機(jī)采棉加工過(guò)程智能控制與試驗(yàn)優(yōu)化

張成梁 李 蕾 董全成 馮顯英 王昊鵬,4

(1.濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 濟(jì)南 250022； 2.齊魯工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 濟(jì)南 250353；3.山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 濟(jì)南 250061； 4.山東警察學(xué)院， 濟(jì)南 250014)

機(jī)采棉加工過(guò)程智能控制與試驗(yàn)優(yōu)化

張成梁1李 蕾2董全成1馮顯英3王昊鵬3,4

(1.濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 濟(jì)南 250022； 2.齊魯工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 濟(jì)南 250353；3.山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 濟(jì)南 250061； 4.山東警察學(xué)院， 濟(jì)南 250014)

機(jī)采棉雜質(zhì)含量高，多級(jí)籽棉清理和皮棉清理會(huì)造成纖維損傷，為綜合提高皮棉產(chǎn)品的外觀形態(tài)和纖維內(nèi)在質(zhì)量，提出了對(duì)機(jī)采棉加工工藝進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化控制的研究方法和試驗(yàn)方案。在充分分析典型機(jī)采棉加工流程的基礎(chǔ)上，根據(jù)最新的棉花質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，確定雜質(zhì)面積、雜質(zhì)顆粒數(shù)、反射率、黃度、上半部長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度、短纖維指數(shù)、馬克隆值、斷裂比強(qiáng)度9個(gè)參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，建立以加工皮棉產(chǎn)品成交價(jià)格最大化的總體優(yōu)化控制目標(biāo)。選取對(duì)棉花清理有顯著影響效果的傾斜式籽清機(jī)I和II、提凈式籽清機(jī)、回收式籽清機(jī)、軋花機(jī)上部、鋸齒式皮清機(jī)I和II 7個(gè)關(guān)鍵設(shè)備的轉(zhuǎn)速作為優(yōu)化控制變量。采用監(jiān)控層、控制層、設(shè)備層的構(gòu)架模式，完成關(guān)鍵設(shè)備自動(dòng)化升級(jí)改造。使用響應(yīng)面分析法的中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法建立控制變量與控制目標(biāo)之間的數(shù)據(jù)模型。以建立的總體優(yōu)化控制目標(biāo)為適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)，利用遺傳算法完成對(duì)多變量數(shù)據(jù)模型的求解，7個(gè)設(shè)備的轉(zhuǎn)速分別為495、484、727、472、1 131、822、763 r/min。試驗(yàn)結(jié)果表明，加工后的皮棉產(chǎn)品雜質(zhì)面積變化率降低約7個(gè)百分點(diǎn)，上半部長(zhǎng)度變化率提高約2個(gè)百分點(diǎn)，質(zhì)量較為穩(wěn)定。本文方法在降低機(jī)采棉含雜率的同時(shí)，提高了棉花的綜合質(zhì)量水平。

機(jī)采棉； 加工； 智能控制； 參數(shù)優(yōu)化； 響應(yīng)面分析法； 遺傳算法

引言

隨著采棉勞動(dòng)力成本的增加和棉花機(jī)械收獲技術(shù)的成熟，我國(guó)的機(jī)采棉面積逐年擴(kuò)大，機(jī)采棉將成為棉花采摘的主流趨勢(shì)。由于機(jī)采棉的含雜率高達(dá)12%～20%，需要經(jīng)過(guò)多級(jí)籽棉清理和多級(jí)皮棉清理，清理過(guò)程必然造成棉纖維的損傷，棉花加工企業(yè)需要權(quán)衡棉花外觀品質(zhì)與纖維內(nèi)在質(zhì)量，這對(duì)機(jī)采棉加工環(huán)節(jié)提出了優(yōu)化控制的要求[1]。作為棉花加工過(guò)程最終產(chǎn)品的皮棉，其品質(zhì)是多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合體現(xiàn)，加工過(guò)程各環(huán)節(jié)對(duì)各指標(biāo)的影響不同，因此，需對(duì)各個(gè)加工環(huán)節(jié)的特點(diǎn)及其影響規(guī)律進(jìn)行綜合研究，以得到合適的解決方案，實(shí)現(xiàn)棉花加工參數(shù)的自適應(yīng)控制。

