張洪洲，鄒樂樂，范非凡，李 勇，劉媛杰

(塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

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機(jī)采棉清雜系統(tǒng)的釘床式荷電裝置與試驗(yàn)

張洪洲，鄒樂樂，范非凡，李 勇，劉媛杰

(塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

針對機(jī)采籽棉清雜工序中荷電效果不佳的現(xiàn)實(shí)問題，提出了一種釘床式荷電方法。以MCU為主控制單元，設(shè)計(jì)了一款釘床式荷電控制系統(tǒng)。在荷電極板面上均勻分布且垂直于極板面的長度為5cm的金屬釘，控制器控制靜電發(fā)生器產(chǎn)生高壓靜電，通過荷電極板上的金屬釘放電，將平鋪在極板間的機(jī)采棉荷電。試驗(yàn)結(jié)果表明：與無金屬釘?shù)暮呻姌O板相比，機(jī)采棉荷電均勻，荷電速度提高了8%，效果良好。該研究可為機(jī)采棉靜電清雜應(yīng)用提供參考。

機(jī)采棉；清雜；釘床；荷電

0 引言

隨著新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)籽棉種植面積逐年增加，手工采摘已經(jīng)不能滿足需求，因而采棉機(jī)被廣泛的應(yīng)用[1-4]，機(jī)械采摘面積逐年增加。在采摘環(huán)節(jié)效率提高的同時(shí)[5-6]，機(jī)采棉的雜質(zhì)含量高而且清雜效果不佳的問題也隨之顯現(xiàn)[2-4]?，F(xiàn)有的機(jī)采棉除雜清選機(jī)大多是鼓風(fēng)式、振動式等機(jī)械清雜[7-9]，機(jī)采棉靜電清雜方面的應(yīng)用和研究相對較少，在靜電清雜過程中機(jī)采棉的荷電是整個(gè)清雜過程中的重要組成部分。機(jī)采棉荷電的效果直接影響到靜電清雜的效果[2-3,10-12]。機(jī)采棉荷電裝置是集荷電與控制一體的，要求機(jī)采棉荷電均勻、精度高、可控性強(qiáng)及魯棒性強(qiáng)。原有的荷電裝置只是在兩個(gè)極板上通高壓直流電[13-14]，使分布在下極板上的機(jī)采棉電化，從而達(dá)到荷電的效果，功能簡單、不易控制、精度低、荷電效果不佳。利用釘床式荷電裝置，能較好地解決傳統(tǒng)荷電裝置的不足，還可減小不必要的電能損失。另外，采用中央控制單元集中控制，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線控制，滿足了清雜設(shè)備對機(jī)采棉的清雜需要。

本文著重介紹一個(gè)采用釘床方式的機(jī)采棉荷電系統(tǒng)，對于改進(jìn)現(xiàn)有的機(jī)采棉靜電清雜的荷電不足之處，促進(jìn)機(jī)采棉清雜系統(tǒng)的自動化發(fā)展有重要的意義。

1 釘床式荷電裝置構(gòu)成及工作原理

1.1 設(shè)計(jì)思路

機(jī)采棉電磁清雜工序之前，需要對待清雜的機(jī)采棉進(jìn)行預(yù)處理，即在高壓直流電作用下使機(jī)采棉進(jìn)行荷電工作。機(jī)采棉荷電工作要求機(jī)采棉荷電均勻，荷電時(shí)間短，快速達(dá)到荷電飽和狀態(tài)。通過對荷電極板的改進(jìn)，使其中一塊極板均勻分布固定的金屬釘，通過控制電路，利用輸送帶速度控制模塊、自動刮平模塊、釘板控制模塊、電源模塊及顯示模塊等，設(shè)計(jì)了一個(gè)通過金屬釘均勻放電的床式機(jī)采棉荷電控制系統(tǒng)。

1.2 清雜裝置設(shè)計(jì)原理

本文針對傳統(tǒng)的機(jī)采棉荷電時(shí)間長、荷電不均勻的弱點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了以51單片機(jī)和PID控制方法的釘床式荷電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案。該系統(tǒng)由STC單片機(jī)、輸送帶速度控制模塊、自動刮平模塊、釘板控制模塊、電源模塊及顯示模塊等部分組成，控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。設(shè)備啟動，電機(jī)低速轉(zhuǎn)動帶動輸送帶運(yùn)行，從喂料口將待荷電的機(jī)采棉送至荷電區(qū)；同時(shí)，安裝在輸送帶兩側(cè)刮板將機(jī)采棉刮平，使機(jī)采棉均勻分布在輸送帶上，輸送帶上的機(jī)采棉完全進(jìn)入荷電區(qū)，傳送帶停止運(yùn)行；STC單片機(jī)做出決策，控制步進(jìn)電機(jī)，使釘床極板下降，直至釘床上的釘子和棉花充分接觸，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行；MCU控制高壓發(fā)生器，使荷電極板達(dá)到35kV的直流高壓，開始荷電，待荷電完成后，MCU控制步進(jìn)電機(jī)使釘床極板升起，直流電機(jī)運(yùn)行，輸送帶將荷電后的機(jī)采棉送入下一道工序的設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 控制單元及軟件設(shè)計(jì)

