樂育生, 楊 盼, 沈祥兵*, 吳 專, 方明明
(1.湖北省地質(zhì)勘查裝備中心,湖北 武漢 430034; 2.湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院,湖北 武漢 430068)
地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室常采用光譜法來分析礦樣的成分及含量[1-2],該方法的步驟為:①將野外采集的的礦樣粉碎、研磨后混料處理;②將礦樣粉末定量稱重后按批次放入坩堝內(nèi),加入粉狀催化劑,利用振動攪拌器將混料混合均勻;③將混合均勻的礦樣粉末裝入一定結(jié)構(gòu)的石墨電極內(nèi);④對填料電極進(jìn)行光譜分析,獲取礦樣粉末的成分及含量。上述四個步驟采取相對獨(dú)立的方式操作,其中礦樣粉末定量給料工序通過人工稱重作業(yè),需要操作人員手動往復(fù)取料和給料,以確保礦樣粉末達(dá)到高精度給料要求,該辦法不僅浪費(fèi)大量時間和精力,而且人工稱重給料過程容易污染樣品,造成樣品廢料。
為提高礦樣粉末定量給料的效率和質(zhì)量,筆者團(tuán)隊(duì)與湖北工業(yè)大學(xué)研制了一款高精度自動定量給料儀控制系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)礦樣粉末定量給料流程的自動化,給料精度達(dá)±0.3 mg,可控制每次給料量為0.05 mg。
根據(jù)定量給料儀的結(jié)構(gòu)及控制要求,選用技術(shù)成熟且價格低廉的單片機(jī)、通信技術(shù)和C++語言設(shè)計(jì)了基于糢糊PID控制的礦樣粉末高精度定量給料控制系統(tǒng)。在論述該系統(tǒng)定量給料流程、軟硬件設(shè)計(jì)和給料控制方法基礎(chǔ)上,利用MATLAB/Simulink軟件搭建系統(tǒng)模型并對給料控制算法進(jìn)行仿真,驗(yàn)證該系統(tǒng)的控制效果,以期為同類礦樣粉末定量給料控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒。
定量給料儀結(jié)構(gòu)主要由給料模塊、輸送模塊、稱重模塊和控制系統(tǒng)等組成(圖1)。給料模塊由電磁伸縮開關(guān)、柱塞式給料閥、盛料倉、振動器等構(gòu)成,系統(tǒng)根據(jù)智能控制算法及稱重傳感器反饋信號對該模塊的執(zhí)行部件進(jìn)行運(yùn)動控制[3],使盛料倉內(nèi)的礦樣粉末按控制和精度要求落入正下方的坩堝中。輸送模塊由旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)、升降步進(jìn)電機(jī)、托料盤和坩堝等構(gòu)成,負(fù)責(zé)礦樣粉末的接料和輸送工作,通過升降步進(jìn)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)協(xié)調(diào)配合運(yùn)行完成[4]。稱重模塊主要由稱重傳感器、秤盤和液晶顯示屏等構(gòu)成,通過串口通信方式將實(shí)時檢測的稱重?cái)?shù)據(jù)反饋給單片機(jī)及上位機(jī)[5],使系統(tǒng)及時調(diào)整柱塞式給料閥的伸縮動作(運(yùn)動頻率和幅度),同時將運(yùn)行狀態(tài)顯示在微型PC觸摸屏上。
1.電磁伸縮開關(guān);2.柱塞式給料閥;3.盛料倉;4.升降步進(jìn)電機(jī);5.托料盤;6.坩堝;7.旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī);8.稱重傳感器;9.位置傳感器;10.系統(tǒng)控制柜圖1 定量給料儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of quantitative feeder
定量給料儀的稱重給料過程包括輸送和落料過程兩部分,其工作流程如圖2所示。輸送過程由兩個步進(jìn)電機(jī)協(xié)調(diào)配合運(yùn)行完成,通過帶動托料盤將各序號坩堝依次送達(dá)接料位置。落料過程由單片機(jī)、稱重傳感器、柱塞式給料閥組成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)完成,該系統(tǒng)采用二次給料方式并結(jié)合智能給料控制算法將礦樣粉末高效、精確地送入各序號坩堝中。
圖2 定量給料儀稱重給料工作流程圖Fig.2 Workflow of quantitative feeder weighing feeding
