第1章緒論1.1研究背景土豆作為一種重要的糧食，在全國20多個(gè)省市均有種植，它也是一種優(yōu)良的蔬菜。目前，國內(nèi)土豆的種植規(guī)模約為1.4億公頃，總產(chǎn)量約2-3億噸，居全球第一位。土豆的塊莖含有豐富的淀粉。土豆中的淀粉是一種主要的能量來源。一般來說，早熟土豆和晚熟土豆中的淀粉含量為11%至14%，而高淀粉土豆則為25%或更高。它也含有葡萄糖，果糖以及其他很多物質(zhì)。土豆蛋白質(zhì)含量很高。土豆片的蛋白質(zhì)含量約為2%，而農(nóng)家豆腐則含有8%~9%的蛋白質(zhì)。與其他糧食比較，其蛋白質(zhì)品質(zhì)可與蛋類相媲美，且容易被人體吸收。另外，土豆含有人體不能合成的18種不同的氨基酸。土豆的塊莖中富含各種維他命及礦物質(zhì)。吃土豆對(duì)身體有好處，與體內(nèi)的維生素有著密不可分的關(guān)系。其中，維生素C具有預(yù)防壞血癥、促進(jìn)造血功能等作用。也含有豐富的胡蘿卜素A、維他命B1、維他命B2、維他命B2；VitaminB2、Pp、P3、E、B3、B6；維他命B6、維他命M、葉酸、氫化氫等對(duì)人體有益。此外，它還富含各種無機(jī)礦物，如：鈣、磷、鐵等。鉀，鈉，鋅，錳等都是身體所需要的營養(yǎng)元素。土豆含有豐富的水分，低脂肪，低卡路里，它的塊莖含有比一個(gè)蘋果多4倍的維生素C；維生素B族含量比蘋果高4倍，而多種礦物質(zhì)含量也比蘋果高出10倍，這類食物能降血壓。同樣的，只要吃得好，就能“吃”出相應(yīng)的疾病。土豆具有延緩老化的功效。含有豐富的維他命B1、B2、B6、B群、B2、B6和多種優(yōu)質(zhì)纖維素。像油脂和高質(zhì)量的淀粉這樣的營養(yǎng)素。此外，土豆的塊莖中還含有胡蘿卜素和抗壞血酸，這是在谷物中所不存在的。在營養(yǎng)學(xué)上，它比大米和面粉有更多的優(yōu)勢(shì)，可以提供更多的熱量，可以說是“完美食品”。一個(gè)人只要吃土豆和全脂牛奶，就可以活得好好的。土豆中含有的蛋白質(zhì)、鈣和維生素A含量偏低，所以它的營養(yǎng)成分比較全面，營養(yǎng)結(jié)構(gòu)也比較合理。全脂牛奶就是最好的補(bǔ)品。土豆中含有大量的碳水化合物，不過它的含碳量只有同樣重量的大米的四分之一。結(jié)果顯示，土豆中所含淀粉為抗性淀粉，能使脂肪細(xì)胞萎縮。土豆是一種極佳的高鉀低鈉食物，對(duì)浮腫肥胖的人有很好的效果。因此還能起到瘦腿的作用。土豆是一種重要的谷物，食用時(shí)，要將土豆切成薄片，市面上有許多種切塊機(jī)；不過，大部分只適合大廠、大作坊，不適合小作坊或一般人家。本論文所研制的土豆切片機(jī)，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合家庭、飯店和小作坊使用。該切片機(jī)效率極高，既可實(shí)現(xiàn)土豆的切片、切片，也可用于土豆的切片。它的工作原理非常簡(jiǎn)單，就是把電動(dòng)機(jī)的功率通過一個(gè)滑輪帶動(dòng)，再經(jīng)過一個(gè)傳動(dòng)裝置；輸出軸一端連接有旋轉(zhuǎn)的刀盤，旋轉(zhuǎn)的刀盤上設(shè)有兩把成對(duì)齊的刀片，置于料斗內(nèi)的土豆被推進(jìn)機(jī)構(gòu)推至旋轉(zhuǎn)的刀盤；土豆被切碎后，從排料箱排放。這種方案構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于操作，節(jié)省了大量的人力。在生產(chǎn)中，對(duì)根狀植物進(jìn)行切片、切片是其生產(chǎn)過程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，我國生產(chǎn)的蔬菜切割器種類繁多，且大多是大型的、體積龐大、造價(jià)高的機(jī)器；然而，能夠用于切割根莖類蔬菜的機(jī)械種類卻非常稀少，這些機(jī)械種類多集中在那些小型的食品加工廠中，由于其尺寸較小，效率較差，不適合在大規(guī)模的工廠中進(jìn)行批量化的生產(chǎn)。這是由于在中國，大部分的根莖類蔬菜都是由農(nóng)戶單獨(dú)種植，并且需要經(jīng)過清洗、去蒂等步驟，所以很難進(jìn)行批量化的生產(chǎn)。土豆切割器是土豆生產(chǎn)中的一種主要的食物機(jī)器，它的結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的工程性。1.2相關(guān)研究現(xiàn)狀1.2.1切片設(shè)備的研究現(xiàn)狀在我國，70年代就已開展了切割技術(shù)的研發(fā)，但因行業(yè)技術(shù)相對(duì)滯后，目前仍處于摸索階段；進(jìn)入21世紀(jì)后，由于電腦技術(shù)的飛速發(fā)展，我國在切割方面的技術(shù)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在那時(shí)，它被廣泛用于中藥加工和冷凍食品的生產(chǎn)。在中國，有一個(gè)非常大的切片機(jī)產(chǎn)業(yè)，所以在市場(chǎng)上，對(duì)切片機(jī)這一設(shè)備的需求是非常大的，所以，有許多的切片機(jī)，比如，在圖1.1中所示的兩種切片機(jī)，在圖1.1（a）中所示的切片機(jī)屬于圓盤式切割器，它的機(jī)構(gòu)比較小，需要人工參與切片，所以不適用于工廠的大批量生產(chǎn)。由于數(shù)據(jù)分塊的速度很慢，所以有必要對(duì)數(shù)據(jù)分塊進(jìn)行處理。圖1.1(b)中的切削機(jī)為一種直接切割型切削機(jī)，這種切割裝置盡管構(gòu)造很大，但因土豆的外形，仍需手動(dòng)上、下料；這種切割器對(duì)土豆的位置不好，會(huì)造成切割器的品質(zhì)下降[2]。（a）切片機(jī) （b）切片機(jī)圖1.1切片機(jī)1.2.2圓盤式切割器的研究現(xiàn)狀切削裝置的最關(guān)鍵技術(shù)是切削裝置，切削裝置的工作特性與切削裝置的工作特性有著密切的聯(lián)系，輪盤型切削裝置具有轉(zhuǎn)速高、效率高、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，在切削裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。楊家軍，劉峰等人對(duì)刀具進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，并對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了調(diào)節(jié)，使其動(dòng)力學(xué)特性得到了提高。張宏麟、周俊等采用數(shù)字模擬方法，對(duì)大口徑組合刀盤的構(gòu)造進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)其在不同工作條件下的不同荷載幅值及極限荷載因子進(jìn)行了計(jì)算，從而對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度及可靠性的研究。結(jié)果證明，該設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)和制造工藝完全符合要求。王義、朱振華等人對(duì)刀片的壽命設(shè)計(jì)作了一次剖析，他們只從刀片的結(jié)構(gòu)角度來看，重點(diǎn)是要有恰當(dāng)?shù)牡镀x擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要有合適的刀具選擇，要有一個(gè)合適的刀具配置，要有一個(gè)完備的抗磨損防護(hù)體系，并在此基礎(chǔ)上對(duì)刀片的壽命設(shè)計(jì)中要注意的幾個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的剖析。