陳中孝，李雷，張曉斌

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西西安710032）

目前，國內(nèi)大部分防水卷材生產(chǎn)企業(yè)是采用人工方法測量卷材的厚度，即利用手持式測厚儀來進(jìn)行測量。由于卷材表面的柔韌性和操作人員的主觀性，人工測量時(shí)容易帶進(jìn)誤差。同時(shí)，以此測量結(jié)果為參考，人工調(diào)節(jié)生產(chǎn)線上所期望的卷材厚度時(shí)，就可能已經(jīng)生產(chǎn)出了一部分不合格產(chǎn)品，造成了生產(chǎn)材料的浪費(fèi)。這種人工操作的方法不但耗費(fèi)人力、精度不高，厚度的真實(shí)性誤差大，而且調(diào)節(jié)的滯后性也很大。所以設(shè)計(jì)了一種基于ARM7的防水卷材厚度測控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)卷材厚度在線測量和實(shí)時(shí)控制，提高了防水卷材的生產(chǎn)自動化水平和產(chǎn)品質(zhì)量。見紅色激光發(fā)射向被測物體表面，經(jīng)物體反射的激光經(jīng)過接收鏡頭，被內(nèi)部的線陣CCD接收，根據(jù)一定的算法計(jì)算出傳感器與被測物體之間的距離[1]。

在卷材的兩面各安裝了一個相同的CCD激光位移傳感器LK-031，傳感器會在步進(jìn)電機(jī)的控制下沿著工作臺上的兩根導(dǎo)軌移動，使用時(shí)要求兩個傳感器要嚴(yán)格地同軸同步。同軸是指在防水卷材兩側(cè)的位置上要對齊，同步是指在兩個傳感器要同時(shí)開始測量，這樣才能測得同一點(diǎn)的厚度。厚度測量原理如圖1所示。

1 卷材厚度的測控原理

1.1 厚度的測量原理

卷材是將玻璃纖維氈布在熔融的改性瀝青中浸漬后經(jīng)冷卻軋平而生成的。卷材的厚度在生產(chǎn)過程中是不斷變化的，要能夠精確地測出其實(shí)時(shí)的厚度，是控制防水卷材厚度的前提和關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)卷材厚度的精確測量，系統(tǒng)選用CCD激光位移傳感器來進(jìn)行測量。激光發(fā)射器通過鏡頭將可

圖1 厚度測量原理Fig.1 Theory of thickness measurement

物體受到熱脹冷縮的作用，測量裝置和被測量的卷材都會受影響。由于測量裝置暴露在不同環(huán)境溫度下，工作臺上導(dǎo)軌之間的距離也會隨著溫度不同而變化，進(jìn)而影響到兩個傳感器之間的距離D，在高精度測量中，這種微小的變化不能忽視。因此在卷材寬度方向，即傳感器導(dǎo)軌方向上增加了一塊厚度為d的高精度的標(biāo)定塊。每次往復(fù)測量時(shí)，先測量兩個傳感器到標(biāo)定塊的距離，即d1和d2，則傳感器之間的距離D=d1+d2+d。這樣就消除了由于溫度變化而引起的D值誤差，從而基本上消除了測量裝置因溫度變化而引起的誤差。

卷材是基帶在高溫的改性瀝青中浸潤后，經(jīng)風(fēng)冷壓制而成的，受熱脹冷縮影響較大。采用“標(biāo)準(zhǔn)試樣”測試法，將卷材標(biāo)準(zhǔn)樣品放在加熱爐內(nèi)，加熱至40℃并保溫15 min，然后取出來測其厚度，每低4℃記錄一次數(shù)據(jù)，就可以得到不同溫度下標(biāo)準(zhǔn)試樣卷材的厚度。當(dāng)生產(chǎn)車間溫度恒定時(shí)，就可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試樣的結(jié)果求得溫度補(bǔ)償參數(shù)。

根據(jù)LK-031的測量原理，上面的傳感器可以測定到卷材上表面的位移為d3，下面的傳感器可以測定到卷材下表面的位移為d4，那么可以測得此處卷材的厚度為y1=D-（d3+d4）。當(dāng)卷材在生產(chǎn)過程中受到外力干擾上下振動時(shí)，卷材厚度y1的計(jì)算方法仍然適用。這種測量方式，不僅實(shí)現(xiàn)了動態(tài)高速的實(shí)時(shí)測量，而且能夠避免因卷材上下振動帶來的誤差。

采用上述方式，沿卷材寬度方向測量5點(diǎn)，距卷材邊緣150±15 mm向內(nèi)各取一點(diǎn)，在這兩點(diǎn)中間均勻取其余3點(diǎn)。如果是砂面卷材，必須清除浮砂后在進(jìn)行測量。計(jì)算5點(diǎn)的平均值即為該卷材的厚度Y。

1.2 卷材厚度的控制原理

卷材的厚度是由生產(chǎn)過程中的涂油和壓延兩道工序決定的，其最終厚度是由上壓延輥和下壓延輥的間隙決定的。壓延間隙調(diào)整裝置如圖2所示。下壓延輥B為托料輥，輥可繞中心軸滾動，以減少卷材基帶的阻力，使其能夠順利通過壓延輥間隙。上壓延輥A位于動輥斜上方，可沿支撐板上的直線滑槽上下滑動，其上下滑動量表征為卷材厚度變化量。