美國(guó)的機(jī)采棉技術(shù)比較成熟，ANTHONY等[2-4]由棉花等級(jí)、回潮率、產(chǎn)量、市場(chǎng)等構(gòu)建了軋花優(yōu)化模型；BYLER等[5]研究了籽棉清理環(huán)節(jié)對(duì)棉花纖維質(zhì)量及紡紗性能的影響；DELHOM等[6]試驗(yàn)得出調(diào)節(jié)鋸齒式皮清機(jī)鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速能夠改良皮棉的加工質(zhì)量；HARDIN等[7]研究了在不同產(chǎn)量下棉花清雜設(shè)備的性能；WANJURA等[8]研究了傾斜式籽清機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)籽棉清理作用的影響。這些研究和方法為我國(guó)機(jī)采棉雜質(zhì)清理和設(shè)備參數(shù)研究提供了一定的借鑒意義，但是國(guó)外的棉花品種、植株密度、評(píng)級(jí)體制與國(guó)內(nèi)并不相同，籽棉性狀參數(shù)有很大差別，其設(shè)備控制參數(shù)并不能直接使用。

近年，對(duì)棉花加工設(shè)備的性能研究是國(guó)內(nèi)學(xué)者持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)。李慧等[9]研究了籽棉回潮率、纏繞輥轉(zhuǎn)速和風(fēng)速對(duì)異性纖維清理效率和纖維長(zhǎng)度損傷的影響；張若宇等[10]提出了監(jiān)測(cè)殘膜分離裝置的大、小滾筒轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的虛擬儀器試驗(yàn)方法；王兆國(guó)等[11]研究了入口風(fēng)速、導(dǎo)流板傾斜角、補(bǔ)風(fēng)口風(fēng)速和可調(diào)擋板傾角對(duì)重雜去除率的影響；徐紅等[12]研究了鋸齒式皮清機(jī)對(duì)皮棉可紡性能的影響；董全成等[13]研究了鋸齒式軋花機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。單機(jī)設(shè)備性能的增強(qiáng)對(duì)整個(gè)加工過(guò)程的優(yōu)化提供了條件，但是由于機(jī)采棉工藝流程復(fù)雜、操作變量較多、設(shè)備自動(dòng)化程度較低以及棉花加工季節(jié)性強(qiáng)等不利因素的影響，從整體上對(duì)機(jī)采棉加工工藝進(jìn)行優(yōu)化的試驗(yàn)研究不多。謝占林[14]研究了機(jī)采棉加工主要工序?qū)γ藁ㄆ焚|(zhì)指標(biāo)的影響，但沒(méi)有對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究。山東天鵝棉業(yè)機(jī)械股份有限公司結(jié)合經(jīng)驗(yàn)得出了機(jī)采棉加工調(diào)試的操作流程[15]，但沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的論證說(shuō)明。目前，機(jī)采棉檢測(cè)技術(shù)逐步發(fā)展[16-18]，但是加工系統(tǒng)沒(méi)有合適的控制規(guī)律可循，設(shè)備無(wú)法針對(duì)棉花性狀參數(shù)做出自適應(yīng)調(diào)節(jié)，導(dǎo)致加工過(guò)程中棉纖維的損傷程度較大。掌握各工藝參數(shù)對(duì)不同棉花性狀的影響規(guī)律，智能優(yōu)化棉花加工生產(chǎn)線上各設(shè)備的工作參數(shù)，這是我國(guó)棉花加工行業(yè)現(xiàn)階段急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

本文依據(jù)新的棉花質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮皮棉產(chǎn)品外觀形態(tài)及纖維內(nèi)在質(zhì)量因素，確定機(jī)采棉加工的優(yōu)化控制目標(biāo)，建立皮棉產(chǎn)品成交價(jià)格最大化的總體優(yōu)化控制目標(biāo)。對(duì)機(jī)采棉加工生產(chǎn)線進(jìn)行升級(jí)改造，完成籽棉清理、軋花、皮棉清理等關(guān)鍵設(shè)備轉(zhuǎn)速的數(shù)字化控制。使用響應(yīng)面分析法進(jìn)行中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，建立多種設(shè)備轉(zhuǎn)速參數(shù)與多個(gè)控制目標(biāo)之間的數(shù)據(jù)模型，利用遺傳算法完成多變量單目標(biāo)最優(yōu)問(wèn)題的求解。

1 機(jī)采棉加工工藝

1.1 典型機(jī)采棉加工流程

圖1 機(jī)采棉加工工藝流程圖Fig.1 Flow chart of machine-harvested cotton processing1.重雜分離器 2.籽棉控制箱 3.垂直式干燥塔 4.傾斜式籽清機(jī)I 5.提凈式籽清機(jī) 6.塔式干燥機(jī) 7.傾斜式籽清機(jī)II 8.回收式籽清機(jī) 9.鋸齒軋花機(jī) 10.氣流式皮清機(jī) 11.鋸齒式皮清機(jī)I 12.鋸齒式皮清機(jī)II