潘衛(wèi)、胡偉生5等人對(duì)切割機(jī)的刀口支撐件的變形情況進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上降低了刀具支撐件的應(yīng)力，從而有效地防止了刀具支撐件的變形，既解決了裝備的安全問題，又能有效地提升了產(chǎn)品的品質(zhì)，增加了產(chǎn)量。趙新軍和孫寶天6等人采用二次回歸法和正交實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)滑動(dòng)角度移動(dòng)刀具進(jìn)行了二次回歸法，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出了對(duì)切割刀具的剪切功耗有一定的影響，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，得出了各因素的最優(yōu)結(jié)合；將切割機(jī)的切割功耗降到最低。楊德勇、胡建平等人利用ADAMS對(duì)刀具的重量及重心進(jìn)行了優(yōu)化，可將切削過程中產(chǎn)生的振動(dòng)降低50%左右，有效地解決了切削過程中因振動(dòng)引起的切削缺陷。梁方，王德成等人采用正交試驗(yàn)法，對(duì)旋轉(zhuǎn)刀具的切削性能進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，得出了刀具的優(yōu)化參數(shù)，從而使刀具的切削性能得以改善。在國外，由于其勞動(dòng)強(qiáng)度大，耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)刀具的磨損性，以及人工切片所帶來的許多問題，所以對(duì)Okro切片機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究，并利用數(shù)學(xué)的方法，對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究。參考了一些關(guān)于切割器基本原理的文獻(xiàn)，例如：姚振成等8研制出了一種“e型”雙點(diǎn)式切割器，這種切割器可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的切割，從而大大地增加了工作的效率。GuohuaGao、SipengJin9等對(duì)其進(jìn)行了理論研究，結(jié)果表明：造成這種震動(dòng)的最主要因素是切割力太大。試驗(yàn)采用滑移切削模式，試驗(yàn)表明：在100%的均質(zhì)切削條件下，切削時(shí)的切削力低于傳統(tǒng)的切向力，因此，切削時(shí)的切削力得到了很大的改善，切削時(shí)的切削力得到了很大的提高。石川憲一通過動(dòng)態(tài)分析，說明了卵形振蕩式直刃鋸的切削原理，并通過卵形振蕩式的切削試驗(yàn)，找出了卵形振蕩式直刃鋸剪切力下降的根源。Odouri等人對(duì)刀具的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，提出了一種能夠降低能耗的單片刀具動(dòng)力學(xué)模型。Frenzel等人以雙片刀具為例，提出了相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)建模方法。舒克拉等人對(duì)刮板滑動(dòng)切割進(jìn)行了分析。針對(duì)這一問題，國內(nèi)外已進(jìn)行了大量相關(guān)研究，通過對(duì)切片的試驗(yàn)研究，明確設(shè)計(jì)參數(shù)、工藝參數(shù)、食品品質(zhì)與加工品質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系，確定最優(yōu)工藝參數(shù)及工具設(shè)計(jì)，從而為進(jìn)一步研究切片過程提供實(shí)驗(yàn)手段。達(dá)斯和古普塔的分析證實(shí)了刀片的刃角，刀盤的傾斜角，切削速度；切削阻力和切削能量受切削高度等因素的影響。Jain-SongJu研制出了一種適合于食品和制藥工業(yè)使用的全自動(dòng)切片機(jī)，通過對(duì)其進(jìn)行了分析，得出了其最佳的切片厚度是0.4mm，在葉片夾角為17°，切片速度為1300rpm，水分含量為30%的情況下，其整體質(zhì)量達(dá)到96.3%，破損率為2.77%，產(chǎn)量為4.3kg/h，且切片厚度均勻，達(dá)到了農(nóng)業(yè)機(jī)械的要求。分析了刀盤轉(zhuǎn)速、送料速度、刀刃角度以及材料粒徑對(duì)切削扭矩的影響。岡薩雷斯通過對(duì)切削性能的測(cè)試，降低切削電阻。在上述的基礎(chǔ)上，對(duì)刀片的動(dòng)力學(xué)性能做了很多的研究。通過試驗(yàn)證明，采用滑動(dòng)切削方式可以降低切削壓力，從而提高切削的平順性。上述的工作為刀具的設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)，對(duì)降低振動(dòng)，提高刀具的使用壽命；為改善切割質(zhì)量提供了參考。消耗的能量。1.2.3切割力與切割仿真的研究現(xiàn)狀基于LS-DYNA動(dòng)態(tài)分析方法，通過構(gòu)建切削機(jī)理的動(dòng)態(tài)分析方法，實(shí)現(xiàn)切削機(jī)理的動(dòng)態(tài)分析。利用LS-DYNA對(duì)夏哲浩、姚立紅等人進(jìn)行了切削模擬，并對(duì)切削過程中切削能量的變動(dòng)情況進(jìn)行了模擬，得出切削能量的變化情況，所需的有效功耗與以往的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。韓煜杰利用LS-DYNA軟件對(duì)立式微型深耕機(jī)頭進(jìn)行了建模，并對(duì)其切割過程中的摩擦、能耗等進(jìn)行了分析，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)。史鵬濤通過對(duì)切割工藝中切割速率與破損程度的相關(guān)性進(jìn)行了研究和分析，并對(duì)切割速率進(jìn)行了優(yōu)化，從而達(dá)到了減少破損程度的目的。孫希同，商慶清等人利用LS-DYNA對(duì)切削過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)建模，通過對(duì)切削過程中切削速率為1155r/min，切削速率為1155r/min，切削過程中的震動(dòng)減小。梁曉利用LS-DYNA軟件實(shí)現(xiàn)了莖稈切斷運(yùn)動(dòng)與切斷過程模擬，分析了刀盤轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、莖稈直徑等多種影響因子與最大切斷力值之間的關(guān)系，獲得了莖稈切斷過程中的最佳切斷工藝參數(shù)。李科、王鳳花等人采用LS-DYNA對(duì)甘蔗切削進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了切削速度、刀具傾角、刀具轉(zhuǎn)速等因素對(duì)切削功率及切削能量消耗的影響，并通過對(duì)模擬的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了擬合，得出了切削能量消耗的優(yōu)化范圍。因此，對(duì)影響切削力的各種因素進(jìn)行分析，可為進(jìn)一步改善切削質(zhì)量及切削工作特性提供依據(jù)。林茂、符新等對(duì)各種刀具的切割力進(jìn)行了分析，建立了梯形刀具、矩形刀具、彎形刀具三種刀具在切削甘蔗過程中的受力模擬模型，并對(duì)單個(gè)因素以及這些因素之間的相互關(guān)系進(jìn)行了分析，得出彎形刀具具有更好的力學(xué)性能，在15度的刀刃角度以及75mm的切削長(zhǎng)度下，刀具的切削變形和應(yīng)力值最少，切削效果比較好。