一種自適應的共振式超高效混合機控制系統

2021-03-25 08:22:02曾慶林陸志猛

自動化與儀表 2021年3期

曾慶林，王爽，王晨，陸志猛，王平

（湖北航鵬化學動力科技有限責任公司，襄陽441003）

混合裝置廣泛應用于化工、醫藥、電池、化妝品、陶瓷、軍工等行業，用于將兩種或者多種物料相互分散而達到一定均勻程度。傳統的混合方法包括摻和、捏合、混煉、攪拌、射流混合、管道混合等。對于高粘度物料、大分子量材料、高價值粉末等物料的混合而言，目前普遍使用捏合、混煉或者攪拌裝置，這類混合裝置存在混合時間長、效率低、能耗高、混合死角大、槳葉清理時間長等缺點和弊端。某些大分子量材料的混合因為混合時間長、剪切力大等原因，還會造成材料特性變化，最終產品質量降低等不利影響[1-3]。為了避免這些弊端，實現物料的高效混合，湖北航鵬化學動力科技有限責任公司最新研發了一款利用共振控制技術達到高效混合目的的超高效混合機。

1 共振式超高效混合機簡介

共振式超高效混合機由機械系統、控制系統、真空系統、冷熱水系統等部分組成。共振式超高效混合機的機械系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 共振式超高效混合機機械系統結構示意圖Fig.1 Structural diagram of mechanical system of resonant super-efficient mixer

共振式超高效混合機利用共振時效率最高、振幅最大的特點，通過自適應控制系統使整個負載容器內物料達到并保持在共振狀態，從而以最小的能耗，使物料劇烈振動，最終達到高效混合的目標。

為了降低共振時混合機設備對地面的沖擊，共振式超高效混合機巧妙地設計了一套二自由度彈簧體系，使負載塊m1和反作用塊m2這2 個質量塊始終做反向運動，相互抵消作用力，使其對地面的作用力一直為0，從而降低對地面和地基的要求。

共振式超高效混合機的受力模型圖如圖2所示，其中F 為激振力；mi、ci、ki分別為各單元的質量、阻尼和剛度；xi為各單元的位移。

圖2 共振式超高效混合機受力模型圖Fig.2 Force model of resonant super-efficient mixer

2 控制系統設計

共振式超高效混合機控制系統由控制器、運算板卡、激振力伺服調節單元、加速度傳感器等部分組成。

激振力伺服調節單元分別驅動4 臺伺服電機，通過聯軸器帶動偏心質量塊旋轉，產生周期性的激勵力F。

控制器、伺服驅動單元、加速度傳感器等通過總線網絡相連接，實時接收各伺服電機狀態值、角度值、負載加速度值，并通過UDP 協議，將這些數值按照一定時間間隔發送給運算板卡。運算板卡根據這些數值計算出共振所需要的激勵力的大小和頻率，并生成控制信號，通過控制器反饋給伺服驅動單元。此過程高速循環運行，從而克服物料狀態不斷變化帶來的影響，使物料始終保持在共振狀態。共振式超高效混合機控制系統的結構原理如圖3所示。

圖3 共振式超高效混合機控制系統結構原理圖Fig.3 Structure schematic diagram of control system of resonant super-efficient mixer

2.1 激振力大小和頻率的調節

共振式超高效混合機的激振力F 由激振力伺服調節單元產生。它是周期性的，大小和頻率可調。激振力伺服調節單元結構示意圖如圖4所示，4 臺伺服電機通過聯軸器與偏心質量塊相連。

圖4 激振力伺服調節單元結構示意圖Fig.4 Structure diagram of exciting force servo adjusting unit

激振力的調節由各個伺服電機的相對運動完成，以電機a、b、c、d 命名為例，4 臺伺服電機的旋轉速度r 相同，一起做速度同步運動，且旋轉速度r 由控制系統實時調節。4 臺伺服電機兩兩一組，帶動偏心質量塊做反向位置同步運動，即a、d 一組，b、c 一組，每組里的2 臺伺服電機帶動偏心質量塊做反向位置同步運動，從而相互抵消橫向激振力。在速度同步運動和位置同步運動的同時，2 組伺服電機之間保持有一定角度的角差φ，角差φ 由控制系統實時調節，即控制系統實時調節a、d 與b、c 之間的角差φ。激振力F 調節原理如圖5所示，圖中φ=β-ε。

