【摘要】對混凝土攪拌站生產(chǎn)混凝土過程進行建模，并影響配料誤差的原因進行分析。介紹了國內(nèi)目前主要的混凝土攪拌站配料誤差補償方式，分析了連續(xù)可調(diào)情況和不連續(xù)可調(diào)情況的系統(tǒng)誤差。
　　關(guān)鍵詞：攪拌站；數(shù)學(xué)模型；系統(tǒng)誤差；PID算法
　　1引言
　　混凝土攪拌站是用來集中攪拌混凝土的聯(lián)合機械裝置，也稱混凝土工廠。它具有機械化和自動化程度高、生產(chǎn)率高的特點，常用于混凝土工程量大、施工周期長、施工地點集中的大中型工程。混凝土攪拌站控制系統(tǒng)是控制混凝土攪拌站上料、計量、攪拌和卸料等混凝土生產(chǎn)的整個過程，對混凝土質(zhì)量的影響極大。而混凝土質(zhì)量直接關(guān)系到工程的質(zhì)量，所以使用一個完整、安全和可靠的混凝土攪拌站控制系統(tǒng)對生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的混凝土是至關(guān)重要的。
　　某施工企業(yè)的HZS90型攪拌站控制系統(tǒng)經(jīng)改造，改造的HZS90型攪拌站控制系統(tǒng)多半使用原始傳統(tǒng)模式單片機控制系統(tǒng)，實際工程中，這種單片機控制系統(tǒng)故障率很高，另外此攪拌站控制系統(tǒng)中配料誤差控制基本采用PID和經(jīng)驗相結(jié)合補償?shù)姆绞剑�這種方式雖簡單方便，但精度不高，誤差大，嚴重的制約混凝土的質(zhì)量，以致制約工程質(zhì)量。這也是這種控制系統(tǒng)致命的缺點，從而也很大程度的限制和影響了混凝土攪拌站自動控制系統(tǒng)的發(fā)展。所以設(shè)計高速、高效、精確、性能穩(wěn)定的和智能的混凝土攪拌站控制系統(tǒng)是勢在必行。
　　2攪拌站生產(chǎn)混凝土過程的數(shù)學(xué)模型
　　混凝土攪拌站生產(chǎn)混凝土的過程，實質(zhì)上是一個配料和攪拌的過程，稱重儀稱出骨料、沙子和水泥的重量，并將稱重信息傳遞給控制器，控制器根據(jù)傳遞過來的信息，判斷是否到達重量要求。如果達到要求，控制器發(fā)出命令，停止稱量，關(guān)閉骨料、沙子和水泥的斜料門，確認物料卸料門關(guān)閉之后，開啟秤斗的斜料門，將物料全部送入儲料罐。再確認攪拌罐的混凝土全部斜出和攪拌罐卸料門，再將儲料罐料送入攪拌罐，同時開啟水閥，并開始計量，當(dāng)達到所需的重量，關(guān)閉水閥，并攪拌。通過分析可以看出生產(chǎn)混凝土的關(guān)鍵過程是配料控制過程，本文將對此過程進行建模分析。
　　在攪拌站配料控制過程的數(shù)學(xué)建模中，可以運用機理法建模。根據(jù)配料生產(chǎn)過程的機理，建立動態(tài)稱量過程的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，提出配料控制算法，有助于提高物料的稱量精度。
　　料斗秤由秤體、稱重傳感器和稱重顯示控制器組成。其中，作為稱量裝置的秤體由貯料斗料倉、稱量料斗秤斗和給料裝置組成。如圖1所示，設(shè)料倉給料門的截面積為S，從給料門到卸料門之間的垂直空間距離為H0，當(dāng)料倉給料門打開后，物料從料倉門下落到秤斗，這是自由落體運動。隨著秤斗內(nèi)物料的增加和向上堆積，物料料面不斷抬高。設(shè)給料門在時刻開門，在心時刻關(guān)門，開門后在時刻物料落到計量斗，關(guān)門后在時刻空中余料全部落入計量斗
　　
　　圖1稱量過程給料門動作時序圖
　　2.1攪拌站配料控制過程的數(shù)學(xué)模型建立
　　考察秤斗內(nèi)物料重量的增加，在，時間段內(nèi)有：
　　（式1）
　　其中:是計量斗內(nèi)的實際物料重量(kg),是物料在空中的密度(kg/m3),，是物料下落到計量斗內(nèi)料面的瞬間速度(m/s)，如圖2是稱重過程示意圖。
　　
　　圖2稱量過程示意圖
　　物料落入秤斗，會不斷向上堆積，秤斗內(nèi)的物料高度不斷上升，設(shè)秤斗內(nèi)堆積的物料實際高度為，單位為米，它與實際物料重量成正比，則有：
　　（式2）
　　記為從給料門到秤斗內(nèi)物料料面的距離，如圖2所示，可以得到
　　（式3）
　　式3中，為從給料門到秤斗底部的距離高度。