周仕城通過對(duì)蔗糖切削過程的動(dòng)態(tài)模擬，采用輪換式復(fù)合設(shè)計(jì)法與鋸片模擬模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了切削過程的模擬，并對(duì)各參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選；得到了最優(yōu)的切削應(yīng)力。楊堅(jiān)，梁兆新等研究了刀盤轉(zhuǎn)速和刀片個(gè)數(shù)對(duì)切削品質(zhì)的影響；利用反、正交、回轉(zhuǎn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)法，對(duì)刀具傾斜角度及其它影響因子進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了分析，得出了刀具傾斜角度對(duì)刀具切削性能及切削性能的影響規(guī)律，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，使刀具切削性能得到了改善。劉慶庭，區(qū)穎剛等人通過正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)滑切角，刀盤傾角，切削速度，切削速度等因素對(duì)切削能力的影響進(jìn)行了分析，得出切削速度，刀具傾角，滑切角等因素均會(huì)對(duì)切削能力產(chǎn)生一定的影響，并給出了切削能力的計(jì)算方法。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出并加以檢驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)方程。閆梅，王濤等人對(duì)木薯切塊的機(jī)械性能進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)切塊速率對(duì)切塊強(qiáng)度、切塊強(qiáng)度均有一定的影響，切塊速率越快，切塊的切塊強(qiáng)度越高，切塊時(shí)切塊強(qiáng)度和切塊應(yīng)力越低。在國外，Tay是第一個(gè)利用有限元法對(duì)切削工具進(jìn)行分析的人，隨后Lajczok就通過構(gòu)建了一個(gè)切削模型，并且獲得了最優(yōu)的切削參數(shù)。Yen等人對(duì)刀具的刃型進(jìn)行了模擬和分析。利用Prasad軟件對(duì)鋸齒鋸切玉米莖段的過程進(jìn)行了模擬，得出了鋸齒鋸切角與能量消耗之間的關(guān)系，并得出了能量消耗最小時(shí)鋸齒鋸齒鋸斷玉米莖段所需能量的大小。麥克蘭達(dá)通過對(duì)切削過程的模擬計(jì)算，得出了切削過程中切削過程的能量損耗在25度左右，切削過程中切削過程的能量損耗最少。然后，利用ANSYS/LS-DYNA開展切削模擬實(shí)驗(yàn)，研究切削阻力、切削能量變化規(guī)律，明確最大切削力區(qū)間，構(gòu)建切削力數(shù)學(xué)模型，揭示切削速度、切削角度、傾斜角度等因素對(duì)切削力的影響規(guī)律。這說明利用LS-DYNA軟件可以實(shí)現(xiàn)切削模擬，但對(duì)刀具刃口角度的研究較少。1.3本文主要研究?jī)?nèi)容本文以土豆切割器為研究對(duì)象，通過對(duì)土豆切割器工作機(jī)理的研究，提出了土豆切割器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的解決方法。以實(shí)用、夠用的原則為依據(jù)，以滿足任務(wù)書中的典型工程要求為前提，展開了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸設(shè)計(jì)和整體組裝設(shè)計(jì)。最終對(duì)整體方案進(jìn)行了整體規(guī)劃，最終實(shí)現(xiàn)了土豆切片的整體方案。論文的研究?jī)?nèi)容由六章組成。第一章，緒論，緒論。首先簡(jiǎn)要地闡述了土豆薄片技術(shù)的發(fā)展背景及重要性，接著總結(jié)了土豆薄片技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)涉及到的幾個(gè)主要問題做了詳盡地闡述，最終得到了一個(gè)總結(jié)：本文的主要工作有：土豆切片工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其工藝研究；并簡(jiǎn)要介紹了本文的結(jié)構(gòu)框架。第二章介紹了土豆切片設(shè)備的整體設(shè)計(jì)。首先，對(duì)該切割機(jī)的功能及性能需求進(jìn)行了分析，得出了該切割機(jī)的工作原理，接著，對(duì)該切割機(jī)進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；在此基礎(chǔ)上，提出了多個(gè)電動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)控制方法，并對(duì)其進(jìn)行了初探。第三章采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行PID控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。首先，對(duì)PID和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理進(jìn)行了分析，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)機(jī)理進(jìn)行了闡述；其次，根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到BP網(wǎng)絡(luò)中，建立了一種新的BP網(wǎng)絡(luò)模型；最后，以MATLAB為基礎(chǔ)，建立了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)。在第四章中，給出了一種新的算法，并對(duì)其進(jìn)行了仿真和分析。構(gòu)建基于MATLAB,WinCC,PLC的控制系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)所提算法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)所提算法進(jìn)行評(píng)價(jià)，并與所提算法進(jìn)行比較與分析。第五章，最后，總結(jié)全文并展望未來。在總結(jié)全文的基礎(chǔ)上，展望了切刀機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及在運(yùn)動(dòng)控制方面有待改進(jìn)的地方。第2章切片機(jī)設(shè)備方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)備需求分析2.1.1基本需求分析本發(fā)明涉及一種土豆切片機(jī)，其工作原理是：土豆由原材料、原料、傳送帶、切刀、出塊。本文從土豆切片機(jī)的生產(chǎn)需要出發(fā)，在分析了切片機(jī)的基本需求后，得到了切片機(jī)的基本要求，如圖2.1所示。表2.1設(shè)備基本需求表基本需求內(nèi)容操作員1人安全性無安全隱患切割速度≤35s切割精度≤1mm本項(xiàng)目以土豆切片為研究對(duì)象，由于土豆的外形尺寸并不是完全一致的，若使用諸如振動(dòng)盤等自動(dòng)上料，很可能會(huì)導(dǎo)致上料無法保證精度，也就是上料的數(shù)量，上料的角度控制不到位，將會(huì)導(dǎo)致切割的容錯(cuò)能力下降。所以，這個(gè)項(xiàng)目中，我們使用一個(gè)單獨(dú)的操作者來上料，這樣可以減少自動(dòng)化的程度，但會(huì)增加切斷的容錯(cuò)率。