機(jī)采棉加工設(shè)備多、工藝復(fù)雜，一套典型的加工流程如圖1所示。通過(guò)輸棉管道，籽棉從貨場(chǎng)進(jìn)入整個(gè)加工系統(tǒng)，首先經(jīng)過(guò)重雜分離器排除石子、鐵塊等；在氣流帶動(dòng)下，棉花進(jìn)入籽棉自動(dòng)控制箱，該設(shè)備主要用于控制系統(tǒng)的產(chǎn)量，保證加工過(guò)程連續(xù)穩(wěn)定；潮濕的籽棉經(jīng)過(guò)垂直式干燥塔的一級(jí)干燥作用后，進(jìn)入到傾斜式籽清機(jī)I，該設(shè)備利用刺釘滾筒和格條柵對(duì)棉花的沖擊、振動(dòng)、篩分作用，排除附著在籽棉團(tuán)表面的部分塵土、碎葉、籽屑等；然后籽棉流向提凈式籽清機(jī)，高速旋轉(zhuǎn)的鋸齒滾筒鉤拉住籽棉團(tuán)，鈴殼、僵瓣、棉枝等雜質(zhì)被排雜棒阻隔；依然潮濕的籽棉會(huì)進(jìn)入塔式干燥機(jī)進(jìn)行二級(jí)干燥處理，以保證回潮率控制在適合籽棉加工的范圍內(nèi)；之后，籽棉依次經(jīng)過(guò)傾斜式籽清機(jī)II和回收式籽清機(jī)，進(jìn)一步清除雜質(zhì)，回收式籽清機(jī)與傾斜式籽清機(jī)原理相似；經(jīng)過(guò)多級(jí)籽棉清理環(huán)節(jié)的棉花進(jìn)入鋸齒軋花機(jī)，設(shè)備上部提凈式清棉喂花結(jié)構(gòu)完成籽棉進(jìn)一步清理，下部實(shí)現(xiàn)棉纖維與棉籽的剝離，完成籽棉到皮棉的轉(zhuǎn)換；氣流式皮清機(jī)利用離心作用原理清除皮棉中的塵雜、破籽等；最后，皮棉分別經(jīng)過(guò)兩級(jí)鋸齒式皮清機(jī)，該設(shè)備通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的鋸齒滾筒與排雜刀組合作用，進(jìn)一步清理皮棉中的不孕籽、帶纖維籽屑、疵點(diǎn)等，并對(duì)其中的棉結(jié)、索絲進(jìn)行梳理和清理，完成皮棉的最終清理環(huán)節(jié)；加工完成的皮棉被送至打包機(jī)完成打包捆扎。

目前，機(jī)采棉加工工藝僅解決了設(shè)備之間的先后啟停順序控制及安全互鎖功能，但是不能根據(jù)籽棉的性狀特征參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，造成棉花加工過(guò)度清理現(xiàn)象嚴(yán)重。

1.2 優(yōu)化控制對(duì)象

在機(jī)采棉加工工藝流程中，軋花機(jī)之前的環(huán)節(jié)為籽棉預(yù)處理，其中兩級(jí)干燥設(shè)備為棉花加工提供合適的回潮率，由傾斜式籽清機(jī)I、提凈式籽清機(jī)、傾斜式籽清機(jī)II、回收式籽清機(jī)、軋花機(jī)上部完成籽棉清理；軋花機(jī)之后的環(huán)節(jié)為皮棉清理，主要由氣流式皮清機(jī)、鋸齒式皮清機(jī)I和鋸齒式皮清機(jī)II完成。

本文從整個(gè)機(jī)采棉加工流程的全過(guò)程綜合考慮，通過(guò)先期試驗(yàn)，選取對(duì)棉花清理有顯著影響效果的傾斜式籽清機(jī)I刺釘滾筒轉(zhuǎn)速、提凈式籽清機(jī)鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速、傾斜式籽清機(jī)II刺釘滾筒轉(zhuǎn)速、回收式籽清機(jī)刺釘滾筒轉(zhuǎn)速、軋花機(jī)上部提凈滾筒轉(zhuǎn)速、鋸齒式皮清機(jī)I鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速、鋸齒式皮清機(jī)II鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速等7個(gè)變量作為優(yōu)化控制的研究對(duì)象，從籽棉清理、皮棉清理各環(huán)節(jié)，重點(diǎn)研究上述各設(shè)備參數(shù)的變化對(duì)棉花加工性能的綜合影響規(guī)律，各加工變量之間相互制約、綜合作用，該優(yōu)化控制對(duì)象是一個(gè)非線性、多變量?jī)?yōu)化問(wèn)題。