　　根據(jù)自由落體原理，物料從給料門落到秤斗，經(jīng)過距離為，到達秤斗時的瞬間速率為：
　　（式4）
　　從而可以得到數(shù)學(xué)模型如下：
　　（式5）
　　經(jīng)計算可以得到
　　（式6）
　　2.2攪拌站配料過程數(shù)學(xué)模型分析
　　通過對混凝土攪拌站稱量配料過程的數(shù)學(xué)算式的推導(dǎo)，可以看出，實際重量是系統(tǒng)固有特性參數(shù)和時間t的函數(shù)。這里時間t為從物料開始落到秤斗時起，一直到空中余料完全落到秤斗內(nèi)時為止這個過程的時間。
　　系統(tǒng)固有特性參數(shù)有,S和K等，可以通過測量得到，其中參數(shù)K是物料本身的密度特性有關(guān)系。由得，物料密度越大，K越小。然而物料在空中的比重，則難以確定，因為其受多種因素的影響，主要是物料的密度、下降的高度H、下降的面積S以及空氣阻力等，而且還是一個變量，在配料過程中還有可能發(fā)生變化。但是最終的配料重量值卻直接受參數(shù)的影響，如果參數(shù)，無法預(yù)先準(zhǔn)確確定，最終的配料結(jié)果就難以確定或是與實際配料結(jié)果大相徑庭。
　　3攪拌站配料誤差分析及PID算法
　　在混凝土配料過程中，實際上是很難通過進行精確的建模分析的，下落過程中的質(zhì)量除了受固有特性參數(shù),S和K的影響，還有很多一些無法確定的因素影響。就是因為這些不確定因素的影響，引起了混凝土生產(chǎn)過程中配料的誤差補償?shù)睦щy，從而帶給系統(tǒng)更大的配料誤差。下面就攪拌站配料誤差原因和機理結(jié)合實際工程中的PID在配料誤差補償方面進行分析。
　　3.1攪拌站配料誤差分析
　　生產(chǎn)混凝土的稱量配料過程中，各個物料由于重量信號隨時間而變化，全過程是在一個動態(tài)的情況下完成稱重的，因此是一個動態(tài)稱重過程。在動態(tài)稱量配料的關(guān)鍵問題中，首先是準(zhǔn)確，第二個要求是快速。實際稱量配料過程中，快速和準(zhǔn)確是一對矛盾。一般攪拌站配料系統(tǒng)對稱量配料過程的生產(chǎn)率都有規(guī)定，所以在給定的生產(chǎn)率前提下，即稱量配料時間周期一定的情況下，同時要使攪拌站配料精度達到要求。
　　造成混凝土攪拌站稱量配料誤差的原因是多方面的，主要有如下因素:
　　（1）攪拌站配料控制過程產(chǎn)生的落差及由物料流不穩(wěn)定引起的落差隨機變化，稱重機構(gòu)關(guān)閉的時候，空中余料，造成測量值小于實際值;
　　（2）物料下落的沖擊力引起骨料和沙子等讀數(shù)的誤差，造成測量值小于實際重量值;
　　（3）氣缸的壓力波動，造成給料裝置的動作滯后，造成實際值大于測量值;
　　（4）控制器采樣引起的誤差，采樣速率偏慢以致采樣不連續(xù)，造成系統(tǒng)的誤差;
　　（5）骨料和沙子(特別是沙子)因天氣氣候不同，中含有水分，引起配料的誤差等。
　　混凝土攪拌站是用來集中攪拌混凝土的聯(lián)合機械裝置，在每次攪拌過程中，攪拌量都比較大，這些原因都是很重要的原因，其中最重要的誤差原因是落差和下落的沖擊力引起讀數(shù)的誤差。
　　3.2PID算法
　　混凝土攪拌站控制系統(tǒng)是把各種物料(多種規(guī)格的石子、砂、水泥、粉煤灰、添加劑和水)按所配方控制計量，然后送入攪拌罐攪拌成混凝土，其單個物料配料系統(tǒng)。如圖3所示:在一切條件就緒的情況下，控制器檢測計量稱斗和進料機構(gòu)是空的之后，啟動物料倉卸料裝置，物料進入進料機構(gòu)，通過計量稱斗，在計量稱斗的稱重傳感器把所測的數(shù)據(jù)傳入控制器，控制器根據(jù)傳入的數(shù)據(jù)進行判斷和控制，當(dāng)達到所需的重量，控制器立刻關(guān)閉進料機構(gòu)和計量稱斗，當(dāng)所有的物料稱量好之后，控制器通過出料機構(gòu)，送入攪拌罐，等待攪拌。
　　稱重控制器一般是以單片機為核心的測控儀表，計算和存儲能力相對計算機較弱，其主要任務(wù)是采樣、通訊、控制和顯示。落差修正的主要目的是為了減小系統(tǒng)的配料誤差，如果機電系統(tǒng)是穩(wěn)定的，料的性質(zhì)也是穩(wěn)定的，而且系統(tǒng)不受干擾。而實際進行落差修正時，為了消除這些一般干擾，往往采用逐次修正法。當(dāng)然為了消除偶然性，必須采用設(shè)限法。