通過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前企業(yè)的手工半自動(dòng)剪切速度超過40秒/片，因此，本項(xiàng)目提出在不影響切割速度的情況下，減少手工進(jìn)給和壓料，并進(jìn)一步提升切割精度，使土豆片厚小于1毫米，而對(duì)切尾的控制在10%以內(nèi)。2.1.2功能需求分析為滿足企業(yè)對(duì)切片的需要，研制出一種結(jié)構(gòu)可靠、精度高、自動(dòng)化程度高的切片設(shè)備，保證了切片的安全性和效率。以下是與切片工業(yè)有關(guān)的功能性要求：（1）送料功能傳統(tǒng)的切割方式是人工將材料握在手中，然后放在刀刃下面進(jìn)行切削，這種方式存在著很大的危險(xiǎn)性，對(duì)操作者的依賴性也很強(qiáng)。所以，為了增強(qiáng)安全和自動(dòng)化，新的設(shè)備必須要有自動(dòng)進(jìn)料的功能。（2）夾持功能經(jīng)過調(diào)查和分析，如果使用自動(dòng)輸送，那么基本上可以分成兩種情況，一種是用機(jī)械手夾持給料，一種是用輸送帶來給料，如果使用輸送帶輸送，就必須要考慮到土豆在輸送帶上由于機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生的位移，所以必須加上一個(gè)夾持固定模塊，具有夾持的作用，才能確保土豆條在固定的位置上被切割。（3）高效切割功能常規(guī)的切割方式存在著切力、切角度無法控制、切出的切片厚薄不均、耗時(shí)過久等問題，所以新的設(shè)備必須具有高效率的裁切功能。（4）出料功能對(duì)于切出的芯片要有一個(gè)出料口，以便出料，方便存放。（5）運(yùn)動(dòng)控制功能該裝置的最終目的是要獲得厚薄一致的薄片，這就要求芯片的傳送和切割時(shí)的定位和速度都要持續(xù)控制。綜上分析得出土豆切片機(jī)的功能需求如下表2.2所示。表2.2土豆切片設(shè)備功能需求功能內(nèi)容送料功能自動(dòng)化送料，提高工作效率夾持功能添加土豆片夾持模塊，提高切割的穩(wěn)定性高效切割功能多模塊協(xié)同，提高切割的效率出料功能添加出料口，便于土豆片的整合、存儲(chǔ)運(yùn)動(dòng)控制功能送料、切割速度可控，提高切片均勻性2.1.3性能需求分析在此基礎(chǔ)上，對(duì)土豆切片裝備的性能要求作了詳細(xì)的介紹。（1）工作空間需求以當(dāng)前市面上普遍使用的土豆為例，全土豆的直徑為20厘米-25厘米，從給料的容納量、刀具的裁斷寬度等方面來看，需要給料帶的寬度和刀刃的直徑都在25厘米以上。同時(shí)，輸送帶不宜太長(zhǎng)，初步設(shè)定為1.5米以內(nèi)。（2）速度需求在土豆切片生產(chǎn)中，選擇適當(dāng)?shù)牟们兴俣仁潜ＷC生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。按照線下調(diào)查，每一塊土豆平均需要40秒到60秒，每一塊土豆需要35秒，這樣才能提高工作效率。2.2切片機(jī)關(guān)鍵部件功能原理設(shè)計(jì)2.2.1送料機(jī)構(gòu)功能原理設(shè)計(jì)在切割時(shí)，首先要完成土豆原料的輸送，首先要確定輸送物料的作用機(jī)理模型。主要由進(jìn)料口、進(jìn)料口和裁斷孔三部分組成，其進(jìn)給功能原理見圖2.1。圖2.1送料圖在建立了土豆運(yùn)輸函數(shù)模型圖之后，得到了一個(gè)主要的功能模塊就是給料部分的方案，其中最主要的可選項(xiàng)就是機(jī)械手進(jìn)給和傳送帶進(jìn)給的優(yōu)劣列于表2.3中。表2.3送料方案對(duì)比送料方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全、穩(wěn)定性高資金投入多傳送帶安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)同步控制算法不便編寫在上面的表2.3中，列出了機(jī)械手和傳送帶的優(yōu)缺點(diǎn)。在對(duì)機(jī)械手和傳送帶的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析之后，在不增加研究經(jīng)費(fèi)的情況下，最后選定了輸送帶。2.2.2切片機(jī)構(gòu)功能原理設(shè)計(jì)在土豆切片機(jī)整機(jī)中，切片機(jī)構(gòu)最為重要。在對(duì)土豆切片機(jī)的設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，通過對(duì)專利的檢索和分析，以及工廠的實(shí)際狀況，在借鑒常用的切片機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和不足的基礎(chǔ)上，給出了三種更合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。1-單出桿雙作用氣缸；2-氣缸桿；3-刀片；4-三位四通換向閥圖2.2往復(fù)氣壓缸切片機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖（1）方案1：往復(fù)氣壓缸切片機(jī)構(gòu)往復(fù)氣壓缸切片機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如上圖2.2所示。它的主體是四個(gè)部件，分別是：?jiǎn)纬鰲U、雙動(dòng)桿、汽缸桿、葉片和三點(diǎn)四通換向閥。它的工作原理是這樣的：三位四通換向閥，可以對(duì)汽缸進(jìn)行上下（或左右）運(yùn)動(dòng)，之后，汽缸桿帶動(dòng)刀片進(jìn)行往復(fù)線性運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)物料進(jìn)行切片的目的。1-機(jī)架；2-電動(dòng)機(jī)；3-落料孔；4-刀片圖2.3圓周回轉(zhuǎn)式切片機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖（2）方案2：圓周回轉(zhuǎn)式切片機(jī)構(gòu)圓周回轉(zhuǎn)式切片機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如上圖2.3所示，它包括框架、電機(jī)、下料孔和刮刀四大部件。它的工作機(jī)理是這樣的：馬達(dá)主軸驅(qū)動(dòng)著刀片進(jìn)行工作，從一端將材料放入其中，通過切刀的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)對(duì)材料進(jìn)行切片，在將材料進(jìn)行切割之后，通過落料孔將材料排出。（3）方案3：偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄滑塊式偏心裝置由導(dǎo)軌，曲柄，連桿組成；四片（滑動(dòng)）。它的工作原理是：由馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)曲軸進(jìn)行一次整周轉(zhuǎn)動(dòng)，曲軸利用鉸鏈來驅(qū)動(dòng)連桿，連桿利用鉸鏈來驅(qū)動(dòng)刀片（滑塊）沿著導(dǎo)軌進(jìn)行往復(fù)線性運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)物質(zhì)進(jìn)行切片，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖2.4所示。1-導(dǎo)軌；2-曲柄；3-連桿；4-刀片（滑塊）圖2.4偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖經(jīng)過分析將三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行匯總?cè)缦卤?.4所示。