一种面向无人化作业的粮食粉碎机全自动控制系统及方法与流程

本发明涉及粮食粉碎机自动控制，具体为一种面向无人化作业的粮食粉碎机全自动控制系统及方法。

背景技术：

1、粮食粉碎机是将粮食物料破碎至设定粒度的加工设备，通常包括进料机构、粉碎机构、排料机构等执行机构，其运行情况可由主轴转速、电机电流、料仓料位、排料通道堵塞状态等多个运行状态信号加以表征。在加工过程中，物料的含水率、硬度以及进料状况等因素会引起上述运行状态信号发生变化，因而需要对各执行机构的运行参数进行相应调节，以使设备维持在预期的加工状态。

2、现有的粮食粉碎机控制方案中，多采用对某一运行状态信号设定阈值的方式实施控制。例如，实时检测电机电流或负载，当检测值超过预设阈值时对进料机构的进料速度进行增减调节，并按照预设的调节量向相应执行机构下发控制指令，待检测值回落至阈值范围内后维持当前的运行参数，如此循环以对设备的运行状态加以约束。

3、然而，粮食粉碎机在运行过程中，各运行状态信号之间往往相互关联并同时发生变化，基于阈值判断的控制方案侧重于对个别运行状态信号的响应，对于多个运行状态信号所共同反映的整体运行状态较难作出一致的判定，各执行机构的调节指令之间容易出现相互抵触；同时，在设备由当前运行状态向预期加工状态过渡的过程中，调节动作与运行状态信号的实际变化情况之间的配合较为松散，容易出现调节反复、状态波动等情形，在无人化连续作业条件下，设备较难平稳地收敛并维持在预期的加工状态。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种面向无人化作业的粮食粉碎机全自动控制系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题，具体解决现有技术存在的在无人化连续作业条件下难以根据多个运行状态信号所共同反映的整体运行状态，使粮食粉碎机平稳收敛并维持在预期加工状态的问题。

2、为实现上述目的，本发明目的之一在于提供一种面向无人化作业的粮食粉碎机全自动控制方法，包括如下方法步骤：

3、s1、获取粮食粉碎机的样本运行数据，根据样本运行数据建立工况判定条件集，工况判定条件集包括多个工况区间、各工况区间的多维组合条件、各工况区间对应的各执行机构的允许参数调节范围以及预先设定的目标工况区间的多维边界条件。

4、样本运行数据的获取过程具体包括：

5、控制粮食粉碎机依次进入多个预设工况，在每一种预设工况下按照样本采样周期采集运行状态信号，得到多条样本记录，同一样本采样周期内采集到的各运行状态信号写入同一样本记录；

6、为每条样本记录写入对应的预设工况的工况标识，对样本记录执行有效性校验，当任一运行状态信号超出对应采集范围，或者排料通道堵塞状态取值异常时，将该样本记录标记为无效样本记录，并禁止该无效样本记录参与工况判定条件集的建立；

7、对有效样本记录执行稳定性筛选，根据同一工况标识下每一个数值型运行状态信号在有效样本记录中的平均值和标准差确定稳定性筛选阈值，将任一数值型运行状态信号超出稳定性筛选阈值的样本记录剔除，并根据样本记录数量阈值判断是否重新采集该工况下的样本运行数据，或者将剔除后剩余的样本记录记录为该工况标识对应的样本运行数据。

8、工况判定条件集的建立过程具体包括：

9、根据工况标识对样本运行数据进行归类，得到每一个工况标识对应的样本记录集合，对同一工况标识对应的样本记录集合，分别计算各数值型运行状态信号的下边界和上边界，下边界采用该运行状态信号在样本记录集合中的最小有效值，上边界采用该运行状态信号在样本记录集合中的最大有效值；

10、对同一工况标识对应的样本记录集合统计排料通道堵塞状态的状态值，将出现次数较多的状态值确定为排料通道堵塞状态的状态值，当出现次数相等时按照该工况标识预设的状态值确定排料通道堵塞状态的状态值；

11、根据同一工况标识下各数值型运行状态信号的边界和排料通道堵塞状态的状态值，生成对应工况区间的多维组合条件，为每一个工况区间写入对应的各执行机构的允许参数调节范围，并写入预先设定的目标工况区间的多维边界条件；

