鄭明航 彭來湖 史偉民

摘 ?要：針對現(xiàn)有針織圓機[1]加油裝置無法精準控制和計算噴油量，基于ARM平臺設計了一種精準高效的針織圓機噴油系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)的功能包括信號采集、信號處理、人機交互和控制輸出。針對機械振動導致的油位波動問題，通過最小二乘法[2]求出兩個小時內(nèi)油位數(shù)據(jù)的擬合曲線，得到當前油位的預估值。人機交互[3]設計包括油耗顯示、氣壓顯示、報警輸出、系統(tǒng)參數(shù)錄入等。通過測試對比，系統(tǒng)能夠精確控制噴油時間，準確顯示油耗信息，及時對異常情況報警，具有較高的準確性和穩(wěn)定性。

關鍵詞：加油機;最小二乘法;人機交互技術

中圖分類號：TP311 ? ? 文獻標識碼：A

Research on Fuel Consumption Calculation of Refueling

Tanker based on Linear Regression Equation

ZHENG Minghang1， PENG Laihu1，2， SHI Weimin1

（1.Key Laboratory of Modern Textile Equipment Technology， Zhejiang Sci-tech University， Hangzhou 310018， China;

2.Hangzhou Xuren Automation Limited Company， Hangzhou 310018， China）

zheng_m_h6@163.com; 43233212@qq.com; swm@zstu.edu.cn

Abstract： Aiming at the inaccurate control and calculation of fuel injection volume of the existing circular knitting machine[1] refueling device， this paper proposes to design a precise and efficient circular knitting machine oil injection system based on ARM （Advanced RISC Machine） platform. Functions of the system include signal acquisition， signal processing， human-computer interaction and control output. With regard to the problem of oil level fluctuation caused by mechanical vibration， the fitting curve of oil level data within two hours is obtained by using the least square method[2]， and thus the estimated value of the current oil level is obtained. Human-computer interaction[3] design includes fuel consumption display， air pressure display， alarm output， system parameter input and so on. Through comparison test， the proposed system can accurately control fuel injection time， precisely display fuel consumption information， and timely alarm for abnormal situations. The system has high accuracy and stability.

Keywords： refueling tanker; least square method; human-computer interaction techniques

1 ? 引言（Introduction）

針織圓機在高速運轉(zhuǎn)過程中，織針與三角、針筒中間存在滑動摩擦，需要通過加油裝置添加潤滑油。在現(xiàn)有設備中，潤滑油的添加量無法得到精確控制，加油過多時不僅造成資源浪費，而且容易沾到布匹上，形成油斑;加油過少則會導致機械部件磨損，減少使用壽命。除此之外，設備在運行時產(chǎn)生的機械振動，使油位傳感器檢測的油位數(shù)據(jù)呈波動變化，會影響后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，降低系統(tǒng)的準確性。

針對當前加油設備的不足，本文設計了一種精準高效的針織圓機噴油系統(tǒng)。操作人員可以通過人機界面查看當前油位值和氣壓值;可以通過薄膜鍵盤設置氣閥開閉時間，控制噴油量。使用最小二乘法對傳感器采集的油位數(shù)據(jù)進行線性擬合，參考汽車油耗表的設計[4]，根據(jù)擬合的油位數(shù)據(jù)，計算并顯示瞬時油耗、累計油耗和剩余時間，以便操作人員記錄油耗和停機加油。系統(tǒng)以ARM微處理器為核心，能夠獨立運行，具有較高的實時性和穩(wěn)定性。

2 ? 總體設計概述（An overview of overall design）

加油機油箱在壓力的作用下將油滴吹入霧化裝置中，經(jīng)管道噴淋在針織圓機上。油箱內(nèi)裝有由浮子和電阻式導軌組成的液位傳感器，兩個壓力傳感器分別檢測油箱內(nèi)氣壓和吹氣閥氣壓，傳感器安裝好之后，需要校準測試，并將校準值輸入設置界面中保存。系統(tǒng)上電后，當檢測到針織圓機的啟動信號后開始工作，通過繼電器控制電磁閥和氣閥按照設置的時間開閉，界面上定時刷新當前油位值和氣壓值，當油位或氣壓異常時，界面上彈出報警框并控制針織圓機停機。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

