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(上海工程技術(shù)大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 201620)

0 引言

隨著生活居住環(huán)境水平的提升，城鄉(xiāng)居民每日產(chǎn)生的生活垃圾也越來越多，垃圾的回收問題也越來越被房地產(chǎn)開發(fā)企業(yè)和物業(yè)管理公司所重視。特別是在國家大力支持推進綠色環(huán)保型產(chǎn)業(yè)的背景下，氣動垃圾分類回收逐漸進入人們的視野。

閥門是氣動垃圾回收系統(tǒng)中所用的關(guān)鍵部件，垃圾自投放口進入管道系統(tǒng)后，可落至閥門上方臨時堆積存儲，待系統(tǒng)檢測垃圾存儲已滿時打開閥門，完成垃圾的排空動作。而閥門的應(yīng)用數(shù)量與安裝位置，垃圾存儲設(shè)定的排放閾值，及排放過程中閥門開啟的控制邏輯，是系統(tǒng)運行的關(guān)鍵性問題。

文獻[1]主要研究以AT89C51單片機作為主處理器的硬件電路與軟件編程，實現(xiàn)閥門的自動開閉，具有智能化控制、集成度高、抗干擾能力強的優(yōu)點[1]，為系統(tǒng)氣動閥門的自動控制提供了依據(jù)。文獻[2]中介紹了一種廚余垃圾回收系統(tǒng)，其閥門控制為簡單的“自上而下”形式[2]，垃圾在排空過程中垃圾直接由上層落入下層閥門，層層累積，應(yīng)用于高層住宅時由于垃圾累積值較大極易造成阻塞的現(xiàn)象。

現(xiàn)有的文章專著里，大多在控制理論的層面以優(yōu)化傳遞函數(shù)的方式研究控制策略[3]，這在氣動垃圾回收系統(tǒng)的研究中并不適用。本文著力于研究氣動垃圾回收系統(tǒng)中氣動閥門和傳感器數(shù)量與安裝位置的多種方案，分別制定各個方案下閥門開關(guān)順序邏輯，進行對比分析，目標(biāo)為減少閥門開啟次數(shù)，提高垃圾收集效率。

1 控制策略分析

1.1 研究對象

本文中所研究的氣動垃圾回收系統(tǒng)，是面向智能化高層樓盤小區(qū)的設(shè)備裝置，為高層住宅小區(qū)提供設(shè)備、安裝、運行及控制等全套解決方案。與傳統(tǒng)小區(qū)的垃圾處理模式相比，可以降低人工成本，提高小區(qū)的自動化運行效率，減少垃圾在傳統(tǒng)收集運輸過程中帶來的繁瑣問題與污染現(xiàn)象，提高小區(qū)的整體管理與運行品質(zhì)。同時，這樣的智能化系統(tǒng)也滿足時代發(fā)展需求，將垃圾進行回收，實現(xiàn)垃圾資源化。圖1為高層住宅建筑中所應(yīng)用的氣動垃圾回收系統(tǒng)中的管路示意圖，其大體上可以分為三個功能部分。垃圾回收管道與過渡斜管為系統(tǒng)實現(xiàn)指定功能的管道基礎(chǔ)部分，為方便加工安裝及運輸，國內(nèi)管道常見運輸規(guī)格為6米，主體直管與過渡斜管為焊接連接形式。垃圾投放口門板及其控制系統(tǒng)是系統(tǒng)的重要部分，應(yīng)用現(xiàn)有刷卡式門鎖安裝于投放門板處，降低人為因素破壞系統(tǒng)的可能性。用戶可以將打包好的垃圾自投放口門板投入垃圾回收系統(tǒng)中，垃圾經(jīng)由過渡斜管進入垃圾收集管道內(nèi)部。管道內(nèi)安裝一定數(shù)量的氣動閥門與傳感器，用以控制垃圾的存儲與排空動作，是垃圾回收系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，也是本文著重研究的內(nèi)容。其設(shè)備采用市場上常見的閥門與傳感器，基于單片機的硬件電路進行控制。[4]