2 機(jī)采棉檢測(cè)參數(shù)及優(yōu)化控制目標(biāo)

對(duì)機(jī)采棉的質(zhì)量檢測(cè)參數(shù)主要包括：含雜率、顏色級(jí)、上半部長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度、短纖維指數(shù)、馬克隆值、斷裂比強(qiáng)度等[19]。其中含雜率可以由雜質(zhì)面積和雜質(zhì)顆粒數(shù)體現(xiàn)，它受籽棉清理設(shè)備、皮棉清理設(shè)備的直接作用；顏色級(jí)由反射率和黃度決定，這兩個(gè)指標(biāo)分別反映了棉纖維對(duì)白色光和黃色光的反射程度，棉纖維的平整度、梳理程度對(duì)該參數(shù)有影響；清理過(guò)程由于機(jī)械的撥打、鉤拉、沖擊、梳刷會(huì)降低纖維長(zhǎng)度，從而使上半部長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度、短纖維指數(shù)發(fā)生變化；加工還會(huì)影響到棉纖維細(xì)度，從而影響馬克隆值；同時(shí)，加工造成的纖維表面微觀損傷會(huì)影響斷裂比強(qiáng)度。

棉花質(zhì)量檢測(cè)參數(shù)受到機(jī)采棉加工環(huán)節(jié)的直接影響，并且隨著設(shè)備參數(shù)的改變，棉花的性狀參數(shù)會(huì)隨之變化[20-21]。本文選用上述檢測(cè)參數(shù)作為機(jī)采棉加工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)變量，同時(shí)作為整個(gè)加工系統(tǒng)控制的優(yōu)化目標(biāo)，這些優(yōu)化控制目標(biāo)相互權(quán)衡，共同對(duì)多個(gè)優(yōu)化控制變量提出要求，形成一個(gè)多變量耦合、多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)裝置與材料

試驗(yàn)設(shè)備由山東天鵝棉業(yè)機(jī)械股份有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，相關(guān)的設(shè)備如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)備

一般棉花清理設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度固定不變，加工現(xiàn)場(chǎng)不根據(jù)籽棉的性狀特征參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。為此，試驗(yàn)中對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)，采用監(jiān)控層、控制層、設(shè)備層的構(gòu)架模式，開(kāi)發(fā)了機(jī)采棉智能加工系統(tǒng)。上位機(jī)總控制臺(tái)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)PLC(三菱Q02HCPU)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控及指令控制；PLC通過(guò)CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線連接遠(yuǎn)程DA模塊(三菱AJ65SBT-62DA)和遠(yuǎn)程IO模塊(三菱AJ65SBT-32T)，分別用于實(shí)現(xiàn)各滾筒電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的遠(yuǎn)程控制及其測(cè)量，以便實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，同時(shí)更換各滾筒膠帶輪，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of control system

試驗(yàn)中的總控制臺(tái)如圖3所示，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備照片如圖4所示。

圖3 總控制臺(tái)Fig.3 Central console photo

圖4 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備Fig.4 Field equipment photo

試驗(yàn)材料為新疆機(jī)采籽棉，由棉花加工廠提供。試驗(yàn)過(guò)程中，2臺(tái)干燥機(jī)使籽棉回潮率控制在6.5%～8.5%，產(chǎn)量為中級(jí)，試驗(yàn)分別在傾斜式籽清機(jī)I之前和鋸齒式皮清機(jī)II之后的輸棉管道中布置取樣點(diǎn)，2個(gè)取樣點(diǎn)之間為整個(gè)機(jī)采棉籽棉清理、軋花、皮棉清理過(guò)程。