針對機械振動引起的數(shù)據(jù)波動問題，采用冒泡法對原始采樣數(shù)據(jù)進行濾波處理，采用最小二乘法對濾波后的數(shù)據(jù)進行線性擬合，并根據(jù)擬合結果計算油耗信息。

3 ? 數(shù)據(jù)擬合算法設計（Data fitting method design）

3.1 ? 數(shù)據(jù)擬合

理想狀態(tài)下，加油機內(nèi)的油位是持續(xù)下降的，但由于機器啟動后會產(chǎn)生振動，導致油位波動變化，從而使ADC采樣的數(shù)據(jù)有隨機誤差。經(jīng)測試，在短時間內(nèi)，波動產(chǎn)生的誤差大于加油機正常工作時的油耗量。針對這一問題，提出了一種數(shù)據(jù)擬合的方法[5]，即在加油機啟動后的前120 分鐘內(nèi)，每分鐘記錄一次油位采樣值，根據(jù)這120 個數(shù)據(jù)建立線性回歸模型，得出一條擬合直線，并根據(jù)直線方程計算當前的油位擬合值。將這120 個數(shù)據(jù)存入循環(huán)隊列中，每分鐘更新一次采樣值，并計算油位擬合值。該直線方程根據(jù)最小二乘法求出，具體推導過程如下。

設為采樣時間，為對應的采樣值（其中）;設該直線方程為：為油位擬合值，表示采樣值與回歸直線擬合值的離差，這個值越小表示擬合的直線越準確，用離差的平方和作為總離差Q，即：

當Q的值最小時，得到的擬合直線最準確，這種方法稱為最小二乘法[6]。通過公式計算a和b的值即可求得直線方程，a、b的計算公式為：

其中，、為和的均值。根據(jù)直線方程計算第120分鐘的擬合值，該擬合值作為計算油耗的原始數(shù)據(jù)。

3.2 ? 油耗計算

當獲得油位數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)進行存儲和計算。本設計使用累計油耗、瞬時油耗和剩余時間這三個變量來衡量油耗信息。累計油耗是指從系統(tǒng)開機到當前時刻累計使用的油量;瞬時油耗是指每小時產(chǎn)生的油耗，反映了油耗速度;剩余時間是指按照當前油耗速度把剩余油量用盡的時間。設系統(tǒng)開機運行時的油位值為x1，當前油位擬合值為x2，剩余油量為M（單位mL），油箱容量為V（單位mL），4096×（Base_H-Base_L）

表示油箱容積的數(shù)字量（其中4096是ADC的最大分辨值，Base_H、Base_L表示校準值），累計油耗為Val（單位mL），瞬時油耗為S（單位mL/h），剩余時間為H（單位h），則有如下等式成立：

當計算得到油耗信息后，會在界面上顯示，刷新頻率為一分鐘。

4 ? 軟件開發(fā)（Software development）

4.1 ? 數(shù)據(jù)采樣程序

由于加油機上的處理器自帶12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因此無須額外電路。系統(tǒng)初始化后，使用多個通道同時采樣，每個通道每采集80 個數(shù)據(jù)即做一次數(shù)據(jù)處理，按照冒泡法將80 個數(shù)據(jù)從小到大排序，去除首尾兩端各10 個數(shù)據(jù)，剩下的數(shù)據(jù)求平均數(shù)，得出的平均數(shù)作為實際計算值。這種軟件濾波的方法可以提高采樣數(shù)據(jù)的精準度，能夠有效提高數(shù)據(jù)的準確性，保證了后續(xù)的油位顯示和油耗計算，同時也兼顧了系統(tǒng)的快速性。

