CN108287465A - 一种声共振物料混合机的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种声共振物料混合机的控制系统及方法，系统包括：信息输入输出模块、传感器模块、控制器、电机驱动器，所述控制器分别与信息输入输出模块、传感器模块和电机驱动器相连，信息输入输出模块，用于接收输入信息，显示系统状态参数；传感器模块，用于获取所述声共振物料混合机的监测数据；控制器，用于根据所述输入信息和/或所述监测数据生成控制命令；电机驱动器，用于根据控制器的控制命令驱动声共振物料混合机的电机运动。本申请所提供的方案，能够通过自动控制保持整个负载容器内的物料达到共振状态，以最小的功耗，使物料剧烈振动，从而达到高效、快速混合均匀的目的。

Description

一种声共振物料混合机的控制系统及方法

技术领域

本申请涉及物料混合技术领域，尤其涉及一种声共振物料混合机的控制系统及方法。

背景技术

混合装置广泛应用于化工、医药、电池、化妆品、陶瓷、军工等行业，用于将两种或者多种物料相互分散而达到一定均匀程度。传统的混合方法包括：掺和、捏合、混炼、搅拌、射流混合、管道混合等。

对于高粘度物料、大分子量材料、高价值粉末等物料的混合而言，目前普遍使用捏合、混炼或者搅拌装置，这类混合装置存在以下缺点和弊端：混合时间长、效率低、能耗高、混合死角大、桨叶清理时间长等。某些大分子量材料的混合因为混合时间长、剪切力大等原因，还会造成材料特性变化，最终产品质量降低等不利影响。

发明内容

本申请实施例提出了一种声共振物料混合机的控制系统及方法，以解决现有技术中混合时间长、效率低的技术问题。

第一个方面，本申请实施例提供了一种声共振物料混合机的控制系统，信息输入输出模块、传感器模块、控制器、电机驱动器，所述控制器分别与信息输入输出模块、传感器模块和电机驱动器相连，其中：

信息输入输出模块，用于接收输入信息，显示系统状态参数；

传感器模块，用于获取所述声共振物料混合机的监测数据；

控制器，用于根据所述信息输入输出模块的输入信息和/或所述传感器模块监测数据生成控制命令；

电机驱动器，用于根据控制器的控制命令驱动声共振物料混合机的电机振动。

第二个方面，本申请实施例提供了一种声共振物料混合机的控制方法，包括如下步骤：

接收输入信息；

获取所述声共振物料混合机的监测数据；

根据所述输入信息和/或所述监测数据生成控制命令；

根据所述控制命令驱动所述声共振物料混合机的电机振动；

输出系统运行状态。

有益效果如下：

本申请实施例所提供的声共振物料混合机的控制系统及方法，能够通过自动控制和保持整个负载容器内的物料达到共振状态的方式，以最小的功耗，使物料剧烈振动，从而达到高效、快速混合均匀的目的。

附图说明

下面将参照附图描述本申请的具体实施例，其中：

图1示出了本申请实施例中声共振物料混合机的控制系统的结构示意图；

图2示出了本申请实施例中控制电机振动的控制原理图；

图3示出了本申请实施例中声共振物料混合机的控制方法实施的流程示意图；

图4示出了本申请实施例中声共振物料混合机的控制系统的实例框图；

图5示出了本申请实施例中控制系统的工作过程示意图。

具体实施方式

为了使本申请的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本说明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

针对现有技术的不足，本申请实施例提出了一种声共振物料混合机的控制系统及方法，下面进行说明。

实施例1

图1示出了本申请实施例中声共振物料混合机的控制系统的结构示意图，如图所示，所述系统可以包括：信息输入输出模块1、传感器模块2、控制器3、电机驱动器4，所述控制器3分别与信息输入输出模块1、传感器模块2和电机驱动器4相连，其中，

信息输入输出模块1，用于接收输入信息，显示系统状态参数；

传感器模块2，用于获取所述声共振物料混合机的监测数据；

控制器3，用于根据所述信息输入输出模块1的输入信息和/或所述传感器模块2监测数据生成控制命令；

电机驱动器4，用于根据控制器3的控制命令驱动声共振物料混合机的电机振动。

具体实施时，本申请实施例中所述的电机可以为控制物料振动混合的大功率音圈电机，电机驱动器4可以为驱动音圈电机的驱动器。

本申请实施例所提供的声共振物料混合机的控制系统，能够通过自动控制和保持整个负载容器内的物料达到共振状态的方式，以最小的功耗，使物料剧烈振动，从而达到高效、快速混合均匀的目的。