3.2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

試驗(yàn)因素為加工過(guò)程關(guān)鍵環(huán)節(jié)的7個(gè)重要設(shè)備轉(zhuǎn)速，采用響應(yīng)面分析法的中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，考慮到設(shè)備轉(zhuǎn)速過(guò)低會(huì)造成產(chǎn)量下降、容易造成產(chǎn)線堵塞，轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)影響設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，試驗(yàn)中7個(gè)變量的編碼-α、-1、0、1、α所對(duì)應(yīng)的設(shè)備轉(zhuǎn)速分別為23.73 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz、56.27 Hz。為進(jìn)行試驗(yàn)控制研究，對(duì)7臺(tái)設(shè)備加裝變頻器控制轉(zhuǎn)速，由于各設(shè)備的額定轉(zhuǎn)速并不相同，但是可以使用相同的頻率編碼值表示。為了方便表達(dá)，本文中轉(zhuǎn)速用頻率值表示。

對(duì)于每次試驗(yàn)，在改變?cè)O(shè)備轉(zhuǎn)速參數(shù)并穩(wěn)定加工10 min后，分別在2個(gè)取樣點(diǎn)各采集5個(gè)樣本，樣本平均值作為各取樣點(diǎn)當(dāng)次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，樣本送當(dāng)?shù)乩w維檢驗(yàn)局，使用HVI1000大容量棉花測(cè)試儀器檢測(cè)雜質(zhì)面積、雜質(zhì)顆粒數(shù)、反射率、黃度、上半部長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度、短纖維指數(shù)、馬克隆值、斷裂比強(qiáng)度9個(gè)參數(shù)。在進(jìn)行某項(xiàng)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果分析時(shí)，使用2個(gè)取樣點(diǎn)之間的參數(shù)變化率yi作為衡量指標(biāo)，具體公式為

(1)

式中zia、zib——第i項(xiàng)指標(biāo)的前、后取樣點(diǎn)檢測(cè)值

設(shè)計(jì)試驗(yàn)共50次，中心點(diǎn)試驗(yàn)6次，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

3.3 數(shù)據(jù)模型建立

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Design-Expert處理軟件，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)模型的初步建立，然后根據(jù)方差分析結(jié)果，去掉P>0.05的作用項(xiàng)，以剩余的顯著項(xiàng)建立簡(jiǎn)化模型，最后手動(dòng)添加一個(gè)必要的作用項(xiàng)，進(jìn)一步提高擬合度。最終建立的雜質(zhì)面積變化率y1的數(shù)據(jù)模型為

y1=1.161 0×102-1.277 7x1+1.831 0×10-2x2-

1.007 0×10-2x3+9.395 4×10-2x4-0.836 43x5-

2.068 1x6-3.897 7x7+5.070 8×10-3x1x6-

9.999 4×10-3x2x3-4.418 8×10-3x2x4-

5.835 2×10-3x2x5-1.050 4×10-2x2x6+

1.144 9×10-2x2x7-9.072 4×10-3x3x4+1.231 5×

10-2x3x5+1.649 9×10-3x3x6+1.376 8×10-2x3x7-

4.251 4×10-3x4x5-8.137 4×10-3x4x6+2.049 5×

10-3x5x6+1.158 1×10-2x5x7+1.403 3×10-2x6x7+

(2)

依次可以建立其余8個(gè)測(cè)試目標(biāo)的擬合回歸數(shù)據(jù)模型。對(duì)機(jī)采棉各檢測(cè)參數(shù)目標(biāo)進(jìn)行的方差分析結(jié)果如表3所示，可以看出各模型的P值均小于0.000 1，模型回歸方差顯著；失擬項(xiàng)P值均大于0.05，不顯著；另外，各模型的R2均大于0.9，模型擬合程度好。

數(shù)據(jù)模型的建立為機(jī)采棉加工參數(shù)整體優(yōu)化方案的解決提供了明確的數(shù)據(jù)關(guān)系模型，為優(yōu)化算法的使用提供了基礎(chǔ)條件。

3.4 綜合影響因素分析

在機(jī)采棉加工數(shù)據(jù)模型中，變量間的耦合作用對(duì)各目標(biāo)存在影響。以雜質(zhì)面積變化率目標(biāo)為研究對(duì)象，選取耦合因素中最具有顯著性的傾斜式籽清機(jī)Ⅱ刺釘滾筒轉(zhuǎn)速與鋸齒式皮清機(jī)Ⅱ鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速為分析對(duì)象，兩者的耦合作用對(duì)雜質(zhì)面積的影響如圖5所示，在30～40 Hz的較低轉(zhuǎn)速段，隨著這兩種設(shè)備滾筒速度的增加，雜質(zhì)面積迅速降低；在45～50 Hz的高轉(zhuǎn)速段，設(shè)備轉(zhuǎn)速的增加對(duì)降低雜質(zhì)面積的作用逐漸減小。因此，在機(jī)采棉加工時(shí)，不應(yīng)過(guò)分通過(guò)提高設(shè)備轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到清理雜質(zhì)的目的。