2.1 各控制模塊設(shè)計(jì)

中央處理單元選用51系列通用的STC系列的89C58，該款單片機(jī)內(nèi)部有20kB的閃存，1 280B的隨機(jī)存儲器，16kB的程序存儲器，能夠滿足荷電裝置控制的需要[15]。輸送帶電機(jī)選用型號為57BL-1030H1-LS-B，升降電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī)35BYG250C-0081，顯示模塊采用16×8點(diǎn)陣字符的LCD12864液晶顯示，電源采用直流交流混合供電電源。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備上電時(shí)，從行列式鍵盤輸入閾值電壓的期望值和步進(jìn)電壓作為輸入量，單片機(jī)控制輸送帶電機(jī)低速旋轉(zhuǎn)，從喂料口將待荷電的機(jī)采棉送至荷電區(qū);同時(shí)，安裝在輸送帶兩側(cè)刮板將機(jī)采棉刮平，使機(jī)采棉均勻分布在輸送帶上，輸送帶上的機(jī)采棉完全進(jìn)入荷電區(qū)，傳送帶停止運(yùn)行。檢測模塊初始化并開始采集釘床極板實(shí)際測出的電壓值，將測得的電壓值經(jīng)變送器變送和歸一化處理后，作為控制系統(tǒng)的反饋值；輸入的期望值與反饋值產(chǎn)生一個(gè)控制系統(tǒng)偏差量，偏差量值經(jīng)信號放大、積分和微分處理后，經(jīng)單片機(jī)送入高壓發(fā)生器模塊環(huán)節(jié)，根據(jù)處理后的矢量值，通過單片機(jī)做出相應(yīng)的決策來控制高壓發(fā)生裝置；高壓發(fā)生裝置產(chǎn)生高電壓，最后作用于釘床極板；同時(shí)，51單片機(jī)將測得的實(shí)測值和鍵入的期望值，送至液晶顯示屏，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

根據(jù)荷電裝置實(shí)際運(yùn)行情況的要求，給定電壓的步進(jìn)量與實(shí)際電壓的步進(jìn)量之差為誤差e及其誤差變化率ec的選取范圍為e∈[0,0.9]，ec∈[-4.60,0]。將e和ec兩個(gè)參量經(jīng)模糊控制的模糊化處理后，分別得到模糊語言變量E和EC，這兩個(gè)語言變量的模糊集合均為{ 負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，論域均為{ -9，-6，-3，0，3，6，9}。兩集合的隸屬函數(shù)均選擇三角形隸屬度函數(shù)。

模糊PID選用的模糊控制規(guī)則語句為“if E is ? and EC is β，then U is γ ”。其中，?、β、γ為各變量參數(shù)所對應(yīng)的模糊子集。根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)的認(rèn)知處理后，得到49條模糊PID控制規(guī)則，如表1 所示。

模糊PID控制器各個(gè)變量參數(shù)選取: 通過計(jì)算給定高壓的步進(jìn)量與實(shí)際電壓步進(jìn)量的誤差e和誤差變化率ec，e和ec通過模糊化、模糊推理及模糊清晰化得到PID控制器3個(gè)參數(shù)：比例系數(shù)增量ΔKP、積分系數(shù)增量ΔKi、微分系數(shù)增量ΔKd；與當(dāng)前時(shí)刻PID控制器參數(shù)初值相疊加，得到下一時(shí)刻的PID控制器的參變量，得以實(shí)現(xiàn)PID 參數(shù)KP、Ki和Kd的在線自動調(diào)整。利用模糊函數(shù)計(jì)算求出PID3個(gè)參數(shù)的增量KP、Ki、Kd。本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在前人長期實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)知識的基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的模糊規(guī)則表，如表1～表4所示。

表1 控制規(guī)則表

表2 比例增益增量模糊控制規(guī)則表

表3 積分增益增量模糊控制規(guī)則表

表4 微分增益增量模糊控制規(guī)則表

用匯編語言編程實(shí)現(xiàn)控制，在QX-mini51開發(fā)板上進(jìn)行實(shí)物仿真，對軟硬件各參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，直至輸出達(dá)到期望值為止，直流高壓發(fā)生控制程序流程圖如圖2所示。初始化程序代碼如下：

