秸秆膨化机的自学习控制系统的制作方法

本发明涉及自动控制领域，尤其涉及一种秸秆膨化机的自学习控制系统。

背景技术：

我国农作物秸秆资源十分丰富，但却得不到合理利用， 粗略统计， 仅有 15％～20％用作畜禽饲料、80％以上被焚烧、风化、霉烂，造成大量的资源浪费和环境污染。为了解决此现象加大了秸秆的回收利用，现阶段通常采用的方法是利用秸秆膨化机加工成畜禽饲料，由于畜禽饲料的优良好坏取决于秸秆膨化机的性能参数，而一般的秸秆膨化机主要是人工根据经验来调节秸秆膨化机的性能参数，这样不能充分的发挥秸秆膨化后的效果，使秸秆膨化后的营养极大贬值，并且对膨化机的损害也较大。因此为解决这一现象，现场数据的实时采集与秸秆膨化机性能参数的实时调整对秸秆膨化机的使用寿命和提高秸秆膨化效果尤为重要。故可以对此需要了设计优化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种秸秆膨化机的自学习控制系统，从根本上解决了上述问题，能够根据秸的参数控制秸秆膨化机直接确定最优的膨化参数运行，在缺少参数调整依据时通过自我学习调整，并将调整后的运行参数存储入库，不但有效缩短了设备运行时的调试时间，避免了调整过程中应力过大可能导致的设备磨损，运行过程使设备以最佳的参数运行，延长了设备使用寿命，降了维护成本。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：该秸秆膨化机的自学习控制系统包括处理器模块，与处理器模块输入端相连的输入模块、监测模块和存储模块，与处理器模块输出端相连的执行模块，与处理器模块输出端相连的显示模块，其技术要点是：所述监测模块包括设置在膨化腔内的压力传感器和温度传感器，执行模块包括膨化头加热单元和驱动机控制单元，存储模块内安装有相互关联匹配的秸秆参数库和运行参数库。

另外，本发明还提供了上述控制系统的自动控制方法，其技术要点是，包括以下步骤：

步骤1）建立相互关联匹配的秸秆参数库和运行参数库，并设定标准值，秸秆参数库包括秸秆平均含水量、平均密度、平均长度，运行参数库包括膨化腔温度、膨化头压强、螺杆转速、膨化秸秆产量，标准值包括驱动机输入电流；

步骤2）人工检测秸秆参数，将所得参数与标准值比较，如果秸秆参数位于标准值内，则执行步骤3），如果秸秆参数超出或低于标准值，则执行步骤7）；

步骤3）在秸秆参数库中查询相匹配的值，并将该匹配值所对应的运行参数库中的运行参数值发送至处理器模块；若秸秆参数库查询值为空，则发出提示，并在该值基础上增加或减少1~10%后继续在秸秆参数库查询，直至查询到相近的数值，建立新数据元；若运行参数库查询值为空，则发出提示，并在该值基础上增加或减少1~10%后继续在运行参数库中查询，直至查询到相近的数值信息，建立新数据元；

步骤4）执行模块接收到运行参数后，向驱动机控制单元、膨化头加热单元发送控制命令控制输入电流及螺杆转速；

步骤5）当膨化腔温度达到运行参数所对应的数值时，显示模块提示准备完成；

步骤6）将秸秆送入膨化腔内，通过监测模块实时检测运行参数，膨化腔温度和膨化头压强由于秸秆均一性的差异、随着设备不断使用引起的磨损，会产生一定的波动，若基础参数时间点起20min后，膨化秸秆产量＞基础参数，则将该运行参数发送至执行模块，执行步骤4)，同时将变化后的运行参数储存至运行参数库中；若膨化秸秆产量＜基础参数，则查找运行参数库中当前秸秆参数所对应的最高秸秆产量所对应的运行参数，发送至执行模块，执行步骤4)；一旦实测运行参数超出标准值，则通过显示模块发出报警，同时执行步骤7）；