定量給料儀控制系統(tǒng)采用由上位機(jī)與單片機(jī)構(gòu)成的兩級控制系統(tǒng),上位機(jī)與單片機(jī)通過RS232通信接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控,其中單片機(jī)通過RS485通信接口實(shí)現(xiàn)對稱重傳感器數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)控制要求,該系統(tǒng)需具備以下功能:
(1) 能夠?qū)崿F(xiàn)手動和自動兩種操作模式,針對不同的工況,可以自由切換。自動操作模式主要用于正常給料過程,手動操作模式主要用于調(diào)試、維護(hù)和故障排除。
(2) 在光譜實(shí)驗(yàn)中,對礦樣粉末稱重給料精度要求極為苛刻(精度為±0.3 mg),因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)上述精度的控制要求。
(3) 定量給料儀發(fā)生故障時,如盛料倉空料或粉末黏結(jié)滯留導(dǎo)致無法出料等,系統(tǒng)能夠自動報警停機(jī)并在上位機(jī)顯示提示信息,便于操作人員及時查找并排除設(shè)備故障。
(4) 每輪給料循環(huán)結(jié)束后,系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)該批次坩堝至少有80%達(dá)到精度要求。
(5) 能夠?qū)崟r顯示給料閥的運(yùn)行狀態(tài)及對應(yīng)序號坩堝的稱量值,并判定給料結(jié)束后該序號坩堝內(nèi)礦樣粉末的給料精度是否達(dá)標(biāo)。
目前,礦樣粉末計(jì)量控制系統(tǒng)多采用PID控制,其結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、魯棒性強(qiáng),應(yīng)用十分廣泛[3,6-7]。傳統(tǒng)的PID控制直接對被控對象進(jìn)行閉環(huán)控制[8],它根據(jù)定量給料過程中礦樣粉末的實(shí)際稱量值與設(shè)定值之間的偏差,通過整定比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd,對被控對象(柱塞式給料閥的運(yùn)動頻率和幅度)進(jìn)行調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)礦樣粉末精確給料控制。
定量給料系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可表示為:
(1)
式中:e(t)為系統(tǒng)輸入量,由系統(tǒng)參考輸入信號r(t)與實(shí)際輸出信號y(t)相減得到;u(t)為系統(tǒng)輸出量;Ti為積分時間常數(shù);Td為微分時間常數(shù);Kp為比例系數(shù)。
將公式(1)進(jìn)行拉普拉斯變換,得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)形式為:
(2)
式中:E(s)為e(t)的拉普拉斯變換;U(s)為u(t)的拉普拉斯變換;s為時域,1/s為頻域。
但是礦樣粉末定量給料流量與給料閥的運(yùn)動參數(shù)并不是理想的線性關(guān)系[9]。落料對稱重傳感器的沖擊、粉末在盛料倉內(nèi)的黏結(jié)滯留和外界干擾等因素,都會造成傳統(tǒng)PID控制無法實(shí)現(xiàn)樣品粉末定量給料的精確控制要求。而模糊算法可對無法建立精確數(shù)學(xué)模型的被控對象進(jìn)行控制,是一種基于模糊規(guī)則、模糊推理的非線性智能控制算法,其依據(jù)過程控制知識和專家經(jīng)驗(yàn)建立,對復(fù)雜或難以精確描述的控制系統(tǒng)具有較好的適應(yīng)性[10-11]。因此,本文采用模糊控制與PID控制相結(jié)合的方法對控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。
圖3 定量給料的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 PID feeding control structure of quantitative feeding
定量給料儀的模糊PID控制系統(tǒng)采用較常用的兩輸入三輸出控制結(jié)構(gòu),以礦樣粉末稱量值偏差E和偏差變化率EC為輸入,以PID三個增量參數(shù)即比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd為輸出。設(shè)定輸入、輸出的模糊子集均為{負(fù)大(NB),負(fù)中(NM),負(fù)小(NS),零(ZO),正小(PS),正中(PM),正大(PB)}。該系統(tǒng)的模糊控制器具體設(shè)計(jì)如下:
(1) 定義模糊論域。根據(jù)實(shí)際情況,設(shè)定稱量值偏差E和偏差變化率EC的物理論域分別為[-6g,6g]和[-6,6],將輸入變量的模糊論域設(shè)為[-6,6],并將輸入變量E和EC量化到模糊論域,如下所示:
E={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}(其中-6表示偏差為-6 g,其他數(shù)字以此類推);
EC={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}(其中-6表示偏差變化率為-6,其他數(shù)字以此類推)。
E和EC的量化因子分別為KE=1,KEC=1。設(shè)定Kp,Ki,Kd的模糊論域均為[-1,1],其中負(fù)大對應(yīng)模糊論域中的-1;負(fù)中表示-2/3;負(fù)小表示-1/3;正小表示1/3;正中表示2/3;正大表示1。
(2) 確定隸屬度函數(shù)。為方便計(jì)算,在這里選用三角形隸屬度函數(shù)。輸入變量E和EC的隸屬度函數(shù),采用如圖4-a所示的隸屬度函數(shù)曲線;輸出變量Kp、Ki和Kd的隸屬度函數(shù),采用如圖4-b所示的隸屬度函數(shù)曲線。隸屬度函數(shù)曲線中形狀較尖的模糊子集的分辨率和控制靈敏度較高[12]。
圖4 輸入與輸出隸屬度函數(shù)曲線圖Fig.4 Membership function curve of input and output
(3) 建立模糊控制規(guī)則表。模糊PID控制的核心就是利用模糊規(guī)則實(shí)時在線調(diào)整PID參數(shù),根據(jù)給料運(yùn)動階段不同時刻的礦樣粉末稱量值偏差和偏差變化率對參數(shù)的影響,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出模糊控制規(guī)則(表1)。再根據(jù)解模糊算法合成,得到PID參數(shù)的模糊輸出子集。
由于給料力伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)的參數(shù)直接影響礦樣粉末填充質(zhì)量,因此為更好地確定給料力控制系統(tǒng)參數(shù),本文將稱量值偏差和偏差變化率進(jìn)行量化,代入模糊控制規(guī)則表,根據(jù)模糊理論進(jìn)行算法合成,得出新的PID參數(shù),再經(jīng)過PID算法計(jì)算出最后的輸出量,從而控制被控對象(柱塞式閥芯的伸縮頻率和幅度)[13]。定量給料儀控制系統(tǒng)的PID控制原理如圖5所示。
表1 模糊控制規(guī)則表Table 1 Rules table of fuzzy control
圖5 模糊PID控制原理Fig.5 Control principle of fuzzy PID
在礦樣粉末定量給料的模糊PID控制過程中,確定模糊語言變量之后,將變量進(jìn)行模糊處理,依據(jù)模糊控制規(guī)則表計(jì)算出輸出量的模糊值并解模糊。確定輸入語言變量的范圍為[-6,6],輸出語言變量的范圍為[-1,1]。
該模糊PID控制器采用三角形隸屬度函數(shù),并修改各輸入、輸出變量模糊子集的名稱。依據(jù)礦樣粉末定量給料的PID控制調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則表,列出49條控制規(guī)則,將其寫入模糊規(guī)則編輯器中。完成模糊控制規(guī)則的編輯之后,打開模糊規(guī)則觀察器,當(dāng)輸入變量取不同數(shù)值時,系統(tǒng)會求出相應(yīng)的輸出變量值,得到系數(shù)調(diào)校參數(shù)的控制。
在MATLAB軟件中采用圖形界面建立模糊推理系統(tǒng),在FIS編輯器中可觀察到控制系統(tǒng)的輸出曲面視圖(圖6)??筛鶕?jù)模糊控制規(guī)則對Kp、Ki、Kd進(jìn)行實(shí)時調(diào)校[14]。
圖6 模糊規(guī)則視圖Fig.6 Fuzzy rule view
在MATLAB/Simulink環(huán)境下,先建立模糊PID控制系統(tǒng)模型,再和礦樣粉末定量給料模型一起通過運(yùn)算,得到定量給料控制系統(tǒng)仿真模型(圖7)。
通過系統(tǒng)辨識,得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù):
(3)
在Simulink仿真時,采用臨界比例法確定PID的3個初始值(ΔKp、ΔKi、ΔKd),以單位階躍信號為系統(tǒng)輸入信號,然后在仿真模型中寫入確定的PID參數(shù)初始值,后期在11 s處加上0.5倍階躍干擾,最后觀察系統(tǒng)的輸出響應(yīng)。