以雜質(zhì)顆粒數(shù)變化率目標(biāo)為研究對(duì)象，選取耦合因素中顯著性較強(qiáng)的提凈式籽清機(jī)鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速與傾斜式籽清機(jī)Ⅱ刺釘滾筒轉(zhuǎn)速為分析對(duì)象，兩者的耦合作用對(duì)雜質(zhì)顆粒數(shù)變化率的影響如圖6所示，這兩個(gè)設(shè)備的轉(zhuǎn)速過(guò)低或者過(guò)高對(duì)雜質(zhì)顆粒數(shù)變化率的降低均不利，這是因?yàn)檫^(guò)低的滾筒轉(zhuǎn)速造成刺釘或者鋸齒對(duì)棉纖維和雜質(zhì)的沖擊、鉤拉作用力不足，不能實(shí)現(xiàn)兩者的有效分離；過(guò)高的轉(zhuǎn)速會(huì)將籽棉中的大面積雜質(zhì)打碎，使得雜質(zhì)顆粒數(shù)降低幅度減小，細(xì)小瑣碎的雜質(zhì)有時(shí)會(huì)增加清理難度。因此，機(jī)采棉加工工藝有必要選擇適合雜質(zhì)清理的設(shè)備轉(zhuǎn)速范圍。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

表3 檢測(cè)參數(shù)方差分析

圖5 傾斜式籽清機(jī)II刺釘滾筒轉(zhuǎn)速與鋸齒式皮清機(jī)II鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)雜質(zhì)面積變化率的綜合影響Fig.5 Comprehensive influence of inclined seed cotton cleaner II barbed nail roller rotational speed and saw lint cleaner II sawtooth roller rotational speed on change rate of trash area

圖6 提凈式籽清機(jī)鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速與傾斜式籽清機(jī)II刺釘滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)雜質(zhì)顆粒數(shù)變化率的綜合影響Fig.6 Comprehensive influence of stripper and stick cleaner sawtooth roller rotational speed and inclined seed cotton cleaner II barbed nail roller rotational speed on change rate of trash count

以棉花纖維上半部長(zhǎng)度變化率目標(biāo)為研究對(duì)象，選取耦合因素中最具有顯著性的鋸齒式皮清機(jī)Ⅰ、Ⅱ鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速為分析對(duì)象，兩者的耦合作用對(duì)上半部長(zhǎng)度變化率的影響如圖7所示，隨著鋸齒式皮清機(jī)鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速的提高，纖維上半部長(zhǎng)度降低幅度逐漸增大，在45～50 Hz的高轉(zhuǎn)速段，纖維長(zhǎng)度急劇降低。另外，雖然兩臺(tái)皮清機(jī)的設(shè)備參數(shù)相同，但是鋸齒式皮清機(jī)Ⅰ的影響作用要大于鋸齒式皮清機(jī)Ⅱ，分析認(rèn)為，在經(jīng)過(guò)了輸棉、兩級(jí)干燥、兩級(jí)籽棉清理、軋花、氣流皮清等多項(xiàng)工序后，棉花纖維已經(jīng)積累了相當(dāng)程度的疲勞損傷，纖維微觀表面出現(xiàn)裂痕，同時(shí)鋸齒式皮清機(jī)的鉤拉、梳理作用強(qiáng)烈，在首次經(jīng)過(guò)該設(shè)備時(shí)，會(huì)加快纖維的斷裂，造成長(zhǎng)度降低。因此，鋸齒式皮清機(jī)對(duì)皮棉的梳理作用明顯，但是機(jī)采棉加工不應(yīng)過(guò)度依賴它來(lái)改善產(chǎn)品的外觀形態(tài)，該設(shè)備在高轉(zhuǎn)速下對(duì)棉花纖維的損傷非常嚴(yán)重。

圖7 鋸齒式皮清機(jī)I、II鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)上半部長(zhǎng)度變化率的綜合影響Fig.7 Comprehensive influence of saw lint cleaner I sawtooth roller rotational speed and saw lint cleaner II sawtooth roller rotational speed on change rate of upper half mean length