步骤7）当执行模块接收到外源控制信号或运行参数超过或低于标准值时，执行模块向驱动机和膨化头加热单元发送控制命令，停止运行。

所述步骤6）中，当实测运行参数超出标准值的20%则发出报警，并执行步骤7）。

本发明的有益效果：处理器模块通过在秸秆参数库和运行参数库中查找相匹配的数值，并将最佳运行参数以指令的方式发送至执行模块，即使根据未设定过的秸秆参数查询不到相应的运行参数，系统也会自行在已有秸秆参数库中查询相近似的参数信息，并将该秸秆参数信息所对应的运行参数信息发送至执行模块。在运行过程中，由于监测模块所采集到的数据与原有的监测数值并不匹配，但通过筛选，若产率高于运行参数库中的基础值，则将该值作为最优运行参数，若等于或＜基础值，则忽略该参数，并作出提示，如“该类秸秆不利于生产，请降低或增加水分”，此时可更换原料或在后续工艺中通过喷水装置补充水分，或调高膨化腔的预热温度将水分蒸发（但由于膨化腔较为封闭，并不不利于水分的排出）。

而通过在进料路径上设置多个湿度传感器和压力传感器可将一列数据作为匹配，更利于最优条件的设定。通过设定最优运行参数，有效延长了秸秆膨化机的使用寿命、提高了秸秆膨化质量以及产率。后续针对投入参数相同或相近的秸秆时，可直接自行设定最佳的运行参数，极大缩短了调试时间、提高了设备使用寿命、提高了生产效率、降低了维护成本。

附图说明

图1是本发明加工中心的等轴侧视结构示意图；

图2是本发明加工中心的主视结构视图；

图3是本发明加工中心的膨化装置主视结构示意图；

图4为本发明膨化组件的等轴侧视结构示意图；

图5是本发明泄压组件的结构示意图；

图6是本发明泄压组件的工作原理示意图；

图7是本发明的自学习控制方法流程图；

图8是本发明的自学习控制方法结构框图。

附图标记说明

图1中：1进料口、2一次铡压装置、3洒水装置、4进料通道组件、5二次铡压装置、6膨化装置、7出料通道组件、8菌液喷洒装置、9打包装置、10出料口；

图2中：11铡压装置出口、12输送辊、13挡板、14驱动机底座、15驱动机、16底座、17支架、18传动链条、19顺料筒、20料斗、21进料通道组件出口、22入料支架；

图3中：23防堵装置、24支撑座、25螺杆、26膨化头出料口、27膨化头、28膨化腔、29膨化螺旋、30膨化腔入口；

图4中：4防堵装置、15驱动机、18传动链条、20料斗、25螺杆、26膨化头出料口、28膨化腔、29膨化螺旋、31调整装置。

图5中：32驱动机、33涡流风机、34密封罩、35滤网、36主导管、37副导管、38泄压组件、39滤布、40主导管排气口、41滤液容器、42副导管排气口。

具体实施方式

以下结合图1~8，通过具体实施例详细说明本发明的内容。该秸秆膨化机的自学习控制系统包括

该秸秆膨化机的自学习控制系统，包括处理器模块，与处理器模块输入端相连的输入模块、监测模块和存储模块，与处理器模块输出端相连的执行模块，与处理器模块输出端相连的显示模块。

处理器模块可采用上位机，主要用于比对实际参数与运行参数库内的参数，接收特定的控制信号，并向执行模块发送执行处理或终止处理命令。

输入模块主要是指键盘、PDA、或秸秆膨化机一体化的触控设备等可视化硬件，以便输入需要设定的参数。

监测模块主要包括设置在膨化腔内的压力传感器和温度传感器，压力传感器主要用于检测绞龙内的秸秆物料与膨化内壁之间的压力，温度传感器主要用于检测膨化头内的膨化温度。还可在进料路径（料斗、膨化腔内壁）上设置多个湿度传感器，以通过多参数匹配的方法检测物料的实际含水量。当秸秆及秸秆膨化机的参数发生变化时能自动调节其参数，使秸秆膨化机正常运作，并是秸秆膨化的效果达到最优。