表2.4三種方案優(yōu)缺點(diǎn)方案優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)往復(fù)氣壓缸切片簡(jiǎn)單易控制穩(wěn)定性較差圓周回轉(zhuǎn)式切片便于控制功耗較高偏心曲柄滑塊切片控制性能佳、穩(wěn)定穩(wěn)定、能耗低從上述優(yōu)點(diǎn)和不足之處，可以看出，偏心曲軸滑塊機(jī)構(gòu)要比往復(fù)式氣缸和圓周旋轉(zhuǎn)的切片機(jī)要好。為此，在方案三的啟發(fā)下，完成了土豆切片機(jī)的切片機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，它由垂直運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、刀片旋轉(zhuǎn)電機(jī)、導(dǎo)柱、豎向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌滑塊、偏心輪支承架、刀片支承架、刀片支承臺(tái)、偏心輪與刀片支承架的連桿、后板支承肋板等組成，其三維結(jié)構(gòu)見圖2.5。它的工作原理是：垂直移動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)又使連桿向上、向下移動(dòng)，連桿和刀片支架相連，這樣，連桿的移動(dòng)就會(huì)使下面的刀片支承平臺(tái)沿導(dǎo)向柱向上、向下移動(dòng)，而刀片轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)則帶動(dòng)刀片自身轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2.5切片機(jī)構(gòu)三維圖2.2.3切刀功能原理設(shè)計(jì)在土豆切片的過程中，刀片的形狀、直徑、厚度、刀片的移動(dòng)速度等都會(huì)對(duì)切割的精度造成很大的影響。在這些因素中，刀片的形狀對(duì)土豆原料的沖擊最大，因?yàn)樵谕炼骨衅臅r(shí)候，刀片的形狀對(duì)土豆原料的擠出有很大的影響。針對(duì)直刃刀、凸圓刀、凹圓刀和內(nèi)圓刀四種不同的刃型進(jìn)行了研究。1-直線型刀片；2-凸圓刀片；3-凹圓刀片；4-內(nèi)圓刀圖2.6刀片匯總上面2.6中的1,2,3,4對(duì)應(yīng)的是直線刀，凸圓刀，凹圓刀，內(nèi)圓刀。在已有的土豆切片裝置上，以4種不同刃形的刀具為研究對(duì)象，開展了4種不同刃形刀具的切片試驗(yàn)，考察了不同刃形對(duì)其切削精度的影響。表2.5刀片實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)序號(hào)直線刀/mm凸圓刀/mm凹圓刀/mm內(nèi)圓刀/mm11.31.21.11.121.51.31.21.131.41.21.31.241.31.31.31.151.21.11.21.2從表2.5可知，內(nèi)圓刀所切出的芯片要比直線刀、凸圓刀和凹圓刀要細(xì)，所以，該設(shè)備選用了一種內(nèi)圓刀，其刀刃是鎢鋼，刀刃是雙側(cè)的雙層開口，這樣就可以獲得更好的切割效果。2.3切片機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)如圖2.7所示，整個(gè)設(shè)備由四大組件組成，即：上料段、輸送機(jī)段、壓料段和裁斷段。其中最重要的一件就是切片機(jī)構(gòu)，它通過馬達(dá)2來控制偏心輪，從而使刀片上下移動(dòng)，而馬達(dá)4則控制著葉片的旋轉(zhuǎn)，因此，刀片既能形成縱向剪切力，又能形成旋轉(zhuǎn)力，在切斷土豆的過程中，不會(huì)有鈍刀鈍肉的情況發(fā)生。馬達(dá)1用于對(duì)輸送帶輸送芯片進(jìn)行控制，馬達(dá)1的平穩(wěn)運(yùn)行對(duì)于整體設(shè)備來說是非常重要的，馬達(dá)3對(duì)壓料機(jī)構(gòu)的上下移動(dòng)進(jìn)行控制，其主要任務(wù)是擠壓輸送帶上的芯片。圖2.7總體機(jī)構(gòu)圖圖2.8關(guān)鍵機(jī)構(gòu)圖上面2.8（a）是土豆切片機(jī)的壓料機(jī)構(gòu)，它是一種懸浮夾，它是一種采用曲柄滑塊式壓料的方式，能夠?qū)⑤斔蛶斔偷耐炼惯M(jìn)行擠壓，同時(shí)能夠讓土豆原料變得更整齊、更穩(wěn)定、更均勻。如圖2.8B所示為土豆切片機(jī)的切片機(jī)構(gòu)，盤刀由垂直運(yùn)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)上下移動(dòng)，從而使盤刀會(huì)產(chǎn)生垂直的切向力，而在轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)的帶動(dòng)下，盤刀也會(huì)發(fā)生自旋運(yùn)動(dòng)，從而形成一個(gè)旋切力，在旋切力和垂直剪切力的聯(lián)合作用下，土豆切片更平滑，不會(huì)發(fā)生擠壓造成土豆變形，土豆片的完整性也會(huì)更好。2.4控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)由于芯片的運(yùn)動(dòng)控制功能要求，要求其具有自動(dòng)控制的能力，所以在控制系統(tǒng)中必須加上一個(gè)控制器。PLC的控制較為穩(wěn)定，但是因?yàn)樵O(shè)備的切割精度必須要滿足1毫米以內(nèi)的性能要求，并且在實(shí)際工作中，還會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)、刀片切割不穩(wěn)定等問題，這些問題會(huì)對(duì)傳送帶的運(yùn)動(dòng)和刀片的下降速度產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)切割的準(zhǔn)確性造成影響，因?yàn)閭魉蛶Ш蛨A盤刀的速度受馬達(dá)1和馬達(dá)2的速度控制的很重要，馬達(dá)1和馬達(dá)2的轉(zhuǎn)速控制必須要有很好的抗干擾性和穩(wěn)定性。為達(dá)到高效率的電動(dòng)機(jī)控制，本文選用了一種智能算法。PLC等一系列的MCU控制器，不具有直接將智能算法寫入的功能，也沒有進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，所以，只需要PLC作為下位機(jī)。在MATLAB的強(qiáng)大計(jì)算能力和WinCC的監(jiān)測(cè)能力的基礎(chǔ)上，選用WinCC為上位機(jī)，PLC為下位機(jī)，MATLAB為中心運(yùn)算單元。在土豆切片設(shè)備的工作期間，可以利用傳感器向PLC控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并經(jīng)由接口將數(shù)據(jù)傳送到CPU，在CPU內(nèi)完成一些基本的操作，并將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)WinCC,MATLAB采用OPC(oleforprocesscontrol）技術(shù)來完成MATLAB與WinCC的通信，在本文的切片機(jī)器系統(tǒng)中，MATLAB是客戶機(jī)，WinCC是服務(wù)器，兩者可以很好地實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)之間的通信。本文介紹了WinCC和MATLAB的通信，并給出了一種基于PLC的切片機(jī)控制體系結(jié)構(gòu)。