圖1 高層氣動垃圾回收系統(tǒng)管路示意圖

當(dāng)閥門關(guān)閉時，垃圾落至閥門上方進行堆積存儲。傳感器實時監(jiān)測管道內(nèi)垃圾的積累數(shù)量，當(dāng)垃圾量過大時，系統(tǒng)執(zhí)行氣動閥門的開啟動作，對垃圾進行排空，并在排空后對閥門進行復(fù)位。[5]至于垃圾落至地下匯集管道后的進一步輸送處理，本文不具體涉及。

在檢測管道系統(tǒng)內(nèi)垃圾存儲的量時，需要用到傳感器，適合于該系統(tǒng)的常用傳感器有光電傳感器與紅外傳感器。

光電傳感器通常是由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分所組成。其以光電效應(yīng)為基本原理，由檢測到的光信號的變化反應(yīng)被測量的相關(guān)變化，再借助光電元件將檢測到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，傳輸至系統(tǒng)中樞進一步分析處理。

具體工作過程如下：光源發(fā)射器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射器一般采用半導(dǎo)體光源，如發(fā)光二極管、激光二極管以及紅外發(fā)射二極管等。光束發(fā)射至光源接收器，接收器主要由光電二極管、光電三極管、光電池所組成。在接收器前方，應(yīng)當(dāng)裝有透鏡及光圈等光學(xué)元件。接收器后相連的，應(yīng)當(dāng)為光電檢測電路，它能夠濾出有效信號并對信號進行進一步處理?？紤]到實際應(yīng)用情況與成本，采用對射式光電傳感器以滿足系統(tǒng)要求。

1.2 系統(tǒng)運行參數(shù)

系統(tǒng)在運行過程中，相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計及功能尺寸是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵部分，影響系統(tǒng)運行的主要參數(shù)有：

1)每層管道系統(tǒng)中實時存儲的垃圾量，記為Q(n)，n表示層數(shù)。Q(n)值在現(xiàn)有系統(tǒng)體系架構(gòu)中并不能直接測量體現(xiàn)，主要在理論分析與數(shù)值模擬仿真的過程中用以表現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部當(dāng)前垃圾量的多少，是系統(tǒng)的運行指標(biāo)之一；

圖2 系統(tǒng)基本控制邏輯

2)上層閥門開啟垃圾落入下層后的累積量，記為T(n)，n表示層數(shù)。T(n)值與Q(n)值一樣，在系統(tǒng)中并不能直接檢測得到，在數(shù)值模擬過程中可以通過算法程序在計算機中進行累加與計算。其主要意義在于，假設(shè)任一垃圾存儲空間內(nèi)存儲的垃圾實際量大于其最大空間時管道發(fā)生堵塞，T(n)值的大小可用以判斷垃圾在排空過程中相鄰兩個存儲空間內(nèi)的垃圾累積是否會產(chǎn)生上述故障情況，是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基本評判標(biāo)準(zhǔn)；

3)系統(tǒng)中安裝氣動閥門的數(shù)量，記為R。每一個氣動閥門與垃圾收集管道共同構(gòu)成了一個垃圾臨時存儲區(qū)域，存儲區(qū)域越多，垃圾在系統(tǒng)整體的存儲量越大，系統(tǒng)總體排空次數(shù)越小。同時，氣動閥門的安裝數(shù)量與其控制邏輯關(guān)聯(lián)性較大，需確定具體控制方案后確定閥門的應(yīng)用數(shù)量；

4)垃圾積累過程中對閥門的壓力(包含沖擊與靜態(tài)壓力)，記為P。垃圾自投放口投入管道系統(tǒng)過程中，垃圾下落至閥門上部并對閥門產(chǎn)生直接的沖擊作用，靜止的垃圾在閥門上方堆積時同樣有重力作用，需要對閥門的強度進行分析和計算；

5)傳感器判斷垃圾已滿的閾值，記為k。閾值的設(shè)定，與具體的控制方案相關(guān)，且實際閾值的設(shè)定參數(shù)是由閥門和傳感器的安裝位置確定；

6)管道內(nèi)臨時存儲空間的垃圾存儲最大量，記為E。E值的大小，與垃圾收集管道與臨時存儲區(qū)域的設(shè)計尺寸相關(guān)，同時其又受到居民樓內(nèi)部建筑實際規(guī)劃所限，在滿足使用條件的情況下，不應(yīng)過大；

7)閥門開啟次數(shù)，記為s。

整個系統(tǒng)中，s為關(guān)于Q(n)，T(n)，R，k的函數(shù)，其具體數(shù)學(xué)關(guān)系無法具體表達，記為：

s=f(Q(n),T(n),R,k)