执行模块包括膨化头加热单元和驱动机控制单元，执行模块主要指被实际操控的单元，整个系统的自学习和自反馈主要通过执行模块来表现。

存储模块则可采用位于上位机内的存储介质，如硬盘、内存。存储模块内安装有相互关联匹配的秸秆参数库和运行参数库，数据库可采用SQL，自学习程序的编写则可采用MATLAB或OCTAVE。

显示模块可采用液晶显示屏，或仅采用指示灯，实时显示螺杆转速、电源电压和电流、秸秆膨化机产量、膨化头温度、膨化腔压力、膨化腔湿度等。并将运行参数库中的控制数据和首次执行的控制数据区别显示，可通过颜色区分，例如原有最优运行参数表示为绿色，首次执行自学习的优化参数表示为蓝色。

上述自学习控制系统的自动控制方法，包括以下步骤：

步骤1）建立相互关联匹配的秸秆参数库和运行参数库，并设定标准值，秸秆参数库包括秸秆平均含水量、平均密度、平均长度，运行参数库包括膨化腔温度、膨化头压强、螺杆转速、膨化秸秆产量，标准值包括驱动机输入电流；

步骤2）人工检测秸秆参数，将所得参数与标准值比较，如果秸秆参数位于标准值内，则执行步骤3），如果秸秆参数超出或低于标准值，则执行步骤7）；

步骤3）在秸秆参数库中查询相匹配的值，并将该匹配值所对应的运行参数库中的运行参数值发送至处理器模块；若秸秆参数库查询值为空，则发出提示，并在该值基础上增加或减少1~10%后继续在秸秆参数库查询，直至查询到相近的数值，建立新数据元；若运行参数库查询值为空，则发出提示，并在该值基础上增加或减少1~10%后继续在运行参数库中查询，直至查询到相近的数值信息，建立新数据元；

步骤4）执行模块接收到运行参数后，向驱动机控制单元、膨化头加热单元发送控制命令控制输入电流及螺杆转速；

步骤5）当膨化腔温度达到运行参数所对应的数值时，显示模块提示准备完成；

步骤6）将秸秆送入膨化腔内，通过监测模块实时检测运行参数，膨化腔温度和膨化头压强由于秸秆均一性的差异、随着设备不断使用引起的磨损，会产生一定的波动，若基础参数时间点起20min后，膨化秸秆产量＞基础参数，则将该运行参数发送至执行模块，执行步骤4)，同时将变化后的运行参数储存至运行参数库中；若膨化秸秆产量＜基础参数，则查找运行参数库中当前秸秆参数所对应的最高秸秆产量所对应的运行参数，发送至执行模块，执行步骤4)；一旦实测运行参数超出标准值的20%，则通过显示模块发出报警，同时执行步骤7）；

步骤7）当执行模块接收到外源控制信号或运行参数超过或低于标准值时，执行模块向驱动机和膨化头加热单元发送控制命令，停止运行。

该自学习控制系统主要应用于秸秆膨化饲料加工中心的膨化组件部分，整个秸秆膨化饲料加工中心包括入料组件、膨化组件以及出料组件。其中，入料组件包括设有进料口1的一次铡压装置2、设置在铡压装置出口11的进料通道组件4、设置在进料通道组件内的洒水装置3、设置在进料通道组件出口21的二次铡压装置5。进料通道组件4为入料端至出料端向上倾斜的带有挡板输送辊，输送带通过入料支架22固定在水平面上。

膨化组件包括设置在进料通道组件出口的料斗20、设置在料斗内的防堵装置23、设置在料斗底部出口的膨化装置6，膨化装置6通过固定在膨化壳体底部支撑座24限位在支架17上，支架17安装在底座16上，底座16固定在水平面上。防堵装置23包括水平设置在料斗内的拨料轴（图中未标记）以及限位在拨料轴上的拨料叶片，拨料轴（图中未标记）的输入端衔接至驱动机15。