圖5 激振力F 調節原理圖Fig.5 Schematic diagram of exciting force F adjustment

共振式超高效混合機控制系統通過實時調節4臺伺服電機的旋轉速度r 來調節激振力F 的頻率，通過實時調節角差φ 來調節激振力F 的大小。

共振式超高效混合機伺服電機驅動單元與控制器通過總線網絡相連，接收控制器的控制信號，并向控制器反饋各個伺服電機的狀態信號和角度值信號。

2.2 共振狀態的判斷

共振式超高效混合機設備的共振頻帶設計在60 Hz 左右，判斷共振式超高效混合機負載達到共振狀態的依據是激振力F 和負載振動的相位差為90°。共振式超高效混合機剛性負載的掃頻效果如圖6所示。

圖6 共振式超高效混合機剛性負載掃頻效果圖Fig.6 Frequency sweep effect of rigid load of resonant super-efficient mixer

啟動掃頻程序時，控制系統會逐漸加大激振力F 的頻率（如圖中的X 軸所示），記錄剛性負載的加速度曲線（Y 軸）得到此圖。從圖中可以看到：①在非共振頻帶下，負載的加速度很小，激振力的傳遞效率很低，但是，在共振頻帶下，負載的加速度急劇升高，激振力的傳遞效率很高；②共振頻帶很窄，只有0.1 Hz 左右。

2.3 共振自適應控制

控制系統的難點除了要找到這個很窄的共振頻帶之外，還需要克服混合過程中，物料翻滾等動作帶來的不利影響。因為物料翻滾時，彈簧體系的負載質量發生變化，共振頻率也會隨之不斷變化。所以控制系統必須具備共振自適應控制功能，才能夠將負載物料保持在共振的狀態。

共振式超高效混合機控制系統的核心是激勵力-負載相位差及加速度雙閉環控制回路。控制系統根據設定相位差θ 和運算板卡計算得到的實際相位差確定伺服電機旋轉速度r、根據設定加速度a和運算板卡計算得到的實際加速度確定伺服電機角差φ，在共振式超高效混合機按照伺服電機旋轉速度r 和伺服電機角差共振預設時間后，控制器將預設數量等時間間隔的角度和加速度值發送給運算板卡，運算板卡再計算出新的相位差和加速度值作為下一次的實際相位差和實際加速度與設定值比較。雙閉環控制回路示意圖如圖7所示。

圖7 共振式超高效混合機雙閉環控制回路示意圖Fig.7 Schematic diagram of double closed loop control loop for resonant super-efficient mixer

雙閉環控制回路中的任意一個停止工作，共振式超高效混合機都將迅速脫離共振狀態，加速度數值也將隨之迅速降低。

2.4 輔助功能集成

共振式超高效混合機控制系統集成了大量的輔助功能，包括混合過程中的工藝環境溫度控制功能、真空度控制功能、急停和保護控制功能等。

共振式超高效混合機控制系統通過控制混合容器夾套水溫的高低來控制混合物料的工藝環境溫度。混合容器頂端安裝有熱電阻傳感器和壓力傳感器，控制系統實時檢測混合物料的溫度和混合容器內的壓力，當溫度、壓力超過預設報警溫度范圍時，控制器啟動熱保護程序。共振式超高效混合機控制系統具備真空度控制功能，通過對真空裝置和真空管路的控制，將混合容器內空氣的絕對壓力值控制在預設壓力區間內。共振式超高效混合機控制系統可以根據混合物料的種類信息，快速切換各個共振控制參數，以達到更快速和更穩定的共振控制效果。共振式超高效混合機控制系統具備定時控制功能，可以設定共振混合的時間，并計算累計振動時間。共振式超高效混合機控制系統具備急停和保護控制功能。當發生異常狀況時，控制系統可以自動調用保護控制子程序，快速退出共振狀態，直到完全停止振動。控制系統能夠自動檢測的異常狀況包括同步控制失效、物料溫升過快、通訊中斷、設備故障等。共振式超高效混合機控制系統程序框架如圖8所示。