěn)定性高。Ｅｘｙｎｏｓ４４１２與伺服驅(qū)動器連接示意如圖７所示。

３）稱重傳感器。稱重傳感器模塊是肥料包裝機控制系統(tǒng)中的核心部件，其精準度、靈敏度對系統(tǒng)的性能結(jié)果具有重要的影響。稱重傳感器主要由彈性敏感元件和電阻應(yīng)變計組成：前者主要是將肥料的壓力轉(zhuǎn)化為彈性體的應(yīng)變值，后者則是將前者的應(yīng)變值實時轉(zhuǎn)換為電阻變化值。稱重傳感器的工作原理是：由彈性敏感元件和電阻電橋?qū)⑽矬w的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為可以測量的微弱電信號。
根據(jù)設(shè)計需要，稱重傳感器選用的是美國某公司的拉壓雙向的Ｆ２８０６系列稱重傳感器，采用合金鋼材料制造，硅橡膠密封，表面陽極化，耐腐蝕性好。Ｆ２８０６最大量程范圍為１～２００ｋｇ，適合多種精度等級的工業(yè)測量系統(tǒng)。Ｆ２８０６實物圖與內(nèi)部原理圖如圖８所示

系統(tǒng)中稱重傳感器電路采用并聯(lián)方式，并聯(lián)方式可以大大降低器件輸出阻抗，提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力。Ｆ２８０６電路設(shè)計如圖９所示。

3．2肥料包裝機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
肥料包裝機控制系統(tǒng)采用ＰＩＤ多級智能給料方式，給料系統(tǒng)采用肥料動態(tài)快速測量及自校準技術(shù)，引入閉環(huán)復(fù)合ＰＷＭ調(diào)速方法，根據(jù)稱量質(zhì)量進行實時高精度控制。此外，研制了伺服調(diào)速裝置提高包裝速度：在達到限量前，全速加料；到限量（快接近總量）時，根據(jù)經(jīng)驗曲線和稱量值，智能逐步減少加料速度，直至加料過程完成。肥料包裝機控制系統(tǒng)軟件主流程如圖１０所示。
4實驗結(jié)果與分析
為了驗證肥料包裝機控制系統(tǒng)的精度值和可行性是否滿足設(shè)計需求，進行了肥料包裝實驗，包裝定量值設(shè)定為２５ｋｇ。實驗前，準備１臺Ｅｘｙｎｏｓ４４１２嵌入式控制系統(tǒng)，其固化了采用模糊ＰＩＤ控制的定量配重程序。另外，準備１臺量程為１００ｋｇ、精度為０．００１ｋｇ的靜態(tài)電子臺秤，為包裝成袋的產(chǎn)品進行復(fù)秤。包裝結(jié)束后，隨機抽取了５包包裝完成的肥料進行了復(fù)秤，結(jié)果如表10所示。

在實驗中，所選取的５包肥料中，復(fù)秤的偏差值均在±０．２％以內(nèi)，精準度較高，滿足系統(tǒng)精度要求。
5結(jié)論
基于ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ａ９內(nèi)核體系的四核微處理器Ｅｘｙｎｏｓ４４１２，設(shè)計了肥料包裝機控制系統(tǒng)，從肥料包裝機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、伺服傳動的數(shù)學(xué)模型，到Ｅｘｙｎｏｓ４４１２嵌入式的軟硬件設(shè)計進行了多方面的研究。為了驗證該控制系統(tǒng)的精確度和可行性，對基于嵌入式ＡＲＭ的肥料包裝控制系統(tǒng)的精確度進行了測試，結(jié)果表明：系統(tǒng)包裝的偏差值均在±０．２％以內(nèi)，精準度較高，滿足系統(tǒng)精度要求。
 

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