圖2.9控制系統(tǒng)架構(gòu)圖第3章基于BP-PID的切片機(jī)控制方法研究3.1PID控制算法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論3.1.1PID控制算法PID控制技術(shù)已被廣泛地用于工業(yè)控制，在自動(dòng)裝置和大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中，它仍然是一種簡(jiǎn)單有效的方法。PID控制的工作機(jī)制主要是基于反饋控制，包括測(cè)量、比較、執(zhí)行三個(gè)階段，主要是通過比較傳感器的測(cè)量結(jié)果和期望的值，并基于這些誤差不斷地調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的輸出，它的控制可以劃分為比例，積分，微分三個(gè)控制部分。PID控制器的工作原理如圖3.1所示。圖3.1PID控制原理框圖PID控制的基本原理是根據(jù)傳感器測(cè)量到的測(cè)量數(shù)據(jù)，并將其反饋給設(shè)定的目標(biāo)值，然后根據(jù)該值，根據(jù)該值，持續(xù)地對(duì)控制環(huán)進(jìn)行校正，直至該誤差基本上消除。PID控制的標(biāo)準(zhǔn)微分方程式是：ut微分方程中：u(t)為控制器的輸出量；e(t)為設(shè)定的值與實(shí)際傳感器測(cè)量的值之間的誤差；其中Kp、TI、T在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制只能在控制器的輸入與輸出為一個(gè)數(shù)字量的情況下，才能實(shí)現(xiàn)。該公式是一種模擬PID控制器的數(shù)學(xué)表達(dá)式，將它離散化后，獲得的PID控制算法如下：uk數(shù)字式方程式（4-2）中：T為采樣周期；e(k)為第k次時(shí)采樣的誤差；KI為積分系數(shù)，KI=KpT/TI；KDuk?1公式（4-2）減去公式（4-3），可得增量式PID算法公式為：?u=KPID控制是通過調(diào)節(jié)Kp、KI、3.1.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)器已經(jīng)被淘汰，取而代之的是智能的控制。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由美國學(xué)者最早從理論上建立起來的，它定義為一個(gè)單向傳輸?shù)亩鄬诱痪W(wǎng)絡(luò)。使用這種神經(jīng)網(wǎng)路，研究者可以訓(xùn)練非線性函數(shù)，并且藉由搜尋技巧，使網(wǎng)路的輸出逼近預(yù)設(shè)的設(shè)定目標(biāo)。當(dāng)算法網(wǎng)絡(luò)完成學(xué)習(xí)任務(wù)后，輸出層向用戶發(fā)送已完成的計(jì)算結(jié)果；在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的基于加權(quán)的新方法，即通過不斷地調(diào)節(jié)權(quán)值，使權(quán)值不斷地變化，以減少虛假值。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理如下：被控制物體的輸入量u與系統(tǒng)的輸出量y之間的關(guān)系（4~5）為：y=g(u)(4-5)確定好最佳的控制輸入量u，使系統(tǒng)的實(shí)際輸出y與期望的輸出yd相等，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，通常是一種輸入和輸出的映射關(guān)系，函數(shù)關(guān)系如下（U=f(y為了使系統(tǒng)輸出y與預(yù)期輸出yd值相同，將上式（4-6）代入式（4-5）中求y=gf(根據(jù)公式（4-7）可以得出，當(dāng)f.=g?1(.)基于上述分析，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心功能是求解非線性控制問題，通過優(yōu)化分析、故障診斷以及控制器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定與動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化。3.1.3BP-PID自整定原理BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的自整定能力，將常規(guī)PID與智能控制有機(jī)地結(jié)合起來，可獲得最優(yōu)的控制效果。所以，在這一部分中，我們將重點(diǎn)討論BP-PID控制器的工作原理和自整定的實(shí)現(xiàn)過程。圖3.2BP-PID控制器流程圖在土豆切片機(jī)的控制系統(tǒng)中，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PID參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，如圖3.2。利用BP-PID控制器，實(shí)現(xiàn)了土豆切片機(jī)的閉環(huán)控制。Kp、KI、本文介紹了一種基于BP-PID控制器的土豆切片機(jī)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。采用三層的網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖3.3所示：圖3.3BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3.2基于遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的BP-PID設(shè)計(jì)3.2.1BP網(wǎng)絡(luò)的不足盡管BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠完成諸如參數(shù)自整定之類的功能，但它也有一些問題，BP網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)見表3.1。表3.1BP網(wǎng)絡(luò)不足序號(hào)BP網(wǎng)絡(luò)的不足1采用梯度下降法，易陷入局部極小值2收斂速度慢3網(wǎng)絡(luò)具有一定的冗余性4網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)與記憶不穩(wěn)定3.2.2BP-PID算法優(yōu)化該問題的出現(xiàn)，主要原因在于其尋優(yōu)模式采用了串行尋優(yōu)模式，且遺傳方法具有并行性；具有較強(qiáng)的收斂能力。在每次迭代的時(shí)候，通過“自然環(huán)境”對(duì)權(quán)重和門限進(jìn)行選擇、變異和交叉，保留最好的一個(gè)（權(quán)重和門限使得輸出的結(jié)果最大），剔除最壞的一個(gè)，通過反復(fù)迭代，權(quán)重和門限所對(duì)應(yīng)的“基因”就會(huì)變得更好，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。綜合以上所述，將基因算法用于BP網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的基本思路是：在對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練的時(shí)候，首先要將基因算法的優(yōu)點(diǎn)，也就是宏觀搜索與全局優(yōu)化功能進(jìn)行充分利用，利用這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)來對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)權(quán)值與閾值進(jìn)行全局最優(yōu)。