实施中，所述控制器3可以包括：AD采样与滤波子模块、PID控制子模块和DA波形数据生成子模块，其中，

AD采样与滤波子模块，用于对所述监测数据按照预设采样频率采样并进行低通滤波，将其转化为对应的物理量；

PID控制子模块，用于根据AD采样与滤波子模块的结果数据，运用快速傅式变换FFT变换计算采样信号的频率f、幅值A、初始相位再运用比例积分微分PID控制算法计算控制量；

DA波形数据生成子模块，用于依据PID控制子模块计算的控制量产生指定频率f、幅值A、初始相位的正弦控制波形数据，并传递至电机驱动器4。

本申请实施例中控制器3可以根据传感器模块2获取到的监测数据进行一系列的计算，生成控制波形数据，将控制波形数据作为控制命令发送给电机驱动器4，进而驱动电机振动。

实施中，所述信息输入输出模块1，包括：

触摸显示模块11，用于接收控制面板触摸屏的输入信息，显示系统运行状态参数；

远程控制模块12，用于接收远程控制端发送的控制信号，返回系统运行状态参数；

IO扩展模块13，用于对系统现有输入输出操控部件进行扩展，支持相关控制量输入与系统状态输出操作扩展，包括键盘输入、启动按钮、急停按钮、状态指示输出。

具体实施时，所述IO扩展模块可以利用数字信号处理DSP的通用输入输出接口方式来实现，所述操控部件可以包括键盘输入、启动按钮、急停按钮等部件，本领域技术人员可以根据实际需要扩展这些具备输入输出功能的操控部件，本申请对此不作限制。

所述触摸显示模块可以为具备触摸功能的液晶显示屏，所述远程控制模块可以为支持TCP/UDP协议、或其他远程控制协议的通信模块。

实施中，所述控制器3，可以包括：

输入输出处理子模块，用于对输入信息进行处理，对所述声共振物料混合机的参数进行设定。

本申请实施例中所述控制器3可以根据信息输入输出模块接收的信息进行处理，从而实现系统参数设定。

实施中，所述传感器模块2，包括：

电流传感器，用于获取声共振物料混合机的电机的电流；

加速度传感器，用于获取声共振物料混合机的振动加速度；

温度传感器，用于获取混合物料的温度；

压力传感器，用于获取声共振物料混合机的混合容器的压力。

具体实施时，所述传感器模块2可以包含监测电机电流的传感器、监测物料混合振动加速度的传感器、监测物料混合容器内温度、压力的传感器等等。

实施中，所述控制器3，可以包括：

安全判断模块，用于根据所述监测数据判断所述声共振物料混合机是否运行在安全状态；

停机模块，用于在所述声共振混合机处于不安全状态时产生停机指令。

本申请实施例中所述控制器3可以根据传感器模块获取到的监测数据来判断声共振物料混合机是否处于安全状态，如果处于不安全状态则可以立即生成停机指令，迫使电机停止转动。

具体的，本领域技术人员可以通过设定一些参数阈值范围等来确定安全状态，本申请在此不做赘述。

实施中，所述控制器3，包括：

共振判断模块，用于根据电机的电流与所述声共振混合机的振动加速度之间的相位差是否满足判断振动混合机是否处于共振状态；

处理模块，用于在所述声共振物料混合机处于非共振状态时，利用比例积分微分PID算法计算当前相位差要达到期望值时所需的电机电流频率f，生成控制命令。

本申请实施例中所述控制器3还可以根据传感器模块2测量得到的电机电流、所述声共振混合机的振动加速度，来判断所述声共振混合机是否处于共振状态，如果是处于共振状态可以继续保持当前的控制参数控制电机振动，如果是处于非共振状态则需要进一步计算控制波形数据，重新生成控制命令，发送给电机驱动器4，改变当前电机的运动状况以实现共振。

图2示出了本申请实施例中控制电机振动的控制原理图，如图所示，所述控制系统可以将电机电流与振动加速度信号的相位差作为控制对象，由振动理论推理可得当系统达到共振状态时相位差为本申请实施例中的期望值可以为通过数字PID算法计算在当前相位差要达到期望值时所需的电机电流频率f，利用控制器3、电机驱动器4、电机、传感器模块2形成的闭环控制回路使得相位差逐步逼近使物料混合机达到共振混合状态并持续振动。