圖2 厚度控制原理Fig.2 Theory of thickness control

由圖2可知，刮輥間隙Y可以表示為：

式中：x為上壓延輥軸心到滑槽下至點(diǎn)的距離（mm）；R為下壓延輥半徑（mm）；r為上壓延輥半徑（mm）；d為上壓延輥在下至點(diǎn)時(shí)兩輥間隙（mm）；Y即為卷材厚度值。當(dāng)厚度的測量值與期望值有偏差時(shí)，根據(jù)一定的算法控制步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而調(diào)節(jié)刮輥間隙的大小，達(dá)到控制卷材厚度的目的。

1.3 步進(jìn)電機(jī)控制原理

系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的控制算法是核心。PID在控制非線性、時(shí)變及參數(shù)不確定的復(fù)雜過程時(shí)，控制的可靠性不高、性能欠佳。模糊控制是建立在模糊集合理論基礎(chǔ)上的一種基于語言規(guī)則與模糊推理的控制理論，對系統(tǒng)參數(shù)的變化不敏感，具有較強(qiáng)的魯棒性。因此把這兩種控制理論相結(jié)合，采用模糊PID控制來控制步進(jìn)電機(jī)。

模糊PID控制原理圖如圖3所示，其中Kp為比例增益，Ki為積分增益，Kd為微分增益，模糊PID控制器以偏差e和偏差變化率ec作為輸入量。根據(jù)模糊控制規(guī)則在線對PID的3個參數(shù)進(jìn)行修改，這樣便構(gòu)成了模糊PID控制器[2]。

圖3 模糊PID控制原理Fig.3 Schematic of Fuzzy PID control

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)采用高性能的ARM7系列的STM32F103x4/6作為系統(tǒng)控制核心[3]，以便滿足測量、控制、鍵盤、顯示及溫度等數(shù)據(jù)處理的要求。鍵盤可以設(shè)定厚度期望值，每次啟動生產(chǎn)機(jī)器時(shí)，要先選擇卷材的厚度期望值。采用一個步進(jìn)電機(jī)控制上壓延輥的滑動，以便控制卷材的厚度。采用KEYENCE公司LK系列高精度CCD激光位移傳感器LK-031。步進(jìn)電機(jī)I和II分別控制CCD在卷材兩側(cè)的移動，步進(jìn)電機(jī)III和IV分別控制上壓延輥A的兩端；顯示器可以顯示厚度期望值、實(shí)測值、溫度等。蜂鳴器作為報(bào)警裝置。系統(tǒng)的核心部分硬件設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)核心電路框圖Fig.4 Block diagram of system main structure

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

以模糊控制器的算法和PID控制算法為主，結(jié)合系統(tǒng)和端口初始化處理，完成卷材厚度測控的軟件設(shè)計(jì)[4]。模糊PID參數(shù)自整定工作流程圖如圖5所示。

根據(jù)控制規(guī)則和模糊集的隸屬度函數(shù)，利用MATLAB計(jì)算工具，先構(gòu)建好模糊控制器控制表，然后通過查表，可以得到合適的Kp，Ki，Kd[5-6]。編程主要部分如下：

char inputnum[6]={-3，-2，-1，0，1，2，3}；

圖5 模糊PID參數(shù)自整定流程圖Fig.5 Flow chart of Fuzzy PID parameters self-tuning

int FuzzyControlTable[49][3]={

…//一個的模糊控制表Kp、Ki、Kd的值

}

Void main（）

{

Void getpid（int inpute，int inputde）//查表求出Kp、Ki、Kd的值

{

int Rownum，Rannum，i；

char Kp、Ki、Kd；

for（i=0；i＜=6；i++）

{

if（inputnum[i]==inpute）

Rownum=i；

if（input[i]==inputde）

Rannum=I；

}

Kp=FuzzyControlTable[Rownum*7+Rannum][0]；

Ki=FuzzyControlTable[Rownum*7+Rannum][1]；

Kd=FuzzyControlTable[Rownum*7+Rannum][2]；

}

int PIDOut（int inpute）//PID輸出

{

int e，de，e1，e2，out；

int ts=0.0005；//采樣時(shí)間

e=inpute；

ed=（e-e2）/ts；//離散PID計(jì)算e1=e1+e*ts；

out=Kp*e+Kd*de+Ki*e1；

e2=e；

return（out）；

}

}

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)在現(xiàn)場測量控制中，運(yùn)行狀況良好，通過對本系統(tǒng)測量與手工測量的數(shù)據(jù)分析比較，能實(shí)現(xiàn)高精度和實(shí)時(shí)性的目的，這說明系統(tǒng)中采用的振動、溫度補(bǔ)償措施和模糊PID控制是合理有效的。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了卷材厚度的在線實(shí)時(shí)測控，減少了生產(chǎn)損耗，提高了生產(chǎn)效率和合格率。

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