硬幣自動分選清點機械設(shè)計【自動分選、清點和包裝】
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硬幣自動分選清點機械設(shè)計
附錄Ⅰ 外文翻譯（中文）
反饋控制電磁振動給料器
（應(yīng)用雙自由度比例加積分加微分控制器的非線性元）
Tomoharu DOI**，Koji YOSHIDA***，
Yutaka TAMAI* ***，Katsuaki KONO****，
Kazufumi NAITO****and Toshiro ONO*****
電磁式振動給料機是一種用于自動稱重機的傳輸設(shè)備?，F(xiàn)有的送料器是由前饋控制，所謂的“發(fā)射角控制” ，無法使突然出現(xiàn)的干擾無效。在這項研究中，我們考慮采用一種反饋控制這種饋線系統(tǒng)。首先，我們給出對于振動部分和電磁力部分模型的兩個細(xì)節(jié)。其次，反饋控制系統(tǒng)是為電磁振動給料器構(gòu)建的，我們提出一個運用非線性元件兩自由度比例加積分加微分（ PID控制器）控制器。下一步，我們還采用反饋控制的饋線與標(biāo)準(zhǔn)槽。最后，我們考慮一種方法兼容多種槽調(diào)整的非線性因素。在一些實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們證實了雙自由度PID控制比傳統(tǒng)的角發(fā)射控制更加有效。
關(guān)鍵詞：振動控制，喂料機，非線性控制，電磁作動器，雙自由度PID控制，建模
1、緒論
對于各種食品制造業(yè)的包裝過程，自動秤是一個非常重要的設(shè)備。自動秤發(fā)展于1973年，后來得到改進(jìn)，從而成為高度精確和有效的。電磁振動給料器在這篇文章中被認(rèn)為是一個重要的用于系統(tǒng)地傳輸材料給稱重單位的傳輸設(shè)備。然而，在發(fā)射角控制（前饋控制）被用于給料器至今，仍未得到進(jìn)一步的完善。在這項研究中，我們提出一個運用非線性元件的兩自由度的PID控制器的反饋控制系統(tǒng)構(gòu)建于電磁振動給料器下。首先，我們給予振動部分和電磁力部分模型的細(xì)節(jié)。下一步，我們還采用對于給料器標(biāo)準(zhǔn)槽的反饋控制。然后，我們考慮一個方法兼容各種槽調(diào)整的非線性因素的兩自由度PID控制器。在一些實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們證實了雙自由度PID控制比傳統(tǒng)的角發(fā)射控制更加有效。
2、電磁振動給料器
2.1給料器的概要及其傳輸原理
圖1.顯示的是一個給料器。術(shù)語“料槽”是指用于運輸?shù)匿摪逍螤畹墓艿?。料槽可以很容易地改變，以配合運輸對象。料槽是靠平行板彈簧和位于料槽底下的電磁線圈支持的。板彈簧和線圈是固定在基座上的。該基座是由三根螺旋彈簧支承著的。所有部件，除了料槽，被稱為“直屬零件”和所有設(shè)定的部分，包括料槽，被稱為“送料器”。 料槽連接到基座的鋼板彈簧，因此，這一系統(tǒng)基本上相當(dāng)于一個質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的共振頻率ω。如果在共振頻率ω下被驅(qū)動，送料器將做共振運動。共振現(xiàn)象是高效率的，因為少量的電源作為輸入可以造成大位移量的出現(xiàn)。
圖1 電磁振動送料器 圖2 輸送過程
圖2所示為運輸物料的過程。陰影箭頭表示料槽振動時物料的移動方向。圖2（i）表明送料器處于平衡位置。最初，當(dāng)電流流向電磁鐵線圈（以下簡稱“線圈” ），由電磁力的作用料槽向左移動到更低的位置（見灰色箭頭），就如圖2（ii）所示的那樣。在此期間，料槽內(nèi)輸送的物料向重力方向移動（見白箭）。
當(dāng)關(guān)閉電源開關(guān)，板彈簧和料槽將推進(jìn)運輸對象向右上方移動（見灰色箭頭），如圖2（iii）所示。在這種方式下，被輸送的物料緩慢前行。送料器將在共振頻率ω的驅(qū)動下重復(fù)圖2（ii）和（iii）中的步驟。
2.2 振動機械因素的模型