12、将多个工况区间、各工况区间的多维组合条件、各工况区间对应的允许参数调节范围以及目标工况区间的多维边界条件写入同一工况判定条件集，并为每一个工况区间分配工况区间编号。

13、步骤s1通过获取粮食粉碎机的样本运行数据，并据此建立包含多个工况区间、各工况区间的多维组合条件、各工况区间对应的各执行机构的允许参数调节范围以及预先设定的目标工况区间的多维边界条件的工况判定条件集，使粮食粉碎机的历史运行状态能够被整理为可供后续调用的判定依据和参数约束依据；由此，在后续无人化连续作业过程中，控制过程不再仅围绕局部阈值作出响应，而是能够基于工况判定条件集对多个运行状态信号所共同反映的整体运行状态进行识别，并为后续执行机构控制指令组的生成提供相互关联的边界条件和允许参数调节范围。

14、s2、获取粮食粉碎机的实时多维运行状态信号组，基于多维组合条件对实时多维运行状态信号组执行多维组合条件匹配，确定实时多维运行状态信号组所属工况区间，并从允许参数调节范围中提取与该所属工况区间对应的各执行机构的允许参数调节范围，生成当前工况参数组。

15、实时多维运行状态信号组的获取过程具体包括：

16、粮食粉碎机进入无人化作业状态后，按照运行采样周期采集实时运行状态信号，对实时运行状态信号执行边界校验；

17、当任一实时运行状态信号超出对应采集范围，或者实时排料通道堵塞状态取值异常时，生成信号异常标志，保持上一周期执行机构控制指令组，停止本周期的多维组合条件匹配，并在下一运行采样周期重新采集实时运行状态信号；

18、当实时运行状态信号均通过边界校验时，将各实时运行状态信号写入同一数据组，形成实时多维运行状态信号组。

19、多维组合条件匹配的执行过程具体包括：

20、按照工况区间编号依次读取各工况区间的多维组合条件，分别计算实时多维运行状态信号组与该工况区间的多维组合条件的匹配标志，并根据各维度的匹配标志确定表征实时多维运行状态信号组与该工况区间是否整体匹配的综合匹配值；

21、当仅有一个工况区间与实时多维运行状态信号组整体匹配时，将该工况区间确定为所属工况区间；当两个以上工况区间与实时多维运行状态信号组整体匹配时，计算实时多维运行状态信号组与各匹配工况区间的归一化距离，将归一化距离最小的工况区间确定为所属工况区间；

22、当没有工况区间与实时多维运行状态信号组整体匹配时，计算实时多维运行状态信号组与各工况区间的归一化距离，将归一化距离最小的工况区间确定为所属工况区间并生成近邻匹配标志，且当最小综合归一化距离大于最小综合归一化距离的判定阈值时，生成工况异常标志，保持上一周期执行机构控制指令组，并在下一运行采样周期重新获取实时多维运行状态信号组。

23、当前工况参数组的生成过程具体包括：

24、当多维组合条件匹配未生成工况异常标志时，根据所属工况区间读取对应的各执行机构的允许参数调节范围；

25、当读取到的允许参数调节范围超出对应控制参数的全局取值范围时，按照相邻边界截断规则对该允许参数调节范围的下限和上限分别进行截断；

26、将校验后的各执行机构的允许参数调节范围记录为当前工况参数组。

27、步骤s2通过获取粮食粉碎机的实时多维运行状态信号组，并基于多维组合条件对实时多维运行状态信号组执行多维组合条件匹配，确定实时多维运行状态信号组所属工况区间，再从允许参数调节范围中提取与该所属工况区间对应的各执行机构的允许参数调节范围，生成当前工况参数组；由此，能够将当前采集到的多个运行状态信号统一映射到相应的工况区间，并使后续控制参数的确定受到当前整体运行状态对应的允许参数调节范围约束，有助于减少各执行机构调节指令之间相互抵触的情形。

28、s3、读取当前工况参数组中各执行机构的允许参数调节范围，计算实时多维运行状态信号组与目标工况区间的多维边界条件之间的偏差量，并在对应的允许参数调节范围内根据偏差量确定各执行机构控制指令参数值，生成执行机构控制指令组。

