机采棉清杂系统的钉床式荷电装置与试验

张洪洲，邹乐乐，范非凡，李 勇，刘媛杰

(塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300)



机采棉清杂系统的钉床式荷电装置与试验

张洪洲，邹乐乐，范非凡，李 勇，刘媛杰

(塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

针对机采籽棉清杂工序中荷电效果不佳的现实问题，提出了一种钉床式荷电方法。以MCU为主控制单元，设计了一款钉床式荷电控制系统。在荷电极板面上均匀分布且垂直于极板面的长度为5cm的金属钉，控制器控制静电发生器产生高压静电，通过荷电极板上的金属钉放电，将平铺在极板间的机采棉荷电。试验结果表明：与无金属钉的荷电极板相比，机采棉荷电均匀，荷电速度提高了8%，效果良好。该研究可为机采棉静电清杂应用提供参考。

机采棉；清杂；钉床；荷电

0 引言

随着新疆生产建设兵团籽棉种植面积逐年增加，手工采摘已经不能满足需求，因而采棉机被广泛的应用[1-4]，机械采摘面积逐年增加。在采摘环节效率提高的同时[5-6]，机采棉的杂质含量高而且清杂效果不佳的问题也随之显现[2-4]。现有的机采棉除杂清选机大多是鼓风式、振动式等机械清杂[7-9]，机采棉静电清杂方面的应用和研究相对较少，在静电清杂过程中机采棉的荷电是整个清杂过程中的重要组成部分。机采棉荷电的效果直接影响到静电清杂的效果[2-3,10-12]。机采棉荷电装置是集荷电与控制一体的，要求机采棉荷电均匀、精度高、可控性强及鲁棒性强。原有的荷电装置只是在两个极板上通高压直流电[13-14]，使分布在下极板上的机采棉电化，从而达到荷电的效果，功能简单、不易控制、精度低、荷电效果不佳。利用钉床式荷电装置，能较好地解决传统荷电装置的不足，还可减小不必要的电能损失。另外，采用中央控制单元集中控制，实现了实时在线控制，满足了清杂设备对机采棉的清杂需要。

本文着重介绍一个采用钉床方式的机采棉荷电系统，对于改进现有的机采棉静电清杂的荷电不足之处，促进机采棉清杂系统的自动化发展有重要的意义。

1 钉床式荷电装置构成及工作原理

1.1 设计思路

机采棉电磁清杂工序之前，需要对待清杂的机采棉进行预处理，即在高压直流电作用下使机采棉进行荷电工作。机采棉荷电工作要求机采棉荷电均匀，荷电时间短，快速达到荷电饱和状态。通过对荷电极板的改进，使其中一块极板均匀分布固定的金属钉，通过控制电路，利用输送带速度控制模块、自动刮平模块、钉板控制模块、电源模块及显示模块等，设计了一个通过金属钉均匀放电的床式机采棉荷电控制系统。

1.2 清杂装置设计原理

本文针对传统的机采棉荷电时间长、荷电不均匀的弱点，设计出了以51单片机和PID控制方法的钉床式荷电系统设计的方案。该系统由STC单片机、输送带速度控制模块、自动刮平模块、钉板控制模块、电源模块及显示模块等部分组成，控制系统框图如图1所示。设备启动，电机低速转动带动输送带运行，从喂料口将待荷电的机采棉送至荷电区；同时，安装在输送带两侧刮板将机采棉刮平，使机采棉均匀分布在输送带上，输送带上的机采棉完全进入荷电区，传送带停止运行；STC单片机做出决策，控制步进电机，使钉床极板下降，直至钉床上的钉子和棉花充分接触，步进电机停止运行；MCU控制高压发生器，使荷电极板达到35kV的直流高压，开始荷电，待荷电完成后，MCU控制步进电机使钉床极板升起，直流电机运行，输送带将荷电后的机采棉送入下一道工序的设备。

图1 系统框图

2 控制单元及软件设计

2.1 各控制模块设计

中央处理单元选用51系列通用的STC系列的89C58，该款单片机内部有20kB的闪存，1 280B的随机存储器，16kB的程序存储器，能够满足荷电装置控制的需要[15]。输送带电机选用型号为57BL-1030H1-LS-B，升降电机选用步进电机35BYG250C-0081，显示模块采用16×8点阵字符的LCD12864液晶显示，电源采用直流交流混合供电电源。