接下來，利用BP網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)對(duì)問題的快速解決，使得該網(wǎng)絡(luò)兼具了快速解決問題和全局最優(yōu)的特性，并且還能夠避免落入到局部最小點(diǎn)，這篇基因算法對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化，其算法的步驟如下圖3.4所示：圖3.4改進(jìn)后BP-PID流程圖具體步驟如下：1)建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度n，并對(duì)權(quán)重和門限進(jìn)行初始化；2)抽樣獲得e(k),r(k),t時(shí)刻的誤差e(t)=r(k)-Y(t)；3)對(duì)所述網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，輸出三個(gè)對(duì)PID控制進(jìn)行調(diào)整的參數(shù)，求出u(k)；4)當(dāng)所述誤差低于所述設(shè)置值時(shí)，輸出所述結(jié)果，如果所述錯(cuò)誤超過所述設(shè)置值，所述訓(xùn)練繼續(xù)進(jìn)行；5)該方法具有全局尋優(yōu)能力，能在全局范圍內(nèi)求出最佳權(quán)重及閾值，使PID參數(shù)能夠在線調(diào)整；6)t=t+1，然后回到第2步，反復(fù)進(jìn)行，直至該誤差落在給定的范圍內(nèi)。3.3基于遺傳算法優(yōu)化的BP-PID控制器建模與仿真目前廣泛使用的BLDCM控制模式為開環(huán)模式、單閉環(huán)模式、雙閉環(huán)模式。將單閉環(huán)與開環(huán)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)雖然比較復(fù)雜，但其穩(wěn)、動(dòng)力學(xué)特性均有明顯改善，對(duì)土豆片的加工精度具有重大意義。介紹了一種用于土豆切片機(jī)的無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，如圖3.4所示。圖3.4雙閉環(huán)電機(jī)控制流程圖如上述3.4所示，本裝置以操作者所設(shè)置的轉(zhuǎn)速和由傳感器探測(cè)到的實(shí)際轉(zhuǎn)速偏移值為輸入，利用轉(zhuǎn)速回路和電流路雙閉環(huán)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，將轉(zhuǎn)速控制器的輸出值作為基準(zhǔn)電流，通過比較基準(zhǔn)電流與實(shí)際電流檢測(cè)到的電流值，獲得PWM輸出脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)控制。由于速度環(huán)具有增強(qiáng)抗擾動(dòng)性能和抑制轉(zhuǎn)速波動(dòng)的作用，因此在速度環(huán)采用了基于遺傳算法的BP-PID控制方法。3.3.1改進(jìn)型BP-PID控制器的設(shè)計(jì)本論文選擇了基于MATLAB的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了建模和試驗(yàn)研究。采用傳統(tǒng)PID、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和BP-PID控制相結(jié)合的方法，建立了雙閉環(huán)模型，并對(duì)其進(jìn)行了仿真和分析。將該方法應(yīng)用于BP-PID控制中，得到了一種新的BP-PID算法。圖3.5遺傳算法優(yōu)化BP-PID的BLDCM控制在此基礎(chǔ)上，建立了速度回路的BP-PID控制器、電流回路和三相電壓轉(zhuǎn)換電路。在圖3.6中給出了轉(zhuǎn)速環(huán)的基本結(jié)構(gòu)。圖3.6BP-PID底層結(jié)構(gòu)3.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析試驗(yàn)以不同工作狀態(tài)下的速度模擬為目的，對(duì)控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析。通過對(duì)傳統(tǒng)PID、BP-PID和改進(jìn)型BP-PID的對(duì)比分析，得出了三種不同的速度模擬曲線。圖3.7所示為以100r/min的無刷DC電動(dòng)機(jī)在無負(fù)荷狀態(tài)下起動(dòng)。加載時(shí)0.08秒，加載時(shí)為0.28，加載時(shí)為擾動(dòng)試驗(yàn)的速率響應(yīng)曲線。圖3.8為在負(fù)載狀態(tài)下起動(dòng)時(shí)的響應(yīng)曲線，其在0.09秒，0.19秒時(shí)分別變化了設(shè)置轉(zhuǎn)速。圖3.7空載階躍變化速度響應(yīng)圖3.8帶載階躍變化速度響應(yīng)從圖3.7中可以看出，在無刷DC電動(dòng)機(jī)的空載起動(dòng)和給定速率為100r時(shí)，常規(guī)PID控制下的速度特性有很大的超調(diào)；速度波動(dòng)較為顯著，響應(yīng)能力較差，與常規(guī)PID相比，普通的BP-PID超調(diào)量在超調(diào)量、速度波動(dòng)及響應(yīng)時(shí)間上都有所提高，與前兩種方法比較，改進(jìn)后的BP-PID控制在上述三項(xiàng)指標(biāo)上都有很大的提高，特別是超調(diào)量比常規(guī)PID控制減少16%。由圖3.8可知，GA-BP-PID在負(fù)載工況下的超調(diào)量和響應(yīng)特性都比BP-PID和常規(guī)PID有更好的性能。第4章切片機(jī)平臺(tái)搭建與實(shí)驗(yàn)4.1切片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)本文土豆切片機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)框圖如下圖4.1所示，總體架構(gòu)分為上層、中層及下層模塊。圖4.1系統(tǒng)架構(gòu)圖上、中、下三個(gè)層次的設(shè)計(jì)圖紙，MATLAB作為上位機(jī)，中間為WinCC接口，下為PLC控制器和土豆機(jī)的工作區(qū)。土豆切片機(jī)的控制系統(tǒng)應(yīng)符合以下要求：(1)轉(zhuǎn)速確定：在切片機(jī)中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)切片機(jī)最終的結(jié)果有很大的影響，設(shè)定的轉(zhuǎn)速會(huì)對(duì)切片的精度產(chǎn)生很大的影響，所以，控制系統(tǒng)必須具有轉(zhuǎn)速設(shè)置的功能。(2)實(shí)時(shí)監(jiān)控：能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的在線顯示，便于操作者調(diào)節(jié)；(3)數(shù)據(jù)融合算法：傳統(tǒng)的單片機(jī)和PLC很難編寫出復(fù)雜的控制算法，所以如何將智能算法融入到操作系統(tǒng)中是非常重要的，它直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；三層系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的層次功能包括：上層是可以使控制系統(tǒng)智能化的算法端，MATLAB模塊完成了系統(tǒng)的復(fù)雜運(yùn)算。利用傳感器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息傳輸?shù)絎inCC端的監(jiān)測(cè)端，并且傳輸?shù)搅怂惴ǖ目刂贫?。算法端?duì)由傳感器收集到的電動(dòng)機(jī)速度信息進(jìn)行處理，使電動(dòng)機(jī)的速度在一個(gè)額定的范圍之內(nèi)。