在數(shù)值模擬的過程中Q(n)值為有界隨機變量，其計量單位為包，即以垃圾包為計量標(biāo)準(zhǔn)，并將所有垃圾包視為等大等量。當(dāng)其平均值增大時，s值增大。T(n)值是判斷系統(tǒng)是否發(fā)生堵塞的參數(shù)，若其值大于E，則系統(tǒng)管道極易發(fā)生堵塞，這在實際應(yīng)用過程中是不被允許的，方案不可行；當(dāng)T(n)值小于或等于E值時，系統(tǒng)在垃圾排空的過程中不會出現(xiàn)累積過滿的情況，管道堵塞可能性較低，方案可行。R值增大，表明系統(tǒng)中閥門數(shù)量增多，一定條件下會使得s值增大，但臨時存儲區(qū)域的增多，在部分條件下會使得s值減小，其對s值的具體影響，針對不同的閥門開啟邏輯會有不同的結(jié)果，具體在后文中詳解。k值作為系統(tǒng)判斷閥門開啟的依據(jù)，當(dāng)其增大時，若系統(tǒng)整體的垃圾量不變，則s值降低。但由系統(tǒng)管道結(jié)構(gòu)所限，k值不得超過E值。

1.3 基本控制邏輯

為將樓層內(nèi)部的垃圾進行集中回收處理，需要將垃圾疏導(dǎo)排放至地下匯集管道，再經(jīng)由氣力輸送系統(tǒng)將垃圾回收至中轉(zhuǎn)站。為降低系統(tǒng)運行過程中垃圾在管道內(nèi)堵塞的可能，樓層內(nèi)部垃圾排空時需采用“自下而上”的控制邏輯，整個系統(tǒng)采用遞歸式運行方式運行。如圖2,從最底層開始依次向上排空，從而降低臨時存儲區(qū)域內(nèi)垃圾累積量，降低堵塞可能。

2 設(shè)計方案

由實際設(shè)備所限，氣動閥門選用氣動閘板式閥門，運行過程中僅有“全關(guān)”與“全開”兩種狀態(tài)，與獨立氣源相接，閥門通徑與系統(tǒng)管路口徑一致。[6]傳感器選用對射式光電傳感器，當(dāng)臨時存儲區(qū)域內(nèi)垃圾達到感應(yīng)高度，傳感器發(fā)出控制信號實現(xiàn)垃圾排空過程。[7]

垃圾由高處向低處下落時，除了會對管道及閥門產(chǎn)生自身的重力影響，還有加速運動后對其產(chǎn)生沖擊作用。因此，在排空系統(tǒng)內(nèi)存儲垃圾的過程中，不能簡單地將所有氣動閥門同時打開，以避免垃圾落差過大對系統(tǒng)產(chǎn)生較強沖擊，同時規(guī)避大量垃圾落至底層造成管道內(nèi)垃圾堵塞及閥門無法復(fù)位的問題。

2.1 單層循環(huán)式排空策略

在高層住宅中每層相同位置處統(tǒng)一安裝氣動閥門，其位置位于過渡斜管連接處上方0.4米處，與垃圾回收管道相接，其上部安裝光電傳感器，且相對高度固定。不考慮垃圾包形變影響，管路內(nèi)垃圾從上到下為線性排列，如圖3所示。在理想狀態(tài)下，垃圾包彼此不產(chǎn)生粘連與吸附，垃圾包直徑大小與回收管路相當(dāng)，不發(fā)生卡殼與過度摩擦等現(xiàn)象。氣動閥門開啟與關(guān)閉過程迅速，不與垃圾包發(fā)生刮擦，垃圾包視為剛體，不存在形變過程。

圖3 垃圾堆積方案示意圖

圖4 單層循環(huán)式排空策略

圖4為單層循環(huán)式排空策略基本流程算法，當(dāng)系統(tǒng)檢測到第n層垃圾已滿，則傳感器向控制系統(tǒng)發(fā)出信號，系統(tǒng)進行響應(yīng)，響應(yīng)的過程與圖內(nèi)流程算法一致。由底層開始，分別開啟閥門對相應(yīng)存儲空間內(nèi)的垃圾進行排空，并以垃圾已滿狀態(tài)下的最高層排空為程序結(jié)束條件，則系統(tǒng)開啟閥門的次數(shù)有：