2.2 软件设计

设备上电时，从行列式键盘输入阈值电压的期望值和步进电压作为输入量，单片机控制输送带电机低速旋转，从喂料口将待荷电的机采棉送至荷电区;同时，安装在输送带两侧刮板将机采棉刮平，使机采棉均匀分布在输送带上，输送带上的机采棉完全进入荷电区，传送带停止运行。检测模块初始化并开始采集钉床极板实际测出的电压值，将测得的电压值经变送器变送和归一化处理后，作为控制系统的反馈值；输入的期望值与反馈值产生一个控制系统偏差量，偏差量值经信号放大、积分和微分处理后，经单片机送入高压发生器模块环节，根据处理后的矢量值，通过单片机做出相应的决策来控制高压发生装置；高压发生装置产生高电压，最后作用于钉床极板；同时，51单片机将测得的实测值和键入的期望值，送至液晶显示屏，实现了数据的实时显示。

根据荷电装置实际运行情况的要求，给定电压的步进量与实际电压的步进量之差为误差e及其误差变化率ec的选取范围为e∈[0,0.9]，ec∈[-4.60,0]。将e和ec两个参量经模糊控制的模糊化处理后，分别得到模糊语言变量E和EC，这两个语言变量的模糊集合均为{ 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，论域均为{ -9，-6，-3，0，3，6，9}。两集合的隶属函数均选择三角形隶属度函数。

模糊PID选用的模糊控制规则语句为“if E is ∂ and EC is β，then U is γ ”。其中，∂、β、γ为各变量参数所对应的模糊子集。根据前人的经验数据库和相应的认知处理后，得到49条模糊PID控制规则，如表1 所示。

模糊PID控制器各个变量参数选取: 通过计算给定高压的步进量与实际电压步进量的误差e和误差变化率ec，e和ec通过模糊化、模糊推理及模糊清晰化得到PID控制器3个参数：比例系数增量ΔKP、积分系数增量ΔKi、微分系数增量ΔKd；与当前时刻PID控制器参数初值相叠加，得到下一时刻的PID控制器的参变量，得以实现PID 参数KP、Ki和Kd的在线自动调整。利用模糊函数计算求出PID3个参数的增量KP、Ki、Kd。本文所设计的控制系统在前人长期实践积累的经验知识的基础上建立相应的模糊规则表，如表1～表4所示。

表1 控制规则表

表2 比例增益增量模糊控制规则表

表3 积分增益增量模糊控制规则表

表4 微分增益增量模糊控制规则表

用汇编语言编程实现控制，在QX-mini51开发板上进行实物仿真，对软硬件各参数进行调试，直至输出达到期望值为止，直流高压发生控制程序流程图如图2所示。初始化程序代码如下：

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

则称算法A满足ε-差分隐私.其中，Pr[.]表示隐私被披露的概率，它是由算法A的随机性所控制(与攻击者的背景知识无关)；ε是隐私保护参数，表示隐私保护的力度，ε越小意味着隐私保护力度越强.定义3本质上刻画了基于随机算法A输出的两个相邻矩阵的不可分程度.

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

图2 直流高压发生控制程序流程图

3 试验与分析

取机采棉600kg，分成24等份，将24等份再分成两组。其中，一组进行原始的平板荷电系统试验，领机组进行钉床式荷电，步进电压均为1、2kV，阈值电压均为35、45、55、60kV，达到最大阈值电压的时间为Tr，进行组合试验，每组试验做3次，记录达到着火点时的荷电时间Ts0和Ts1，取平均值。试验结果如表5所示。

表5 两种方法机采棉荷电指标数据

试验表明：阈值电压为35kV、步进电压为1kV时，原始方法达到着火点时荷电时间为30.6s，钉床式荷电系统达到着火点时荷电时间为28.4s，阈值电压为60kV，步进电压为2kV时，两种方法达到着火点时荷电时间为20.1、18.5s；随着阈值电压，步进电压的增大，Ts越小；钉床式荷电系统荷电比原始方法速度提高了8%。

4 结论

本文设计的钉床式机采籽棉除杂荷电装置，稳定性强、精度高、速度快，大大提高了机采棉荷电效率，可以满足机采棉电磁除杂的荷电要求。

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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

国家自然科学基金项目(61534005；11242012)

张洪洲(1982-)，男，长春人，副教授，硕士，(E-mail)309011160@qq.com。

刘媛杰(1982-)，女，陕西府谷人，讲师，(E-mail)49948298@qq.com。

S225.91+1

A

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