圖3所示為送料器振動因素的模型。這一模型中術(shù)語的坐標(biāo)軸，使用的變量和參數(shù)被列表1中。模型的一個關(guān)鍵要素是料槽的移動方向是被固定了的。然后，下面的線性動態(tài)模型，四階可得出的詳細(xì)模型的振動。
M ，K是對稱矩陣（符號*顯示對稱元素）如下所示：
因此，本模型（1）是有用的設(shè)計振動因素。模型（1）對應(yīng)的特征頻率符合實驗?zāi)B(tài)分析的結(jié)果。
圖3 振動因素模型 圖4 電磁線圈模型
送料器的主振彈簧是由一些板彈簧組成的。該模型沒有考慮非線性特性的彈簧元（1）（2），這改變了共振頻率按照振幅變化的共振。
表1 模型中用到的參數(shù) 表2 料槽的特性
2.3 電磁驅(qū)動要素
我們采用的電磁懸浮（3）模型技術(shù)就如圖4中模型顯示的那樣。在圖4中e，i和R分別表示線圈的電壓，線圈電流和線圈電阻。線圈和料槽之間的電感z被表達(dá)的功能為。其結(jié)果是，電磁力F可表示為
（2）
線圈和電流之間的關(guān)系可以表達(dá)為
（3）
Q、和為線圈決定的常數(shù)。使用公式（1）、（2）、（3）可以在計算機上構(gòu)建一個仿真的送料器。此外，狀態(tài)空間模型可以由公式（1）、（2）、（3）得出一個線性均衡器。
3.實驗控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
3.1 反饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
圖5顯示的是一個反饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。反饋系統(tǒng)的操作變量（以下簡稱“振幅能量”為AP，AP是個無綱量）是一個存在發(fā)射角控制的變量（以下簡稱“FAC”，它的詳情稍后給出）。測量變量，控制變量，命令變量假定振幅為料槽與線圈表面的距離（以下簡稱“間隙振幅”為）z。由FAC、激勵系統(tǒng)和振動因素組成的部分被稱為控制系統(tǒng)。圖5顯示的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)取消和干擾，以改善其跟蹤特性的命令變量的兩自由度PID控制器。這種結(jié)構(gòu)成為一個現(xiàn)有FAC系統(tǒng)的內(nèi)置結(jié)構(gòu)，，它描述了兩自由度PID控制器的一般結(jié)構(gòu)（5）（6）。因此，如果操縱變量如圖5所示，當(dāng)由于反饋控制器而使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定時將會關(guān)閉，這結(jié)構(gòu)將符合當(dāng)前的常規(guī)系統(tǒng)。因此，這種結(jié)構(gòu)已成為故障安全系統(tǒng)。
圖5 反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖6 實驗系統(tǒng)
3.2 送料器和料槽在實驗中的使用
圖6顯示了設(shè)立的實驗系統(tǒng)。這個實驗送料器可運輸約10公斤的最高質(zhì)量，但是送料器通常由約0.1公斤的質(zhì)量驅(qū)動。這個送料器的共振頻率f是40Hz。當(dāng)送料器運輸最大質(zhì)量是，共振頻率的變化約4%。然而，因為運輸0.5千克或更多是罕見的，我們忽視了由共振的運輸物料質(zhì)量變化引起的共振頻率的變化。關(guān)于料槽形狀和類型，根據(jù)運輸物料的不同有100多個品種的料槽。對于我們的實驗，運用到了五種特別類型的料槽。這些料槽的參數(shù)列在表2中，并在圖7中給出了料槽的形狀。在下面，料槽B是所謂的“標(biāo)準(zhǔn)料槽”。由于料槽E的質(zhì)量是最大的，我們改變組合鋼板彈簧等要素的共振頻率的支線為40赫茲。
圖7 料槽的形狀 圖8 在FAC中電流電壓的循環(huán)曲線
3.3 送料器驅(qū)動部分
在現(xiàn)有送料器系統(tǒng)中，F(xiàn)AC常用作驅(qū)動系統(tǒng)。圖8顯示的是FAC的操作綱要。曲線圖8分別指出了交流源，線圈電壓和線圈電流。FAC是一個利用交流源過境時間（ZAT：零跨越時間）的重復(fù)控制方法。從ZAT延遲時間L后，經(jīng)處理進(jìn)入線圈的電流開始進(jìn)行。L是從（常量）和AP（操縱量）中獲得的，并表達(dá)如下：