利用Design-Expert軟件依次得出各因素對(duì)其余各目標(biāo)參數(shù)的影響規(guī)律，為定量?jī)?yōu)化機(jī)采棉加工參數(shù)提供參考依據(jù)。機(jī)采棉加工過(guò)程中各目標(biāo)對(duì)加工參數(shù)的要求不盡相同，甚至相互矛盾。對(duì)于清雜方面的指標(biāo)，一般要求設(shè)備轉(zhuǎn)速較高，增加機(jī)械作用力；但是對(duì)于纖維質(zhì)量方面的指標(biāo)，則設(shè)備轉(zhuǎn)速會(huì)比較有利，盡量降低纖維損傷。因此，需要權(quán)衡各目標(biāo)之間的輕重，統(tǒng)籌考慮各因素與各變量的關(guān)系，建立統(tǒng)一的優(yōu)化目標(biāo)模型。

4 基于遺傳算法的加工工藝優(yōu)化

4.1 總體優(yōu)化控制目標(biāo)

機(jī)采棉加工后的皮棉產(chǎn)品，既需要提高棉花外觀品質(zhì)，要求含雜率小、顏色級(jí)高；同時(shí)又要保證纖維內(nèi)在質(zhì)量，要求上半部長(zhǎng)度大、長(zhǎng)度整齊度一致、馬克隆值適中、斷裂比強(qiáng)度高。對(duì)于該多目標(biāo)優(yōu)化控制問(wèn)題，不能盲目強(qiáng)調(diào)某些目標(biāo)，而使棉花綜合質(zhì)量受到影響，本文從加工企業(yè)的實(shí)際需要出發(fā)，建立以加工皮棉產(chǎn)品成交價(jià)格G最大化的總體優(yōu)化控制目標(biāo)，即

maxG(yi(xj)) (i=1,2,…,9；j=1,2,…,7)

(3)

式中，價(jià)格G可以根據(jù)時(shí)下的皮棉交易價(jià)進(jìn)行查表得出；yi(xj)表示加工過(guò)程中7個(gè)設(shè)備轉(zhuǎn)速xj對(duì)9個(gè)控制目標(biāo)yi影響的數(shù)據(jù)模型。

總體優(yōu)化控制目標(biāo)的建立將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)問(wèn)題，為整體方案的求解確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4.2 智能優(yōu)化算法求解

為了確定最優(yōu)加工方案，確定各設(shè)備的轉(zhuǎn)速，需要對(duì)建立的多變量單目標(biāo)非線性模型進(jìn)行求解?？紤]系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，在實(shí)際加工生產(chǎn)中，本文選用基礎(chǔ)理論比較成熟的遺傳算法進(jìn)行求解。對(duì)設(shè)備轉(zhuǎn)速變量采用實(shí)數(shù)編碼，首先從初始種群出發(fā)，以最高成交價(jià)格為適應(yīng)度函數(shù)對(duì)個(gè)體進(jìn)行評(píng)價(jià)、排序，然后從種群中選擇優(yōu)良個(gè)體，在保留少數(shù)最優(yōu)個(gè)體的基礎(chǔ)上，通過(guò)交叉、變異操作產(chǎn)生新一代種群。迭代循環(huán)該過(guò)程，直至達(dá)到終止條件，完成各優(yōu)化控制變量的參數(shù)求解。針對(duì)該批次棉花，加工設(shè)備傾斜式籽清機(jī)I和II、提凈式籽清機(jī)、回收式籽清機(jī)、軋花機(jī)上部、鋸齒式皮清機(jī)I和II的轉(zhuǎn)速分別為495、484、727、472、1 131、822、763 r/min。

4.3 試驗(yàn)控制效果

使用傳統(tǒng)加工方式與本文控制系統(tǒng)分別進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，選取最能反映含雜率的雜質(zhì)面積變化率和最能反映纖維損傷程度的上半部長(zhǎng)度變化率，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。在系統(tǒng)控制下，加工后的皮棉產(chǎn)品雜質(zhì)面積變化率降低約7個(gè)百分點(diǎn)，上半部長(zhǎng)度變化率提高約2個(gè)百分點(diǎn)，并且檢測(cè)數(shù)值波動(dòng)較小，產(chǎn)品質(zhì)量較為穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法在降低機(jī)采棉含雜率的同時(shí)，能夠有效保證纖維質(zhì)量。