29、偏差量的计算过程具体包括：

30、读取目标工况区间的多维边界条件以及各实时运行状态信号，对各数值型运行状态信号分别计算偏差量和偏差方向；

31、当实时运行状态信号位于对应目标边界内时，偏差量记为无偏差，偏差方向记为目标内；当实时运行状态信号高于对应目标边界的上边界时，偏差量记为对应的超出量，偏差方向记为高于目标；当实时运行状态信号低于对应目标边界的下边界时，偏差量记为对应的超出量，偏差方向记为低于目标；

32、对实时排料通道堵塞状态计算偏差量和偏差方向，当实时排料通道堵塞状态表示未堵塞时，偏差方向记为目标内，当实时排料通道堵塞状态表示堵塞时，偏差方向记为堵塞状态异常；

33、将各运行状态信号的偏差量和偏差方向写入偏差量记录。

34、执行机构控制指令组的生成过程具体包括：

35、读取当前工况参数组、偏差量记录和当前执行机构参数值，根据偏差量记录中的偏差量以及偏差等级划分阈值，将各运行状态信号对应的偏差量划分为偏差等级；

36、根据各执行机构的单步调节量以及各偏差等级对应的调节步长数量，确定各执行机构的调节步长数量；

37、根据偏差量记录中的偏差方向确定执行机构控制方向，当同一执行机构在同一周期内对应多个控制方向时，按照安全优先顺序确定控制方向，当同一执行机构在同一周期内具有相同控制方向的多个调节步长数量时，取其中最大的调节步长数量；

38、根据当前执行机构参数值、控制方向和调节步长数量得到候选控制参数，按照相邻边界截断规则对候选控制参数执行当前工况参数组的边界校验，将校验后的候选控制参数确定为对应执行机构控制指令参数值，对未产生控制方向的执行机构保持当前执行机构参数值并按照相邻边界截断规则执行当前工况参数组的边界校验，将校验后的当前执行机构参数值确定为对应执行机构控制指令参数值；

39、将各执行机构控制指令参数值写入同一数据组，生成执行机构控制指令组。

40、步骤s3通过读取当前工况参数组中各执行机构的允许参数调节范围，计算实时多维运行状态信号组与目标工况区间的多维边界条件之间的偏差量，并在对应的允许参数调节范围内根据偏差量确定各执行机构控制指令参数值，生成执行机构控制指令组；由此，能够使执行机构控制指令组同时受当前所属工况区间和目标工况区间的约束，使调节方向和调节幅度与多个运行状态信号相对于预期加工状态的偏离情况相匹配，从而有利于粮食粉碎机由当前整体运行状态向预期加工状态逐步过渡。

41、s4、将执行机构控制指令组下发至各执行机构执行，采集执行后的更新多维运行状态信号组，并以更新多维运行状态信号组作为新一轮实时多维运行状态信号组迭代执行多维组合条件匹配，直至更新多维运行状态信号组满足目标工况区间的多维边界条件。

42、更新多维运行状态信号组的采集过程具体包括：

43、执行机构控制指令组下发后，等待稳定时间，稳定时间结束后按照运行采样周期采集各更新运行状态信号，并写入同一数据组，形成更新多维运行状态信号组；

44、判断更新多维运行状态信号组是否满足目标工况区间的多维边界条件，当满足时生成目标满足标志，停止本轮调节并保持当前执行机构参数值；

45、当不满足时，将更新多维运行状态信号组作为新一轮实时多维运行状态信号组返回执行多维组合条件匹配，当迭代达到最大迭代次数仍未生成目标满足标志时，生成调节未收敛标志，并保持最后一轮迭代得到的执行机构控制指令组。

46、步骤s4通过将执行机构控制指令组下发至各执行机构执行，采集执行后的更新多维运行状态信号组，并以更新多维运行状态信号组作为新一轮实时多维运行状态信号组迭代执行多维组合条件匹配，直至更新多维运行状态信号组满足目标工况区间的多维边界条件；由此，能够根据每轮调节后的多个运行状态信号变化情况持续修正所属工况区间、当前工况参数组和执行机构控制指令组，使控制过程形成由实时状态识别、偏差计算、参数约束调节到状态反馈更新的闭环迭代关系，从而有助于解决现有技术存在的在无人化连续作业条件下难以根据多个运行状态信号所共同反映的整体运行状态，使粮食粉碎机平稳收敛并维持在预期加工状态的问题。

