一种基于激光扫描的烟草物料输送稳定性的检测与控制设备及方法与流程

本发明涉及烟草加工技术领域，尤其是一种基于激光扫描的烟草物料输送稳定性的检测与控制设备及方法。

背景技术：

烟草制品的加工工程也是获得组分混合质量的过程，混合质量是保证产品质量的基础，需要混合的组分混合得更好，是技术研究的重要组成部分。烟草混合又不同于一般固体物料的混合，通过一定的加工流程和不同混合形式，将不同特性的片状、丝条状烟草物料在空间上均匀混合分布，获得混合均匀性，混合状态的描述和度量非常困难。其中烟丝掺配线中物料的空间均匀性会极大地影响各个掺配环节，进而影响卷烟物理质量和烟丝填充值，使产品出现较大的波动性，给消费者带来较差的感受与体验。

技术实现要素：

为克服现有的缺陷，本发明提出了一种基于激光扫描的烟草物料输送稳定性的检测与控制设备及方法。

一种基于激光扫描的烟草物料输送稳定性的检测与控制设备，包括皮带传动带、线性激光扫描器、三相电机变频器、信息采集卡、可编程控制器、信息处理计算机、传动带电机和拨料装置组成，所述线性激光扫描器设置于皮带传动带中部上方，线性激光扫描器连通信息采集卡与信息处理计算机，信息采集卡通过三相电机变频器连通传动带电机；信息处理计算机通过可编程控制器连通三相电机变频器，三相电机变频器连通传动带电机，传动带电机带动皮带传动带，拨料装置设置于皮带传动带一侧，并分别连通信息采集卡和可编程控制器。

线性激光扫描器用于采集物料表面上的点云二维信息；三相电机变频器用于控制电机的转向和转速，同时将瞬时电机转速信息送入信息采集卡中；信息采集卡用于采集速度信号，二维点云信息，并将原始信息送入计算机中进行后续处理；信息处理计算机用于对采集的信息进行数据处理获取烟丝表面三维信息和流量信息并进行可视化，通过算法得到均匀性评估，对可编程控制器发送信号；可编程控制器得到信息处理计算机的流量信号，通过pid调节器对三相电机变频器发送不同脉冲信号进而控制电机转速，同时得到信息处理计算机的均匀性信号，对拨料装置的电机发送脉冲控制高度和拨料宽度。

所述方法包括

1.获取烟丝表面的三维信息并构建均匀性信号；

2.获取烟草物料流量信息并构建流量信号；

3.实现均匀性与流量的串级控制。

获取烟丝表面的三维信息并构建均匀性信号，通过方程式获取烟丝表面的三维信息，

px＝cos(α+αi)*(li-li0)

py＝v*(k-1)/f

pz＝sin(α+αi)*(li-li0)

式中，水平面垂直物料运动方向为x轴，物料运动方向为y轴，垂直面为z轴，其中，点(px，py，pz)为烟丝表面任意一点，α为线性激光扫描器初始扫描角度，αi为第i条扫描线，li为空载下线性激光扫描器到基线的第i条的距离，li0为线性激光扫描器到物料的第i条的距离，v为物料运行速度，k为线性激光扫描器第k次采样，f为线性激光扫描器的采集频率。

通过线性激光扫描器接收到的大量三维点云信息，对其进行统计学分析，包括但不限于，垂直物料运动方向的横截面均值分布、标准差分布、变异系数分布等，通过与横截面高度输入信号对比，对拨料装置进行控制，以获得垂直物料运动方向的截面下均匀的物料。

通过方程式获取烟草物料流量信息，

式中，vall为取样时间段内物料体积，v为物料运行速度，t为取样时间，i为第i条扫描线，α为扫描角度范围，αp为角度分辨率，li为第i条扫描线长度，l′i为第i条扫描线基线长度。

通过线性激光扫描器对物料的采集时间t扫描获得一个当前流量状态信息，通过与流量输入信号对比，对传动带电机进行变频控制，以获得物料稳定的流量。

实现均匀性与流量的串级控制，首先创建不限于一个pid结构进行控制，

设备初始运行时，先给出物料流量的期望值，通过与瞬时流量对比进行比例控制，当目标接近时，进行积分控制，流量控制下的点云均匀性作为期望均匀性作为输入，进入均匀性控制，经过传动带电机变速转换和拨料装置控制单元，得到采样时间t后的流量信息和点云信息，重新作为输入。

流量控制的公式为，

均匀性控制的公式为，

式中，k1和k2为pid控制的控制类型选择，g1为电机的频率信号，g2为拨料器的控制高度信号，y1为步骤2中测得的流量信号，y2为步骤1中测得的物料均匀性信号，r为理想状态信号。

k1和k2的pid控制选择方法公式为，

式中，kp为比例控制，ki为积分控制，kd为微分控制，并根据情况选择使用。

本发明提供的一种基于激光扫描的烟草物料输送稳定性的检测与控制设备及方法，通过线性激光扫描器获取实时烟草物料的三维空间特征，通过算法表征这些特征，生成不同频率及幅度的脉冲信号，经过可编程控制器对变频电机和拨料器控制，从而控制落料的高度均匀性与横向平铺均匀性。

附图说明

图1为基于激光扫描的烟草物料输送稳定性的检测与控制设备装置示意图。

图2为串级控制示意图。

图3为某瞬时状态下烟丝三维信息示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种基于激光扫描的烟草物料输送稳定性的检测与控制设备及方法进行详细描述。