所述控制系统可以通过控制电机电流的大小实现对声共振物料混合机的振动强度进行控制，电机电流的大小可以在混合过程中通过触摸显示模块或者远程控制模块进行实时设定。

实施例2

基于同一发明构思，本申请实施例中还提供了一种声共振物料混合机的控制方法，下面进行说明。

图3示出了本申请实施例中声共振物料混合机的控制方法实施的流程示意图，如图所示，所述方法可以包括：

步骤301、接收输入信息；

步骤302、获取所述声共振物料混合机的监测数据；

步骤303、根据所述输入信息和/或所述监测数据生成控制命令；

步骤304、根据所述控制命令驱动所述声共振物料混合机的电机振动；

步骤305、输出系统运行状态。

根据所述输入信息生成控制命令，可以包括：

根据远程控制输入或触摸显示输入或IO扩展输入的启动输入信号，生成启动指令，控制系统启动；和/或，

根据远程控制输入或触摸显示输入，生成参数设定指令，设定系统运行的驱动电流幅值，以及物料混合工艺相关参数的设定；和/或，

根据远程控制输入或触摸显示输入或IO扩展输入，生成停机指令，控制系统停止运行。

所述根据所述监测数据生成控制命令，可以包括：

对所述监测数据按照预设采样频率采样并进行低通滤波，将其转化为对应的物理量；

根据所述物理量，运用快速傅式变换FFT变换计算采样信号的频率f、幅值A、初始相位再运用比例积分微分PID控制算法计算控制量；

依据计算的控制量产生指定频率f、幅值A、初始相位的正弦控制波形数据，生成控制命令。

所述根据所述监测数据生成控制命令，可以包括：

运用快速傅式变换FFT变换计算采样信号的频率f、幅值A、初始相位φ，再运用比例积分微分PID控制算法计算调节量，生成PID调节指令；

根据PID调节指令，生成指定频率f、初始相位φ的正弦控制波电流信号，产生驱动电流指令；

根据所述监测数据，判断所述声共振物料混合机是否运行在安全状态，处于不安全状态时，产生停机指令。

所述监测数据可以包括电机的电流和声共振物料混合机的振动加速度，所述驱动所述声共振物料混合机的电机振动，可以为调节系统达到共振混合状态并维持，具体可以如下：

根据电机的电流与所述声共振混合机的振动加速度之间的相位差是否满足判断振动混合机是否处于共振状态；

若系统处于非共振状态时，利用比例积分微分PID算法计算当前相位差 要达到期望值时所需的电机电流频率f，生成控制命令，逐步调节系统运行至共振状态；

在所述声共振物料混合机处于共振状态时，控制电机按指定的共振混合强度、混合时间维持当前运行状态。

所述根据所述输入信息生成控制命令，可以包括：

启动指令，控制系统启动；

参数设定指令，设定驱动电流的幅值，物料混合工艺相关参数等；

停机指令，控制系统停止运行。

本申请实施例接收输入信息可以通过IO扩展输入、可以通过触摸屏触摸输入、也可以接收远程控制端发送的控制信号作为输入，控制器可以分别对不同的输入信息进行不同的处理。

所述的运行状态可以包括物料混合强度、共振频率、持续进度、当前混合工艺等，对具体输出状态不做限定。

本申请实施例的输出信息可以通过IO扩展输出、可以通过触摸屏显示输出、也可以通过网络输出数据至远程控制端。

实施例3

为了便于本申请的实施，下面以实例进行说明。

图4示出了本申请实施例中声共振物料混合机的控制系统的实例框图，如图所示，本申请实施例提供的声共振物料混合机的控制系统，可以包括：控制器、IO扩展模块、多个传感器、电机驱动器、触摸显示屏、远程控制设备，其中，

控制器单向接收传感器的监测数据，与触摸显示屏、远程控制设备、IO扩展模块进行双向数据交互，单向传递控制信号至电机驱动器；

电机驱动器单向传递信号至声共振物料混合机的电机；

传感器对声共振物料混合机进行实时采样，可以包括对声共振物料混合机的混合容器的采样(例如：物料振动的加速度、混合的温度、压力值等信息)、对声共振物料混合机的电机的信号(例如：电机的电流)采样等等，并可以将采样信息反馈至控制器；