47、本发明目的之二在于提供一种面向无人化作业的粮食粉碎机全自动控制方法的系统，包括工况建模模块、工况识别模块、控制决策模块和反馈调节模块，其中：

48、工况建模模块获取粮食粉碎机的样本运行数据，根据样本运行数据建立工况判定条件集，工况判定条件集包括多个工况区间、各工况区间的多维组合条件、各工况区间对应的各执行机构的允许参数调节范围以及预先设定的目标工况区间的多维边界条件；

49、工况识别模块获取粮食粉碎机的实时多维运行状态信号组，基于多维组合条件对实时多维运行状态信号组执行多维组合条件匹配，确定实时多维运行状态信号组所属工况区间，并从允许参数调节范围中提取与该所属工况区间对应的各执行机构的允许参数调节范围，生成当前工况参数组；

50、控制决策模块读取当前工况参数组中各执行机构的允许参数调节范围，计算实时多维运行状态信号组与目标工况区间的多维边界条件之间的偏差量，并在对应的允许参数调节范围内根据偏差量确定各执行机构控制指令参数值，生成执行机构控制指令组；

51、反馈调节模块将执行机构控制指令组下发至各执行机构执行，采集执行后的更新多维运行状态信号组，并以更新多维运行状态信号组作为新一轮实时多维运行状态信号组迭代执行多维组合条件匹配，直至更新多维运行状态信号组满足目标工况区间的多维边界条件。

52、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

53、1、本发明基于对现有技术问题的进一步分析和研究，认识到粮食粉碎机在无人化连续作业过程中，多个运行状态信号并非彼此孤立地反映设备状态，而是共同表征粮食粉碎机所处的整体运行状态，若控制过程仅依据局部状态变化直接调节执行机构参数，容易使调节动作与当前整体运行状态、目标工况区间之间缺少连续关联，从而影响粮食粉碎机向预期加工状态的平稳过渡；

54、基于此，本发明先获取粮食粉碎机的样本运行数据，并根据样本运行数据建立工况判定条件集，使多个工况区间、各工况区间的多维组合条件、各工况区间对应的各执行机构的允许参数调节范围以及预先设定的目标工况区间的多维边界条件被纳入同一判定和调用体系；在无人化作业状态下，再获取粮食粉碎机的实时多维运行状态信号组，基于多维组合条件执行多维组合条件匹配，确定实时多维运行状态信号组所属工况区间，并提取对应的允许参数调节范围生成当前工况参数组；随后计算实时多维运行状态信号组与目标工况区间的多维边界条件之间的偏差量，并在当前工况参数组约束下生成执行机构控制指令组，进而通过更新多维运行状态信号组进行迭代调节；

55、由此，样本运行数据形成的工况判定条件集能够在实时控制阶段持续参与所属工况区间识别、当前工况参数组生成以及执行机构控制指令组确定，使粮食粉碎机的控制过程能够围绕多个运行状态信号所共同反映的整体运行状态进行连续判断和约束调节，有助于减少各执行机构调节指令之间相互抵触的情形，并促使粮食粉碎机在无人化连续作业条件下较为平稳地收敛并维持在预期加工状态。

56、2、本发明在上述控制链条的基础上，对实时多维运行状态信号组执行边界校验，并在多维组合条件匹配过程中通过综合匹配值、归一化距离、近邻匹配标志以及工况异常标志确定所属工况区间或中止本周期调节；同时，在生成当前工况参数组和执行机构控制指令组时，按照相邻边界截断规则对允许参数调节范围以及候选控制参数进行边界校验；

57、由此，实时多维运行状态信号组从采集、匹配到控制参数生成的各环节均受到相应的状态有效性和参数边界约束，使由工况判定条件集到执行机构控制指令组的调节过程更易保持在与当前整体运行状态相适配的范围内，进一步降低异常信号或越界参数对无人化连续作业调节过程的影响，有利于提高粮食粉碎机平稳收敛并维持在预期加工状态的可靠性。