图1示出，一种基于激光扫描的烟草物料输送稳定性的检测与控制设备，包括皮带传动带1、线性激光扫描器2、三相电机变频器5、信息采集卡8、可编程控制器6、信息处理计算机7、传动带电机4和拨料装置3组成，所述线性激光扫描器2设置于皮带传动带1中部上方，线性激光扫描器2连通信息采集卡8与信息处理计算机7，信息采集卡8通过三相电机变频器5连通传动带电机4；信息处理计算机7通过可编程控制器6连通三相电机变频器5，三相电机变频器5连通传动带电机4，传动带电机4带动皮带传动带1，拨料装置3设置于皮带传动带1一侧，并分别连通信息采集卡8和可编程控制器6。

线性激光扫描器用于采集物料表面上的点云二维信息；三相电机变频器用于控制电机的转向和转速，同时将瞬时电机转速信息送入信息采集卡中；信息采集卡用于采集速度信号，二维点云信息，并将原始信息送入计算机中进行后续处理；信息处理计算机用于对采集的信息进行数据处理获取烟丝表面三维信息和流量信息并进行可视化，通过算法得到均匀性评估，对可编程控制器发送信号；可编程控制器得到信息处理计算机的流量信号，通过pid调节器对三相电机变频器发送不同脉冲信号进而控制电机转速，同时得到信息处理计算机的均匀性信号，对拨料装置的电机发送脉冲控制高度和拨料宽度。

先将激光扫描器放置于传送带中央，用于检测烟丝表面信息，在传送带滚轮处速度传感器，用以实时测量传送带传输速度；利用信息处理计算机接收激光扫描器和速度传感器传送的信号，对采集的信号进行数据处理获取瞬时烟丝表面信息，并根据传送带的速度计算得到烟丝表面的三维信息。

所述方法包括

1.获取烟丝表面的三维信息并构建均匀性信号；

2.获取烟草物料流量信息并构建流量信号；

3.实现均匀性与流量的串级控制。

获取烟丝表面的三维信息并构建均匀性信号，通过方程式获取烟丝表面的三维信息，

px＝cos(α+αi)*(li-li0)

py＝v*(k-1)/f

pz＝sin(α+αi)*(li-li0)

式中，水平面垂直物料运动方向为x轴，物料运动方向为y轴，垂直面为z轴，其中，点(px，py，pz)为烟丝表面任意一点，α为线性激光扫描器初始扫描角度，αi为第i条扫描线，li为空载下线性激光扫描器到基线的第i条的距离，li0为线性激光扫描器到物料的第i条的距离，v为物料运行速度，k为线性激光扫描器第k次采样，f为线性激光扫描器的采集频率。

通过线性激光扫描器接收到的大量三维点云信息，对其进行统计学分析，包括但不限于，垂直物料运动方向的横截面均值分布、标准差分布、变异系数分布等，通过与横截面高度输入信号对比，对拨料装置进行控制，以获得垂直物料运动方向的截面下均匀的物料。

通过方程式获取烟草物料流量信息，

式中，vall为取样时间段内物料体积，v为物料运行速度，t为取样时间，i为第i条扫描线，α为扫描角度范围，αp为角度分辨率，li为第i条扫描线长度，l′i为第i条扫描线基线长度。

通过线性激光扫描器对物料的采集时间t扫描获得一个当前流量状态信息，通过与流量输入信号对比，对传动带电机进行变频控制，以获得物料稳定的流量。

物料的不同部位的高度信息，也就是三维点云信息，分别能够影响均匀性与流量，自成一体，相互耦合。首先创建不限于一个pid结构进行控制。

如图2所示，内环为均匀性控制，均匀性不受流量影响，故为内环，外环为流量控制。设备初始运行时，先给出物料流量的期望值，通过与瞬时流量对比进行比例控制，当目标接近时，进行积分控制，流量控制下的点云均匀性作为期望均匀性作为输入，进入均匀性控制，经过传动带电机变速转换和拨料装置控制单元，得到采样时间t后的流量信息和点云信息，重新作为输入。

流量控制的公式为，

均匀性控制的公式为，

式中，k1和k2为pid控制的控制类型选择，g1为电机的频率信号，g2为拨料器的控制高度信号，y1为步骤2中测得的流量信号，y2为步骤1中测得的物料均匀性信号，r为理想状态信号。

k1和k2的pid控制选择方法公式为，

式中，kp为比例控制，ki为积分控制，kd为微分控制，并根据情况选择使用。

在实施过程中，选取的传送带长度约为20m，宽度0.9m，高度0.4m。将发动机的频率设置为10hz，测取皮带传送速度大约为0.6m/s。将激光发射器放置于传送带正中央上方约1.2m，频率设置为25hz，扫描角度为70°-110°。使用者可根据设备参数自行调整至合理值。

如图3所示，近点云为持续状态下的稳态信号，远点云为某瞬时状态下的烟丝表面信号，其差值构成了图2中的e2信号。

在传送带稳态运动的过程中，由公式获得取样时间内的总体积，可以得到单位时间下的体积流量，通过密度公式得到单位时间下的质量流量，和输入的质量流量的差值，构成图2中e1信号。

在实施前，给定r为5500kg/h，e1和e2信号已从前面得到，k1和k2均选择比例和积分控制器，g1为电机的频率信号，g2为拨料器的控制高度信号，均通过可编程控制器获取和控制，y1和y2信号分别由激光扫描器获取后通过计算机算法得到。所有信号实现双闭路控制。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。