（4）
這里是交流電流入的時間。當(dāng)AP變大時，延遲時間L與函數(shù)F將變短。FAC會在此基礎(chǔ)上運作的延遲時間如下：（i）由延遲時間L和線圈電流作用后，交流源的電壓將直接激起線圈的電壓。（ii）在高峰期過后，該線圈電流開始下降。（iii）當(dāng)線圈電流變?yōu)?A時，交流電源將關(guān)閉。在共振期間，像（i）——（iii）這類非線性處理的方案將被多次重復(fù)執(zhí)行。在FAC中，線圈電流靠AP而增加并且變大以致于振幅變大。AP決定了一個共振周期的輸入功率。共振期符合更新期間的操縱變量。因此，在控制實驗中的取樣時間變?yōu)?.025秒。取決于FAC驅(qū)動硬件的AP采取的整數(shù)值從0到127（7位）。
3.4 間隙振幅測量部分
因為加速度傳感器對環(huán)境變化的低敏感度和易于維護(hù)，所以用來測量測量變量。加速度傳感器和金屬配件被安裝在實驗送料器的料槽固定部分。如果要取得一個標(biāo)準(zhǔn)的價值差距測量，將光學(xué)位移傳感器安裝在實驗送料器中。然而，位移信號的光學(xué)傳感器不是用于反饋控制對加速度傳感器信號測量精度的研究中的。
3.4.1 從加速度到間隙振幅的變化
由于送料器驅(qū)動是由發(fā)射角控制的，加速度傳感器的輸出信號a（t）的加速度傳感器，可以假定為是一個正弦波的振幅和共振頻率。
從這個假設(shè)，間隙z（t）是由整合加速的a（t）的兩倍獲得的。因此，間隙可由料槽位移和送料器的幾何關(guān)系表達(dá)如下：
（5）
換言之，差距環(huán)z（t）是不通過整合輸出信號a（t）的兩倍得到的，但乘以輸出信號為常數(shù)，因為它可以假設(shè)為一個輸出信號正弦波。從間隙z（t）中獲得的方法也是被制定了的。當(dāng)是由公式（5）計算的間隙z（t）的最大和最小值計算得出的，有可能會直接受到噪聲造成的影響。首先，在圖9中陰影部分的可通過用加速度傳感器獲得的輸出信號a（t）算出。其次，的獲得基于。如果輸出信號為一個正弦波，則變?yōu)?，變?yōu)槿缦滤荆?
因此，可以由通過加速度a（t）算出的對進(jìn)行測量。
圖9 振幅的測量曲線 圖10 與的關(guān)系
可由下列步驟計算出：(i) 為了使正弦波將集中在0V，一個補償（-1.397V）被刪除。（ii）一個絕對值波是通過步驟（i）中的絕對值正弦波產(chǎn)生的。（iii）梯形規(guī)則的一體化算法應(yīng)用于步驟（ii）中的絕對波和最后的計算。間隔時間為0.25毫秒一體化和采樣時間的加速度傳感器也是0.25毫秒。共振周期1/f的整合時間為25毫秒，區(qū)域是由這一周期計算出的。我們考慮獲得由[VS]轉(zhuǎn)換為光學(xué)位移傳感器輸出值的表達(dá)式。圖10所示為光學(xué)傳感器算出的和由加速度傳感器計算出的的關(guān)系。在圖10中和的關(guān)系顯示它在12.6VS邊界時開關(guān)。這種開關(guān)特性被認(rèn)為是由于一套鋼板彈簧引起的非線性（1）（2）。因此，轉(zhuǎn)化率的表達(dá)逼近兩直線，改變邊界的表達(dá)式如下：
3.4.2 輸送物料造成的噪聲
當(dāng)固體物質(zhì)運輸時，運送物體料槽產(chǎn)生一個沖擊力。因此，加速度受到?jīng)_擊力的影響，并且噪聲隨著加速度傳感器輸出信號的出現(xiàn)而出現(xiàn)。當(dāng)料槽和輸送物料被替代時，噪聲的頻率也隨之變化。然而，有人證實了實驗的頻率為0.5 kHz或更多，即使是進(jìn)行更換。0.5Hz或更多的噪聲被三階數(shù)字低通濾波器[Hz]過濾掉，并且運用低通濾波器的預(yù)處理可以計算出。在我們的實驗中，下面的過濾器被使用。
當(dāng)噪聲被通過原來的加速度傳感器輸出影響的數(shù)字濾波器刪除時，為圖11所示。
圖11 數(shù)字低通濾波器的影響 圖12 在測量過程中的信號流出
3.4.3 在測量過程中的數(shù)據(jù)處理