整個流程為單層循環(huán)，每個樓層設(shè)置一個垃圾臨時存儲空間，在排空過程中，上層與下層的垃圾不進行累積，所以T(n)值不需核算。同時，若同一時刻有多層傳感器檢測到垃圾已滿的信號，只需將已滿樓層中的最高層的層數(shù)作為啟動參數(shù)n即可。這在系統(tǒng)整體設(shè)計程序中是可以實現(xiàn)的。

2.2 雙層循環(huán)式排空策略

圖5為雙層循環(huán)式排空策略流程，對比單層循環(huán)策略，本方案自下而上將相鄰兩層分為一組，組內(nèi)垃圾可以直接進行累積,即引入?yún)?shù)T(n)，其值不大于參數(shù)E。舉例說明，若系統(tǒng)檢測到第4層垃圾已滿，而其它層數(shù)的垃圾存儲量均未達到排空閾值時，此時第四層閥門開啟，第四層臨時存儲區(qū)域內(nèi)的垃圾落至第三層區(qū)域合并，此時位于第三層的垃圾達到排放閾值，需要向下排放，而下層第一與第二臨時存儲區(qū)域內(nèi)自行將垃圾合并。為保證T(n)值不超過E值，則必須減小閾值k才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。若第n層垃圾已滿，閥門開啟次數(shù)s為：

圖5 雙層循環(huán)式排空策略

2.3 以三層為單元安裝氣動閥門與傳感器

以三層為單元安裝氣動閥門與傳感器，是指將整棟樓自下而上每三層整合為一個單元，不重復(fù)地分組，在每個單元的最底層(即第一、四、七……層)安裝氣動閥門，如圖6，單元內(nèi)部垃圾投放至單元最下層，此方案下系統(tǒng)僅檢測安裝氣動閥門樓層的垃圾存儲情況。

圖6 三層單元式排空方案示意圖

與上文中兩種排空策略分析方法類似可得到，若第n層垃圾已滿，計算閥門開啟次數(shù)s得：

三種控制設(shè)計方案依次減少了系統(tǒng)中安裝的氣動閥門數(shù)量，系統(tǒng)所花費的成本依次遞減，但若使用較少的閥門，容易使得一個單元中上層垃圾落至閥門處的沖擊效應(yīng)變大，需要對系統(tǒng)運行的過程中的一些參數(shù)進行具體測算，主要考慮：(1)垃圾落下時對閥門的沖擊；(2)垃圾累積對閥門的影響。[8]

MV=fT

T=F+Mgh

其中：m為一包垃圾的重量，統(tǒng)一取為2 kg；v為垃圾落至閥門前的末速度，單位為m/s；F為垃圾落下時對閥門的沖擊力，單位為N；t為垃圾落下時的接觸時間，考慮垃圾質(zhì)地較軟，取值為0.5 s；T為閥門所受總壓力，包含下落沖擊力與垃圾累積重力值，單位為N。

設(shè)定垃圾包直徑大小為0.4米，同時忽略其形變，此時可設(shè)定閾值k為7當(dāng)h值大于1.25米時，垃圾下落沖擊力對閥門影響比垃圾靜壓力顯著。閥門上方最多可同時容納七包垃圾，則閥門所受總壓力最大值為169.31 N。在選擇氣動閥門時，需要注意相關(guān)參數(shù)確保能夠正常運行。[9]

3 數(shù)值模擬分析

設(shè)定高層住宅為三十層，去除一天之中凌晨0點至6點(此時間段Q(n)幾乎無增量)，每隔一小時輸入隨機變量Q(n)值，比較分析系統(tǒng)在三種控制策略方案下系統(tǒng)的運行次數(shù)與閥門的開啟次數(shù)與Q(n)的關(guān)系。由于Q(n)值在實際系統(tǒng)運行情況下有很大波動，因此在數(shù)值模擬過程中，將其變化范圍限定在合理區(qū)間內(nèi)，并將變化上限分情況模擬，以保證得到的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和結(jié)果具有可信度。