控制器根据接收到的信息产生电机运行所需的控制命令(例如：波形数据)，并将控制命令发送至电机驱动器，进而由电机驱动器将控制命令转换成电机控制波形，驱动电机振动；

IO扩展模块接收键盘、按钮等操控接口的输入信息，进而实现对声共振物料混合机运行参数的设定，控制所述声共振物料混合机的启动、急停等，且可以进行状态指示；

触摸显示屏可以接收触摸输入(例如物料混合时间、混合流程等混合工艺参数的输入)，控制电机运行状态，对物料混合过程中的关键信息进行显示等；

远程控制设备可以对系统的运行进行远程操控。

具体的，所述控制器可以包括：AD采样与滤波子模块、PID控制子模块、DA波形数据生成子模块、输入输出处理子模块等；其中，

AD采样与滤波子模块，对传感器的信号(例如：电机电流、混合物料振动加速度、温度、压力等)按照固定的采样频率并进行低通滤波，将其转化为对应的物理量，把处理后数据传递至PID控制子模块；其中，电机电流与振动加速度信号为同频率的正弦信号；

PID控制子模块，根据AD采样与滤波子模块的结果数据，运用FFT变换计算采样信号(例如：电机电流、振动混合物料振动加速度)的频率f、幅值A、初始相位再运用PID控制算法计算控制量，并提交至DA波形数据生成子模块；

DA波形数据生成子模块，依据PID控制子模块计算的控制量产生指定频率f、幅值A，初始相位的正弦控制波形数据，并传递至电机驱动器；

输入输出处理子模块，对IO扩展模块的键盘、按钮等输入信息、对触摸显示屏的触摸输入信息进行处理，进而实现系统参数的设定；将混合过程的关键信息提交至触摸显示屏显示；还可以对远程控制模块的指令信息/控制信号进行处理。

本申请实施例下面对所述控制系统的工作过程进行说明。

图5示出了本申请实施例中控制系统的工作过程示意图，如图所示，所述工作过程可以包括如下步骤：

1)系统初始化：控制器对系统进行初始化设置，可以包含PID控制参数、控制波形初始参数(例如：频率、幅值、相位等)、AD采样频率、DA输出频率、远程控制网络通信参数、触摸屏显示参数；

2)参数设置：通过触摸显示屏的触摸交互、以及IO扩展模块的按键设置混合物料的配方类型、混合物料的质量、混合工艺流程，为每个工艺流程设置必要的混合时间、混合强度等。

3)控制波形输出：控制器根据指定的波形参数产生控制波形数据，并通过其DA波形数据生成子模块将控制波形数据转化为模拟信号输出至电机驱动器；

4)电机运动：电机驱动器根据控制器输入的控制信号控制输入电机的电流，根据电流信号实现音圈电机的振动，音圈电机带动负责混合物料振动；

5)传感器采样：电流传感器对通过电机的电流进行监测，加速度传感器对混合物料的振动加速度进行监测，温度传感器对混合物料的温度进行监测，压力传感器对混合物料的容器压力进行监测，各类传感器将监测数据传递至控制器；

6)控制指令处理：控制器根据监测的混合物料温度信号、压力信号判断振动混合机是否运行在安全状态，若不安全则产生停机指令；进而通过电机电流与混合机振动加速度相位差是否满足判断振动混合机是否处于共振状态，如果达到共振状态则继续使用现有控制波形控制电机维持该运行状态，否则利用PID算法计算所需的波形参数，重新生成控制波形；根据接收的远程控制模块的停机信号、IO扩展模块的停机信号、或者触摸显示屏的停机信号产生停机指令；

7)波形参数修改：控制器根据与的差值利用增量式PID控制算法计算在当前相位差△φ要达到期望值时所需的电机电流频率f，重新设定控制波形参数，跳转至第3)步骤执行。至此，该控制系统形成闭环控制。

本申请实施例所提供的控制系统，能够通过自动控制和保持整个负载容器内的物料达到共振状态的方式，以最小的功耗，使物料剧烈振动，从而达到高效、快速混合均匀的目的。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

Claims (13)

1.一种声共振物料混合机的控制系统，其特征在于，包括：信息输入输出模块、传感器模块、控制器、电机驱动器，所述控制器分别与信息输入输出模块、传感器模块和电机驱动器相连，其中：