膨化装置包括对称设置在料斗两侧的筒状的膨化壳体（图中未标记）、设置在膨化壳体内的螺杆25、通过传动链条18与螺杆25的输入端衔接的驱动机15、设置在螺杆上的膨化螺旋29、分别设置在膨化壳体两端出料口的膨化头27、设置在膨化头出料口26上的竖直设置的顺料筒19，两侧膨化螺旋的方向相反，膨化壳体与膨化螺旋29之间形成膨化腔28，料斗底部的出料口与膨化腔入口30相连通，驱动机15通过驱动机底座14固定在水平面上。

出料组件包括设置在膨化装置顺料筒出料端的出料通道组件7、设置在出料通道组件上的菌液喷洒装置8、设置在出料通道组件出口端的设有出料口10的打包装置9，出料通道组件7包括带有挡板13的输送辊12。

该秸秆膨化饲料加工中心的工作过程主要为：将整株秸秆通过进料口1送入一次铡压装置，对秸秆进行铡切、挤压后，通过进料通道组件输送至二次铡压装置，通过进料通道组件上的喷洒装置在秸秆输送过程对秸秆进行洒水，降低浮尘，随后进入二次细铡压装置，对秸秆进行二次铡压，使秸秆更加细碎化，降低由于秸秆硬结等物理属性对膨化装置的磨损，经二次细铡压后的细碎秸秆落料斗，通过防堵装置内部拨料轴带动反向拨料叶片，使饲料顺利落入双侧对称膨化腔内，秸秆物料在膨化腔内与膨化螺旋及腔壁碰撞摩擦，产生大量的热，使膨化腔内温度迅速提高（可达170℃），秸秆物料被熟化、糖化并膨松成海绵状，秸秆中的水分在短时间内变成过热水蒸气，形成一个高温高压的水热调质环境，起到杀菌、熟化和促进纤维素降解等作用，膨化后的秸秆由秸秆膨化装置的两个出料口沿顺料筒落在出料通道组件上，经过出料通道组件上部的菌液喷洒装置同时加入秸秆发酵剂，经过添加秸秆发酵剂的秸秆饲料沿出料通道组件进入打捆裹膜装置，对秸秆饲料进行加工包装，使秸秆与微生物和酵充分接触，提高秸秆营养成分和利用价值，包装后的秸秆饲料由加工中心出料口落出，完成加工。

为消除前序处理粉尘排放的提高加工环境的空气质量，还在进料通道的进料口上设置了分离粉尘装置，该秸秆膨化机分离粉尘装置包括密封罩34、设置在密封罩一侧的涡流风机33以及设置在另一侧的主导管36，涡流出风口与主导管的进风口位置相对，涡流风机的输入端设有驱动机32。密封罩设置于膨化机（图中未示出）的秸秆入料口，并作密封处理，可有效阻挡粉尘扩散。主导管与密封罩之间设有滤网35，主导管末端设有滤布39，主导管上设有副导管37，副导管内设有泄压组件38，主导管排气口40和副导管排气口42通入滤液容器41中。泄压组件包括溢流阀，压力继电器以及压力传感器。

从密封罩上部开口投入前序处理（本处主要是指铡压工序）后的秸秆段，密封罩整体采用上大下小的漏斗状结构，由于秸秆本身为疏松多孔结构，相对密度较小，在由密封罩进入膨化机绞龙进料机构时存在一定困难，通常的做法可将进密封罩制成长条形结构，从而可通过顶部的秸秆物料下压底部的秸秆物料，从而保证进料顺利。但如果采用该方案不得不将密封罩做的很长，并不利于整机的配制。还可增加压实装置，但会明显增加制造与维护成本。而采用漏斗结构后，漏斗状结构的斜面部分可形成下滑力，依靠自重向下压迫底部物料，漏斗结构的竖直侧面则可增加该压实效果。一方面，可将密封罩长度缩短，另一方面，可省去压实机构，不但精简了整体结构，而且降低了运行成本。