ORG 0000H

MOV R0,#5

QD:JNB P3.0,MAIN

AJMP QD

MAIN:MOV A,R0

MOV DPTR,#TAB

MOVC A,@A+DPTR

SETB P1.0

ACALL DEL

MOV A,R0

MOV DPTR,#TAB1

MOVC A,@A+DPTR

CLR P1.0

ACALL DEL

JNB P3.1,K1

則稱算法A滿足ε-差分隱私.其中，Pr[.]表示隱私被披露的概率，它是由算法A的隨機(jī)性所控制(與攻擊者的背景知識無關(guān))；ε是隱私保護(hù)參數(shù)，表示隱私保護(hù)的力度，ε越小意味著隱私保護(hù)力度越強(qiáng).定義3本質(zhì)上刻畫了基于隨機(jī)算法A輸出的兩個(gè)相鄰矩陣的不可分程度.

JNB P3.2,K2

JNB P3.3,K3

AJMP MAIN

K1:CJNE R0,#8,K11

AJMP MAIN

K11:INC R0

AJMP MAIN

K2:MOV A,R0

DEC R0

AJMP MAIN

K3:CLR P1.0

AJMP QD

TAB:DB 01H,02H,03H,04H,05H,06H,07H,08H,09H

TAB1:DB 09H,08H,07H,06H,05H,04H,03H,02H,01H

DEL:MOV R7,A

DEL0:MOV R6,#0

DJNZ R6,$

DJNZ R7,DEL0

RET

圖2 直流高壓發(fā)生控制程序流程圖

3 試驗(yàn)與分析

取機(jī)采棉600kg，分成24等份，將24等份再分成兩組。其中，一組進(jìn)行原始的平板荷電系統(tǒng)試驗(yàn)，領(lǐng)機(jī)組進(jìn)行釘床式荷電，步進(jìn)電壓均為1、2kV，閾值電壓均為35、45、55、60kV，達(dá)到最大閾值電壓的時(shí)間為Tr，進(jìn)行組合試驗(yàn)，每組試驗(yàn)做3次，記錄達(dá)到著火點(diǎn)時(shí)的荷電時(shí)間Ts0和Ts1，取平均值。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 兩種方法機(jī)采棉荷電指標(biāo)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)表明：閾值電壓為35kV、步進(jìn)電壓為1kV時(shí)，原始方法達(dá)到著火點(diǎn)時(shí)荷電時(shí)間為30.6s，釘床式荷電系統(tǒng)達(dá)到著火點(diǎn)時(shí)荷電時(shí)間為28.4s，閾值電壓為60kV，步進(jìn)電壓為2kV時(shí)，兩種方法達(dá)到著火點(diǎn)時(shí)荷電時(shí)間為20.1、18.5s；隨著閾值電壓，步進(jìn)電壓的增大，Ts越小；釘床式荷電系統(tǒng)荷電比原始方法速度提高了8%。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的釘床式機(jī)采籽棉除雜荷電裝置，穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高、速度快，大大提高了機(jī)采棉荷電效率，可以滿足機(jī)采棉電磁除雜的荷電要求。

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Design and Experiment of the Type Bed of Nails of Charged Equipment of Machine-harvested Cotton

Zhang Hongzhou, Zou Lele, Fan Feifan, Li Yong, Liu Yuanjie

(College of Mechanic and Electrical Engineering,Tarim University, Alaer 843300,China)

Aiming at the problem of real machine harvested cotton cleaning process of charging effect, put forward a type of nail bed charge method.With MCU as the main control unit, the design of a nail bed type charge control system. In the bearing surface of an electrode plate of the uniform distribution and the vertical plate surface has a length of 5cm metal nail, the controller controls the electrostatic generator to generate a high-voltage electrostatic, through pin bearing electrode plate metal discharge, will tile the plate between the machine pick up cotton charged; test results show that compared and no metal nail charged plate, machine pick up cotton charged uniformly, charging speed increased by 8%, the effect is good; the study can machine pick up cotton electrostatic cleaning can be used as a reference.

machine-harvested cotton; impurities; bed of nails; charge

2016-04-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61534005；11242012)

張洪洲(1982-)，男，長春人，副教授，碩士，(E-mail)309011160@qq.com。

劉媛杰(1982-)，女，陜西府谷人，講師，(E-mail)49948298@qq.com。

S225.91+1

A

1003-188X(2017)05-0118-04