　　
　　圖3單個配料系統(tǒng)
　　其中，表示第x種物料進料機構(gòu)開度控制值，K表示在k時刻，設(shè)在0至100連續(xù)可調(diào)。
　　表示第x種物料第y秤預(yù)期重量
　　表示第x種物料第y秤稱斗傳感器反饋值
　　表示第x種物料第y秤輸出值
　　表示第x種物料第y秤配料前皮重值
　　（1）連續(xù)可調(diào)情況
　　則，代表第x種物料第y秤配料誤差。當(dāng)?shù)趚種物料第y秤開始配料時，先測得，則表示動態(tài)配料誤差。顯然是關(guān)進料機構(gòu)以后計量稱斗穩(wěn)定時的值。可按增量PID計算：
　　當(dāng)時：
　　（式7）
　　當(dāng)時：
　　
　　在PID參數(shù)一般應(yīng)整定在輸出值到基本上無超調(diào)，但這樣配料速度相對比較慢。為此，對式1進行改進，其基本思想是誤差大時減小積分系數(shù)，以提高控制速度，使盡量減小到，修正后的為：
　　當(dāng)時：
　　（式8）
　　
　　其中為經(jīng)驗設(shè)定值。
　　是0至100%連續(xù)可調(diào)的，具體0-100%調(diào)節(jié)控制是通過軟件程序控制具體相關(guān)的電磁閥開關(guān)的開關(guān)度來實現(xiàn)。
　　但這種方法中，首先假定中0至100%連續(xù)可調(diào)，對于添加劑(液體)之類液體物料是可行的，但對于石料之類固體塊狀物料，當(dāng)進料機構(gòu)開度較小時，它們有可能被卡住不能進入計量秤斗，這樣的情況下，對于連續(xù)可調(diào)是沒有很大實際意義的。
　　（2）不連續(xù)可調(diào)情況
　　對于石料之類固體塊狀物料，不是在0-100%連續(xù)可調(diào)，由于不不是在0-100%連續(xù)可調(diào)，采用粗、中、精配料方式(即有三個進料門)分別由20%,30%,50%三個出料開度的門，它通過控制器相應(yīng)端口來控制，故共可有0,20%,30%,50%,70%,80%,100%等多種開度的組合，從可行性和實用性考慮，我們通常采用下列四種組合形式：
　　（式9）
　　這樣的系統(tǒng)中，由于關(guān)門時進料機構(gòu)開度比較大，關(guān)后還有一些物料要落入計量稱斗上，這部分物料重量往往稱之為落差。考慮的落差，控制算法可采
　　用:—第x種物料第y秤預(yù)期落差
　　—關(guān)第x種物料第y秤進料機構(gòu)時計量秤斗反饋值。
　　（式10）
　　其中為經(jīng)驗設(shè)定值。
　　對于這樣的系統(tǒng)，由于不是連續(xù)變化，落差對系統(tǒng)的配料精度至關(guān)重要。影響落差的因素很多，例如，當(dāng)物料倉所儲物料比較滿時，由于自身重力的影響落料速度顯然比較快，此時落差就比較大反之，則落差比較小。因此就必須對落差進行預(yù)測。
　　據(jù)系統(tǒng)有：
　　其中，為白噪聲系列：
　　取性能指標(biāo)：（式11）
　　由于與、相互獨立，；
　　故（式12）
　　要使J取得最小值，
　　則：（式13）
　　所以：（式14）
　　考慮到前面測量的影響，取
　　（式15）
　　其中
　　4結(jié)論
　　針對HZS90型混凝土攪拌站單片機控制系統(tǒng)配料精度不高、智能化程度低等原因。首先對混凝土攪拌站生產(chǎn)混凝土過程進行建模，并影響配料誤差的原因進行分析。然后介紹了國內(nèi)目前主要的混凝土攪拌站配料誤差補償方式，在連續(xù)可調(diào)情況時，使用的是PID算法，PID算法雖然簡單，但物料性質(zhì)等發(fā)生變化PID參數(shù)難以調(diào)整，實際工程應(yīng)用起來難以達到理想的效果。在不連續(xù)可調(diào)情況時，系統(tǒng)配料誤差補償過程多次使用的是經(jīng)驗總結(jié)經(jīng)驗值結(jié)果，所以在實際工程中優(yōu)化的結(jié)合也不是很穩(wěn)定。針對傳統(tǒng)的配料控制的不足，根據(jù)相關(guān)研究成果科研使用BP算法與遺傳算法相結(jié)合的對混凝土攪拌站配料誤差進行補償。
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