圖8 試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Results of experiment

5 結(jié)論

(1)對(duì)于機(jī)采棉加工工藝的質(zhì)量控制指標(biāo)，全部使用HVI儀器測(cè)量，避免人工檢測(cè)的不穩(wěn)定性，符合新的棉花質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮皮棉產(chǎn)品外觀形態(tài)及纖維內(nèi)在質(zhì)量等多方面因素，確定機(jī)采棉加工的9個(gè)優(yōu)化控制目標(biāo)。 針對(duì)棉花加工設(shè)備自動(dòng)化程度低的現(xiàn)狀，完成設(shè)備升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，為設(shè)備的自動(dòng)控制創(chuàng)造條件，統(tǒng)籌考慮籽棉清理、軋花及皮棉清理全過(guò)程，確定7個(gè)關(guān)鍵設(shè)備的轉(zhuǎn)速作為優(yōu)化控制變量。

(2)采用響應(yīng)面分析法的中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法建立控制變量與控制目標(biāo)之間的數(shù)據(jù)模型，為整體優(yōu)化方案的解決提供明確的數(shù)據(jù)關(guān)系模型，為優(yōu)化算法的使用提供基礎(chǔ)條件。

(3)為權(quán)衡各優(yōu)化控制目標(biāo)，建立以加工皮棉產(chǎn)品成交價(jià)格最大化的總體優(yōu)化控制目標(biāo)，作為遺傳優(yōu)化算法的適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)，通過(guò)并行迭代求解，得到優(yōu)化后的各控制變量參數(shù)，加工設(shè)備傾斜式籽清機(jī)I和II、提凈式籽清機(jī)、回收式籽清機(jī)、軋花機(jī)上部、鋸齒式皮清機(jī)I和II的轉(zhuǎn)速分別為495、484、727、472、1 131、822、763 r/min。實(shí)現(xiàn)機(jī)采棉加工工藝參數(shù)的優(yōu)化控制。在系統(tǒng)控制下，加工后的皮棉產(chǎn)品雜質(zhì)面積變化率降低約7個(gè)百分點(diǎn)，上半部長(zhǎng)度變化率提高約2個(gè)百分點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了棉花加工外觀品質(zhì)與纖維內(nèi)在質(zhì)量的平衡。

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Intelligent Control and Optimization Experiment of Machine-harvested Cotton Processing

ZHANG Chengliang1LI Lei2DONG Quancheng1FENG Xianying3WANG Haopeng3,4

(1.SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofJi’nan,Ji’nan250022,China2.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,QiluUniversityofTechnology,Ji’nan250353,China3.KeyLaboratoryofHighEfficiencyandCleanMechanicalManufacture,MinistryofEducation,ShandongUniversity,Ji’nan250061,China4.ShandongPoliceCollege,Ji’nan250014,China)

The machine-harvested cotton was processed through multistage seed cotton cleaning and lint cleaning, and cotton fiber was damaged inevitably. With the balance of appearance quality and inherent quality, the research method and testing program for process optimization control of machine-harvested cotton processing technology were proposed. According to the latest cotton quality inspection standard, nine parameters optimization targets such as trash area, trash count, reflectance, yellowness, upper half mean length, length uniformity, short fiber index, micronaire and strength were determined, and global optimization goal for the maximum transaction price of lint processing products was established. Seven rotational speed variables of cleaning machines, including inclined seed cotton cleaners I and II, recovery seed cotton cleaner, upper cotton gin, stripper and stick cleaner, saw lint cleaners I and II were selected as optimized control variables, which had significant effect on cotton cleaning. Architecture model based on monitoring layer, control layer and equipment layer was adopted, and upgrading key equipment automation was completed. The data model between control targets and control variables was built by using central composite design of response surface methodology. Taking global optimization control goal as fitness evaluation function, genetic algorithm was proposed to calculate the multivariate data model solution. Seven rotational speeds were 495 r/min, 484 r/min, 727 r/min, 472 r/min, 1 131 r/min, 822 r/min, 763 r/min, respectively. The test results showed that the change rate of trash area for processed lint products was reduced by 7 percentage points, the change rate of upper half mean length was increased by 2 percentage points, and product quality was more stable. The suggested method guaranteed fiber quality effectively with reduction of impurity content.

machine-harvested cotton; processing; intelligent control; parameter optimization; response surface methodology; genetic algorithm

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.009

2017-01-09

2017-01-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305164、51405194)和山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016GNC110025)

張成梁(1983—)，男，講師，博士，主要從事圖像檢測(cè)識(shí)別、智能儀器儀表和優(yōu)化控制研究，E-mail： me_zhangcl@ujn.edu.cn

TS101.9; TS102.2+11

A

1000-1298(2017)04-0073-09