并且，經(jīng)過中間層的WinCC監(jiān)測(cè)端，把處理好的信息傳輸?shù)较录?jí)執(zhí)行端。中間的WinCC組態(tài)端是PC端與主管計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的后臺(tái)。這一層是整個(gè)系統(tǒng)的主控制器，它的功能就是對(duì)設(shè)備的啟動(dòng)和停止，并對(duì)MATLAB和PLC進(jìn)行調(diào)度。下端為PLC的運(yùn)動(dòng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)速度的運(yùn)動(dòng)控制；這一層是利用已編制好的程序和來自上位機(jī)的命令來控制電動(dòng)機(jī)的啟停和速度，從而使土豆切片機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)起來。在這一層中，本裝置的一些硬件方案如表4.1所示。表4.1硬件方案選型表序號(hào)功能組名稱型號(hào)品牌1PLCCPU3126ES7312-1AD10-0AB0SIEMENS電子模塊，8DI，24VDC，標(biāo)準(zhǔn)型（1件）6ES7131-4BF00-0AA0SIEMENS電子模塊，8DO，24VDC/0.5A，標(biāo)準(zhǔn)型（1件）6ES7132-4BF00-0AA0SIEMENS2開關(guān)電源24V電源NDR-75-24明緯3斷路器2級(jí)斷路器NXB-632PD32正泰4變頻器V20變頻器6SL3210-5BE21-5UV0SIEMENS5傳感器霍爾傳感器ACS712眾碩4.2切片機(jī)軟件操作系統(tǒng)4.2.1WinCC與MATLAB及PLC的通訊實(shí)現(xiàn)（1）WinCC與MATLAB通訊OPC技術(shù)在當(dāng)前行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，它的基本思想是以客戶-服務(wù)器模式為基礎(chǔ)，以O(shè)PC為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)獨(dú)立的軟件之間的數(shù)據(jù)通信。在WinCC中，集成了OPC驅(qū)動(dòng)，并內(nèi)置了OPC通信組件，所以通過OPC接口，可以很好地實(shí)現(xiàn)Matlab和WinCC之間的通訊。將MATLAB作為OPC的客戶端，WinCC作為OPC的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土豆切片的控制。下面是MATLAB的具體操作，先增加一個(gè)本地“LOCALLHOST”，然后增加“opcserver.wincc.1”作為opc客戶機(jī)，然后增加一個(gè)組對(duì)象組，然后再對(duì)這個(gè)組對(duì)象進(jìn)行設(shè)置，就可以實(shí)現(xiàn)通信了，下面的圖4.2就是MATLAB和WinCC之間的連接。圖4.2WinCC與MATLAB建立通訊（2）WinCC與PLC通訊PLC在收到來自現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和處理，并將其直接施加到土豆切片機(jī)上，并將其傳輸?shù)絎inCC端，利用WinCC組態(tài)軟件來監(jiān)視土豆切片機(jī)的運(yùn)行情況。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于MPI的WinCC通信系統(tǒng)。圖4.3是WinCC和PLC之間通信的構(gòu)建示意圖，通信被成功地構(gòu)建后，WinCC終端可以通過以下步驟來實(shí)時(shí)讀取PLC端數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以下發(fā)指令。(a)設(shè)置連接成功 (b)連接成功圖4.3WinCC與PLC建立通訊4.2.2變量管理針對(duì)土豆切片機(jī)的控制要求，分別設(shè)定進(jìn)給馬達(dá)、垂直切片馬達(dá)以及旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的控制變量，實(shí)現(xiàn)三馬達(dá)的起停與轉(zhuǎn)速的控制。在WinCC變量管理系統(tǒng)中，變量管理員負(fù)責(zé)管理工程中所用的變量及通信程序，文中在WinCC變量表中增加了PLC端的控制變量，通過該變量表可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。圖4.4顯示了切片系統(tǒng)的一些參數(shù)。圖4.4WinCC變量管理4.2.3WinCC組態(tài)設(shè)計(jì)在此基礎(chǔ)上，利用WinCC組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土豆切片機(jī)的監(jiān)控屏幕的設(shè)計(jì)。通過對(duì)WinCC和MATLAB的通信和PLC的通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變量的管理，這一部分的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了圖形接口的設(shè)計(jì)，接口主要是流程接口。在界面設(shè)計(jì)上，主要是利用WinCC自帶的圖形對(duì)象以及元件庫里的圖形來進(jìn)行接口的設(shè)計(jì)，在屬性欄中進(jìn)行了一些參數(shù)的設(shè)定，當(dāng)使用者的鼠標(biāo)信號(hào)被點(diǎn)擊時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)動(dòng)態(tài)的顯示。利用WinCC編程實(shí)現(xiàn)了土豆切片機(jī)的組態(tài)接口，使工程人員能夠更好地控制土豆切片機(jī)的工作。介紹了一種新型的土豆切片機(jī)的生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制區(qū)域包括：電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、電機(jī)啟?？刂频?。圖4.5組態(tài)界面設(shè)計(jì)4.2.4SIMATICS7PLC端設(shè)計(jì)本文所設(shè)計(jì)的土豆切片機(jī)的控制系統(tǒng)，可編程控制器的主要工作可分為兩個(gè)方面。(1)收集資料，并進(jìn)行回饋。在分層過程中，PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，并將其存入寄存區(qū)，并按照MPI協(xié)議與PC機(jī)WinCC進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。(2)數(shù)據(jù)的接收和執(zhí)行。在切片時(shí)，MATLAB通過OPC協(xié)議和WinCC端建立了聯(lián)系，對(duì)交換到WinCC端PLC所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了讀取，在MATLAB中充當(dāng)了一個(gè)操作部件，利用遺傳算法對(duì)BP-PID參數(shù)控制算法程序進(jìn)行了控制量的計(jì)算，然后把所算出的控制量傳送到PLC，而PLC則接受了這些數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。PLC端的主要程序如圖4.6所示。（a）轉(zhuǎn)速讀取與控制程序（b）電機(jī)控制封裝程序圖4.6PLC程序圖4.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本項(xiàng)目以土豆切片的工效為研究對(duì)象