4.2 ? 報警反饋程序

加油機在運行時需要實時檢測傳感器狀態(tài)，保證系統(tǒng)工作在正常狀態(tài)下。系統(tǒng)上電后，首先檢測油位是否處于正常區(qū)間，若不正常，則界面彈出油位報警彈框。當按下啟動鍵后，氣閥打開，油箱內(nèi)氣壓升高，延時10 秒后，待氣壓穩(wěn)定，開始檢測氣壓是否處在正常區(qū)間，若不正常，則界面彈出氣壓報警彈框。油位報警和壓力報警均分為預警級和故障級兩個級別，預警級是警告工作人員要注意當前狀態(tài)，但不會自主干涉加油機或者大圓機的運行，具有預警作用;故障級表示系統(tǒng)當前可能處于故障狀態(tài)，會使加油機自動停機，并向大圓機發(fā)出故障報警，由工作人員作出相應處理。報警反饋程序的流程圖如圖2和圖3所示，其中圖2為油位報警流程圖，圖3為氣壓報警流程圖。

5 ? 測試驗證（Test validation）

5.1 ? 線性擬合測試

為了驗證數(shù)據(jù)擬合算法的準確性，編寫了測試用例，使加油機在運行時，通過串口將當前的油位數(shù)據(jù)打印輸出在上位機上;截取了連續(xù)120 個數(shù)據(jù)，以時間為橫坐標、油位采樣值為縱坐標，繪制油位數(shù)據(jù)離散圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，雖然在短時間內(nèi)油位數(shù)據(jù)的變化沒有規(guī)律，但兩個小時內(nèi)油位數(shù)據(jù)呈明顯的下降趨勢。通過Matlab提供的cftool工具箱[7]，使用最小二乘法，對這些離散數(shù)據(jù)進行直線擬合[8]，得到的擬合直線如圖5所示。直線方程的斜率和截距如圖6中的p1和p2所示。

在測試過程中，用儀表實時檢測油箱的重量，可以測算到油量的變化速度，將該速度與擬合直線的斜率相比較，經(jīng)過多次測試，兩者誤差在10%以內(nèi)，滿足實際生產(chǎn)要求。

5.2 ? 故障報警測試

為了避免故障發(fā)生時工作人員不能及時解決，設計了故障預警和故障報警兩種機制。當油位或氣壓達到預警值時，人機界面上彈出故障預警彈框，提醒工作人員當前油位或氣壓可能會發(fā)生故障，但不干涉機器的運行。當油位或氣壓超過警戒值時，人機界面上彈出故障報警彈框，警告工作人員已經(jīng)發(fā)生故障，同時控制加油機停機以及向大圓機發(fā)送報警信號。在預警值與報警值邊界處設置了緩沖區(qū)間，防止誤觸發(fā)的發(fā)生。通過手動調(diào)節(jié)傳感器，讓油位和氣壓處于不同的區(qū)間，界面彈窗的測試結果如圖7所示。經(jīng)過測試，在不同情況下，界面彈窗能夠準確快速地切換。

6 ? 結論（Conclusion）

針對當前市場上加油機存在的問題，基于ARM控制器，結合線性擬合算法和嵌入式控制技術，設計了一種新型加油機系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時顯示當前油位和油耗信息，幫助使用者直觀地了解機器狀態(tài);通過鍵盤輸入可以調(diào)節(jié)噴油時間，控制噴油速度;在故障發(fā)生時能及時停機并報警，保證機器安全運行。

測試結果表明，本設計提高了加油機油耗計算的準確性以及噴油控制的穩(wěn)定性，人機交互的設計方便了工作人員的使用，在加油機領域具有廣闊的應用前景。目前，本設計已經(jīng)在蘇州某公司得到應用。本文著重研究了機械振動引起的油位波動對系統(tǒng)的影響及應對措施，而如何減小或消除機械振動的影響是后續(xù)需要深入研究的內(nèi)容。

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作者簡介：

鄭明航（1996-），男，碩士生.研究領域：智能檢測與應用.

彭來湖（1980-），男，博士，副教授.研究領域：智能裝備與嵌入式控制技術，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信.

史偉民（1965-），男，博士，教授.研究領域：紡織機械自動控制，輕工機械.