圖12所示為在測量過程中簡要的數(shù)據(jù)處理。首先，由加速度傳感器產(chǎn)生的輸出信號是在4KHz下采樣，噪聲是被數(shù)字濾波器刪除的。是通過濾波信號計算出來的，是通過公式（6）中共振周期1/f的關(guān)系得到的。圖13所示為安裝在運用FAC，68AP的標(biāo)準(zhǔn)料槽的的有效力是通過數(shù)據(jù)處理獲得的。驅(qū)動測試期間，50g的測試片（質(zhì)量0.5g的木欄一塊；直徑8mm；長15mm。）被放到料槽上四次。測量使用光學(xué)傳感器和那些從刪除噪聲后計算出的所獲得的值將得到相似的輸出。然而，在中間圖像的測量結(jié)果中，測試片造成了噪聲的出現(xiàn)，就是通過噪聲的一個最大和最小值得出的。因此，確認(rèn)獲得的位移加速度傳感器，并顯示了類似的測量性能的光學(xué)傳感器。從得的數(shù)據(jù)處理方法的成效通過結(jié)果而被證明了。
圖13 檢測方法的比較 圖14 γ和AP的關(guān)系
3.5 控制部分
控制器的結(jié)構(gòu)類似于雙自由度PID控制器。PID控制器（以下稱為“反饋控制器”）負(fù)責(zé)取消干擾，命令變量過濾器負(fù)責(zé)在命令變量的跟蹤特性中進(jìn)行改進(jìn)。命令變量過濾器被在圖5中所示的“變換參考AP”的塊所顯示出來。
3.5.1 反饋控制器
數(shù)字反饋控制器的功能可表達(dá)為如下：
（7）其中是錯誤，是采樣時間，是比例增益，是整合的時間和是分化時間。在控制實驗中，這些參數(shù)的粗值是通過靈敏度估算方法獲得的，通過調(diào)整假設(shè)=12.0，=0.1，=0.25。
3.5.2 命令變量過濾器
基于命令變量，命令變量濾波器可計算出穩(wěn)態(tài)振幅能量。衍生控制器參照圖5的參考值（命令）工作以改善對于命令變量的跟蹤特性。在這項研究中，我們采用一種非線性函數(shù)f（r）能夠命令變量過濾器，但比例控制器通常用作命令變量過濾器。體系的穩(wěn)定性不是問題，因為這一非線性因素通過命令變量產(chǎn)生一個獨特的輸出。非線性因素在反饋系統(tǒng)中也是獨立的。圖14所示為通過利用標(biāo)準(zhǔn)料槽所做實驗獲得的命令變量和AP之間的關(guān)系?；谶@些結(jié)果獲得命令變量過濾器的具體情況如下：
（8）
改善其跟蹤性能命令變量的衍生控制器，假定是一個近似分化根據(jù)一階傳遞函數(shù)如下：
（9）
衍生控制器和命令變量過濾器（8）在采樣時間實現(xiàn)在離散時間中獲得，并命令變量過濾器得到如下：
和作為相反的一對離散系數(shù)是必要的，關(guān)系如下：
，
參數(shù)為=6.0和=0.1是用于控制實驗。
4.標(biāo)準(zhǔn)料槽控制實驗
4.1 輸送物料的質(zhì)量變化
當(dāng)輸送物料的質(zhì)量變化時，通過料槽的實驗驗證了干擾取消的表現(xiàn)。
當(dāng)?shù)妹钭兞考俣?.2mm，重200g的測試片扔到空料槽中時，如圖15所示的時間行為。短虛線表示的是FAC，實線表示的是反饋控制。當(dāng)輸送物料下放時（通過輸送和測試片的質(zhì)量在料槽上減小，測試片從料槽上掉下），利用FAC，減少后的將恢復(fù)。另一方面，用反饋控制，在測試片從料槽上掉下后，將在8秒內(nèi)恢復(fù)。
因此，反饋控制可以取消的干擾從而突然增加了運輸物體的質(zhì)量。
圖15 輸送木塞的結(jié)果 圖16 2-d.o.f控制器的每步驟結(jié)果
4.2 關(guān)于命令變量的跟蹤特性
命令變量跟蹤特性的改進(jìn)被確認(rèn)是通過一個使用標(biāo)準(zhǔn)料槽的階躍響應(yīng)實驗實現(xiàn)的。圖16顯示了實驗的結(jié)果。虛線表明了利用FAC控制的結(jié)果，實線顯示了使用反饋控制的結(jié)果。當(dāng)命令變量增加時，振動和穩(wěn)態(tài)偏差的結(jié)果是被FAC監(jiān)視的。另一方面，利用反饋控制的結(jié)果顯示改善了跟蹤特性，并消除了穩(wěn)態(tài)偏差。特別是，針對反饋控制在1.0mm顯示良好的跟蹤響應(yīng)，因為PID參數(shù)的調(diào)整在1.0mm。然而，送料器變化的特點主要取決于。因此，當(dāng)G有一個其他值時，結(jié)果會比G去1.0mm時的結(jié)果還壞。
5.不同料槽的控制實驗
5.1 分組料槽