涡流风机在驱动源的带动下产生气旋，由于粉尘单体重量轻，因此更易在涡流的作用随涡流运动，从而使细小的粉尘从体积重量较大的秸秆段表面剥离，而涡流则可保证粉尘流动的方向，避免粉尘在密封罩内呈无序的扰动状态“乱飞”，而是沿涡流方向径直进入主导管中。而滤网具有一定孔径可起到限制流入物质粒径的作用，避免体积较大的秸秆段进入其中而将管道堵塞。秸秆段在自重的作用下沿密封罩向下落入膨化机内，进行下一工序。粉尘通滤网后，在沿主导管通向滤液容器，首先被滤布吸收，完成一次过滤；更细小的粉尘颗粒穿过滤布则通过排气口40通入滤液中被滤液吸收，完成二次过滤。进一步的，滤布还起到将滤液中气泡打散的目的，避免了过大气泡夹杂粉尘通入大气中。最终，经过二次过滤的洁净气体排放到大气中。

滤布为多孔结构，随着生产的进行，滤布上的粉尘不断累积，如果不及时更换，会在某一时刻引起主导管排气口40堵塞。此时，为避免管路系统堵塞，并实现卸荷，则在主导管旁设置副导管37，即使主导管36发生堵塞时，涡旋气流也会沿副导管37流动，并最终通过排气口42通入滤液中。

一方面，副导管37可采用与主导管完全相同的结构。另一方面，还可在副导管内设置主要由溢流阀，压力继电器以及压力传感器构成的泄压组件，同时在驱动机上设置用于控制电机输出功率的驱动电路，在泄压组件和驱动电路之间建立负反馈回路。具体而言，泄压组件端的压力传感器实时监测主导管内的气压，将气压作为驱动电路控制输出功率的信号源，气压上升时，驱动机输出功率降低，转速变慢；气压为一标准大气压时，驱动机输出额定功率。该可变功率的控制方式，一方面可采用由继电器控制的若干并联的电阻，当气压为一标准大气压时，并联电阻全部接入。另一方面则可采用由滑动开关构成的可调电阻，当气压为一标准大气压时，可调电阻以最小阻值接入电路。

同时，在副导管末端设置可控制排气口开启大小的溢流阀，当气压为一标准大气压时，溢流阀呈完全关闭状态，主导管内压力逐渐升高时，溢流阀逐渐打开卸荷，气体通过副导管排出，以保证主导管内维持一标准大气压，而当溢流阀呈完全开启状态时，主导管内的气压仍高于一标准大气压（为达到该目的，将副导管的内径设为小于主导管内径，由此可保证在涡流风机输出风量相同的情况下完全采用副导管时的气压大于完全采用主导管的气压），则此时通过控制驱动机转速以降低主导管的压力。

此外，由于滤布堵塞是一个逐渐变化的过程，而从外部很难观察到，因此在驱动机上设置转速传感器，可直接监测滤布的使用状态。可通过事先实验，例如：

1）将主导管末端的排风口完全关闭，将副导管排风口完全开启时，将驱动机设定为最小转速r1，此时对应的主导管堵塞程度为0.5a+0.5b，a=1，b=1，即完全堵塞；

2）将主导管末端的排风口完全关闭，将副导管排风口完全开启时，将驱动机设定为额定转速r2，此时对应的主导管堵塞程度为0.5a+0.5b，a=0，b=1，即部分堵塞，仅剩发动机转速可调控；

3）将主导管末端的排风口完全关闭，将副导管排风口完全关闭时，将驱动机设定为额定转速r2，此时对应的主导管堵塞程度为0.5a+0.5b，a=0，b=0，即堵塞程度为0；

当转速为最小转速r1时a=1，当转速为额定转速r2时a=0；

当副导管末端溢流阀完全开启时b=1，当溢流阀完全关闭时b=0。（或设定为0.3a+0.7b，可根据需要自行调节电机转速与溢流阀开启程度所占的权重。）

当堵塞程度达到50b%以上时，发出报警信号，提示更换滤布，为保证更换滤布时不影响生产的进行，在副导管与主导管连接处设置可控阀门，当需要更换时，将阀门关闭，使空气只流向支管。滤布采用插卡式，更换方便快捷。