圖7為單層循環(huán)控制策略數(shù)值模擬仿真結(jié)果，Q(n)上限值取3,k值取6，僅列出三條代表性曲線表示排空后各層垃圾的堆積情況。仿真時出現(xiàn)多層垃圾同時已滿的情況，只需考慮垃圾已滿的最高層層數(shù)進行排空，這是三種方案均具備的優(yōu)勢。層數(shù)較低的樓層垃圾累積較少，且系統(tǒng)排空基本由高層決定。系統(tǒng)運行次數(shù)在合理范圍內(nèi)，閥門開啟次數(shù)與理論計算基本吻合。

圖7 單層循環(huán)控制策略仿真結(jié)果(Q(n)值最大為3)

圖8 單層循環(huán)控制策略仿真結(jié)果(Q(n)值最大為6)

將Q(n)最大值調(diào)整為6，其它參數(shù)均不變，做上述控制策略數(shù)值模擬仿真實驗，結(jié)果如圖8所示，由于Q(n)值上限增大，投入系統(tǒng)的垃圾量有很大的增長，則樓層數(shù)較低的(左圖中為第10層)臨時存儲區(qū)域在系統(tǒng)排空后垃圾余量基本一直維持在0的水平，觸發(fā)系統(tǒng)排空條件的n值基本在高層樓層數(shù)中選擇，系統(tǒng)運行與閥門開啟次數(shù)有較大增長。

采用雙層循環(huán)式控制策略，系統(tǒng)k值不得過大，取為最大值3，系統(tǒng)排空次數(shù)明顯增多。設(shè)定Q(n)值上限為3，得到圖9數(shù)值模擬仿真結(jié)果，對比圖7中相同垃圾量的情況下，系統(tǒng)的運行總次數(shù)與閥門開啟次數(shù)都有較大增長，控制品質(zhì)降低，整體控制邏輯的步驟與過程比單層循環(huán)式排空策略復(fù)雜，但并沒有得到更好的系統(tǒng)控制效果，該方案劣于單層循環(huán)式控制策略，在實際設(shè)計應(yīng)用過程中舍棄該方案。因此，在相同的閥門單元劃分方案中，選取單層循環(huán)式控制策略為基本控制模式，是合理的。

圖9 雙層循環(huán)控制策略仿真結(jié)果

采用三層單元式控制策略，可以減少系統(tǒng)所有氣動閥門與傳感器使用量的三分之二，且其閾值系數(shù)k可以取單層上限值7，如圖10，其Q(n)值上限取為3，對比單層循環(huán)式控制策略，系統(tǒng)運行次數(shù)略有提升，但閥門開啟次數(shù)顯著降低，排空后系統(tǒng)剩余垃圾量較少，若實際使用時選用的氣動閥門性能能夠滿足，該策略為三種方案中的首選。

若采用五層單元式的控制策略，可以進一步降低系統(tǒng)在排空過程中的閥門開啟次數(shù)，但此時垃圾對閥門作用的沖擊力可達190 N以上，且k值設(shè)定不得超過1，這在實際應(yīng)用過程中是極度不合理的，因此在當(dāng)前實際應(yīng)用與仿真分析條件下，三層單元式控制策略為最優(yōu)的控制解決方案。

圖10 三層單元式排空策略仿真結(jié)果

在數(shù)值模擬仿真的過程中，Q(n)值以小時為節(jié)點進行模擬輸入，但在系統(tǒng)實際應(yīng)用過程中，垃圾投放入系統(tǒng)的時刻是難以把握衡量的，這與數(shù)值模擬仿真過程并不矛盾。在仿真過程中，將時間軸進行細化，達到分、秒的級別，并將垃圾輸入隨機量進行相應(yīng)調(diào)節(jié)，得到的實驗結(jié)果將更加準(zhǔn)確，與本文中的數(shù)值模擬仿真結(jié)果趨于一致，從側(cè)面證明了設(shè)計方案的合理性。

4 小結(jié)

本文以氣動垃圾回收系統(tǒng)為背景，詳細研究了氣動閥門在系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出三種控制策略并以減少系統(tǒng)運行和閥門開啟次數(shù)為目標(biāo)進行了分析比較，以數(shù)值模擬的形式直觀展現(xiàn)了三種方案的優(yōu)劣性，最終確定了三層單元式控制策略為最佳方案，為氣動垃圾回收系統(tǒng)閥門控制提供了新的思路與借鑒。