被提到的料槽種類已經(jīng)超過了100種。因此，調(diào)整PID參數(shù)為個別槽增加花費。所以，我們認(rèn)為這種方法可以控制幾種料槽使用相同的PID參數(shù)。在這項研究中，我們考慮的一種方法，這種方法是基于在表2中提到的5種料槽的實驗結(jié)果調(diào)整命令變量過濾器。
圖17所示為5種料槽的AP和的關(guān)系（見表2）。我們進(jìn)行了以下自動實驗：（i）送料器通過AP每0.2秒增加一次從0增加到127來驅(qū)動，接著再從127到0每0.2秒減小一次來驅(qū)動。（ii）在這個過程中，AP和被自動測量。實驗結(jié)果自動繪制在圖17內(nèi)。這個實驗花費了大約50秒，因為這個關(guān)系可以很容易的從各種料槽中得到。
圖17 和AP的關(guān)系 圖18 料槽組G每步驟結(jié)果
圖17顯示的料槽C、D和標(biāo)準(zhǔn)料槽B也有相似的關(guān)系。料槽A是最輕的，振動和其他料槽相比要好，還有振幅范圍也更寬。換句話說，料槽E是最重的，要求更大的AP和相對要小的振幅范圍。通過這些結(jié)果，基于AP和的關(guān)系，料槽的形狀和參數(shù)可以被組合在一起。
5.2 料槽組命令變量的跟蹤特性
通過AP和，將由相似關(guān)系的料槽B、C和D組合在一起就成了料槽組G。我們用反饋控制器的相同的PID參數(shù)的料槽組G的反饋控制進(jìn)行試驗。圖18顯示了實驗步驟的反應(yīng)。如圖18所示的是與料槽B、C和D相符合的輸出結(jié)果，因此，在這組中AP和的關(guān)系相似。所以，使用相同的PID控制參數(shù)和相同的命令變量過濾器是有可能的。從結(jié)果中我們認(rèn)為，如果AP和的關(guān)系相似，相同的PID參數(shù)和相同的命令變量過濾器可用作控制系統(tǒng)。因此，如果我們組合料槽時考慮到AP和的關(guān)系，這些數(shù)量的控制器和時間需要PID參數(shù)的調(diào)整可以降低。
5.3 命令變量過濾器的調(diào)整
據(jù)證實，對于命令變量的跟蹤特性可以通過調(diào)節(jié)命令變量過濾器來改善。
在我們的實驗中，基于標(biāo)準(zhǔn)料槽的命令變量過濾器被稱為標(biāo)準(zhǔn)過濾器。此外，基于AP和關(guān)系的可以單獨調(diào)節(jié)的命令變量過濾器像料槽E那樣被稱為“個別調(diào)整過濾器”，可表示如下：
（11）
圖19 和每步驟結(jié)果的比較
圖19所示為運用一個標(biāo)準(zhǔn)過濾器和一個個別調(diào)節(jié)過濾器實驗的步驟結(jié)果。當(dāng)命令變量0.65mm， 0.75mm， 0.85mm和0.95mm，瞬態(tài)反應(yīng)是不同的方面的差異，命令變量過濾器。如果運用一個標(biāo)準(zhǔn)過濾器，結(jié)果是無效的，然而，它是改進(jìn)個別調(diào)整濾波器但所得到的結(jié)果不穩(wěn)定。當(dāng)命令變量0.95mm或以上，良好的跟蹤特性表明無論單獨調(diào)整濾波器。我們認(rèn)為，原因是整體增益反饋控制器因為如圖17所示不同的關(guān)系中顯示了一些偏差范圍其中大于0.9mm。
由于AP和G的關(guān)系不同使當(dāng)分組困難時，一個命令變量過濾器的調(diào)節(jié)時有效的。因此，如果命令變量過濾器為料槽A調(diào)整，被認(rèn)為可使對于命令變量的跟蹤特性改進(jìn)。
6.結(jié)論
在這項研究中，我們做出了關(guān)于送料器反饋控制的努力和實驗。結(jié)論總結(jié)如下：
（1） 包含F(xiàn)AC驅(qū)動的兩自由度PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是合理的。
（2） 反饋控制系統(tǒng)和FAC控制系統(tǒng)的性能是相當(dāng)?shù)摹?
（3） 通過實驗我們證實了AP和關(guān)系相似的料槽組可以由相同的PID參數(shù)和相同的命令變量過濾器控制。
（4） 通過實驗證實了當(dāng)AP和的關(guān)系不同時，命令變量過濾器的調(diào)節(jié)是有效的。
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