信息输入输出模块，用于接收输入信息，显示系统状态参数；

传感器模块，用于获取所述声共振物料混合机的监测数据；

控制器，用于根据所述信息输入输出模块的输入信息和/或所述传感器模块监测数据生成控制命令；

电机驱动器，用于根据控制器的控制命令驱动声共振物料混合机的电机振动。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器包括：AD采样与滤波子模块、PID控制子模块和DA波形数据生成子模块，其中，

AD采样与滤波子模块，用于对所述传感器模块监测数据按照预设采样频率采样并进行低通滤波，将其转化为对应的物理量；

PID控制子模块，用于根据AD采样与滤波子模块的结果数据，运用快速傅式变换FFT变换计算采样信号的频率f、幅值A、初始相位再运用比例积分微分PID控制算法计算控制量；

DA波形数据生成子模块，用于依据PID控制子模块计算的控制量产生指定频率f、幅值A、初始相位的正弦控制波形数据，并传递至电机驱动器。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信息输入输出模块，包括：

触摸显示模块，用于接收控制面板触摸屏的输入信息，显示系统运行状态参数；和/或，

远程控制模块，用于接收远程控制端发送的控制信号，返回系统运行状态参数；和/或，

IO扩展模块，用于对系统现有输入输出操控部件的扩展，支持相关控制量输入与系统状态输出操作扩展，包括键盘输入、启动按钮、急停按钮、状态指示输出。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器还包括：

输入输出处理子模块，用于对信息输入输出模块的数据进行处理，对所述声共振物料混合机的参数进行设定。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器模块包括：

电流传感器，用于获取声共振物料混合机的电机的电流；和/或，

加速度传感器，用于获取声共振物料混合机的振动加速度；和/或，

温度传感器，用于获取混合物料的温度；和/或，

压力传感器，用于获取声共振物料混合机的混合容器的压力。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器还包括：

安全判断模块，用于根据所述监测数据判断所述声共振物料混合机是否运行在安全状态；

停机模块，用于在所述声共振混合机处于不安全状态时产生停机指令。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器还包括：

共振判断模块，用于根据电机的电流与所述声共振混合机的振动加速度之间的相位差是否满足判断声共振物料混合机是否处于共振状态；

处理模块，用于在所述声共振物料混合机处于非共振状态时，利用比例积分微分PID算法计算当前相位差要达到期望值时所需的电机电流频率f，生成控制命令。

8.一种声共振物料混合机的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

接收输入信息；

获取所述声共振物料混合机的监测数据；

根据所述输入信息和/或所述监测数据生成控制命令；

根据所述控制命令驱动所述声共振物料混合机的电机振动；

输出系统运行状态。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，根据所述输入信息生成控制命令，包括：

根据远程控制输入或触摸显示输入或IO扩展输入的启动输入信号，生成启动指令，控制系统启动；和/或，

根据远程控制输入或触摸显示输入，生成参数设定指令，设定系统运行的驱动电流幅值，以及物料混合工艺相关参数的设定；和/或，

根据远程控制输入或触摸显示输入或IO扩展输入，生成停机指令，控制系统停止运行。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，根据所述监测数据生成控制命令，包括：

运用快速傅式变换FFT变换计算采样信号的频率f、幅值A、初始相位再运用比例积分微分PID控制算法计算调节量，生成PID调节指令；

根据所述PID调节指令生成指定频率f、初始相位的正弦波控制电流信号，产生驱动电流指令；

根据所述监测数据，判断所述声共振物料混合机是否运行在安全状态，处于不安全状态时，产生停机指令。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述监测数据包括电机的电流和声共振物料混合机的振动加速度，所述驱动所述声共振物料混合机的电机振动，包括：

根据电机的电流与所述声共振混合机的振动加速度之间的相位差是否满足判断振动混合机是否处于共振状态；

若声共振物料混合机处于非共振状态时，利用比例积分微分PID算法计算当前相位差要达到期望值时所需的电机电流频率f，生成控制命令，逐步调节至共振状态；

在所述声共振物料混合机处于共振状态时，控制电机按指定的共振混合强度、混合时间维持当前运行状态。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述监测数据还包括物料混合温度和混合容器压力，所述驱动所述声共振物料混合机的电机振动，还包括：监测系统是否运行在安全状态，若处于非安全状态则产生停机指令。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的运行状态包括物料混合强度、共振频率、持续进度、和/或当前混合工艺。