定量給料模型模糊PID控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖8所示。模糊PID控制在初始時刻也有一定的超調(diào)量,且到達(dá)穩(wěn)定的時間和傳統(tǒng)PID控制相差不大,但是在11 s處加上0.5倍的階躍干擾后,可以看出模糊PID控制比傳統(tǒng)PID控制更易到達(dá)穩(wěn)定值。通過分析可知,模糊PID控制的優(yōu)劣與PID各參數(shù)的初始論域以及初始整定最優(yōu)參數(shù)有關(guān)。同時,不同的模型有不同的模糊規(guī)則,文中的模糊控制規(guī)則借鑒了前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn),針對該模型,應(yīng)該有更適合的模糊規(guī)則以使系統(tǒng)的性能更好。
根據(jù)給料控制算法和I/O點(diǎn)數(shù)需求,系統(tǒng)選用單片機(jī)作為核心處理器,其模塊配置與其他硬件選型如下:
(1) 單片機(jī)的模塊配置。單片機(jī)型號為STM32F407,采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理器CPU、隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O接口和中斷系統(tǒng)、定時器/計(jì)數(shù)器等功能集成到一張芯片上,構(gòu)成微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),符合本項(xiàng)目功能需求。該單片機(jī)帶有12路輸入點(diǎn)、4路輸出點(diǎn)、4組步進(jìn)電機(jī)接口,最大可擴(kuò)展控制8個步進(jìn)電機(jī)、6路模擬量輸入點(diǎn)和6路串口通信接口。
圖7 定量給料控制系統(tǒng)仿真模型圖Fig.7 Simulation model of quantitative feeding control system
圖8 PID控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖Fig.8 Step response curve of PID control system
(2) 稱重模塊。選用天津德安特公司的ES-L2104型稱重模塊,其精度為0.1 mg,且?guī)в蠰CD液晶顯示屏,方便用戶讀取稱量結(jié)果。其帶有RS232通信接口,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與打印機(jī)等其他設(shè)備之間的通信。
(3) 位置傳感器。選用接近開關(guān)傳感器。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求,用于托料盤升降步進(jìn)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)的位置檢測及原點(diǎn)復(fù)位。
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為下位和上位軟件設(shè)計(jì)兩部分。下位軟件設(shè)計(jì)是指單片機(jī)的程序設(shè)計(jì),使用Keil5軟件進(jìn)行主控程序設(shè)計(jì)。由于需要每100 ms采集一組稱重?cái)?shù)據(jù)并進(jìn)行邏輯運(yùn)算,對軟件的運(yùn)行效率要求較高,因此采用C++語言在QT上位機(jī)上進(jìn)行人機(jī)交互界面的上位軟件設(shè)計(jì)。
4.2.1下位軟件設(shè)計(jì)
為確保稱量模塊稱量更精確,在使用前需將其通電預(yù)熱30 min,當(dāng)預(yù)熱完成后再進(jìn)行給料操作。根據(jù)要求定量給料儀需擁有復(fù)位和給料功能,其中,給料功能需要有單次和多次給料兩種操作模式。復(fù)位和給料的詳細(xì)過程(圖9-圖10)如下:
(1) 復(fù)位操作。復(fù)位時,升降步進(jìn)電機(jī)帶動托料盤下降,找正基準(zhǔn)位置后再上升,到達(dá)指定高度后停止運(yùn)動。升降復(fù)位完成后,旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)開始運(yùn)動,到達(dá)旋轉(zhuǎn)復(fù)位原點(diǎn)后停止運(yùn)動。
(2) 給料操作。系統(tǒng)采用二次給料方式實(shí)現(xiàn)礦樣粉末的高效、精確給料。首先柱塞式給料閥高頻伸縮運(yùn)動10次,延時停止并根據(jù)檢測值計(jì)算10次給料的平均值,得到粗給料運(yùn)動值(設(shè)定為總重量值的90%),
圖9 復(fù)位操作流程圖Fig.9 Flow chart of reset operation
圖10 給料操作流程圖Fig.10 Flow chart of feeding operation
達(dá)到粗給料次數(shù)后給料閥停止運(yùn)動。粗給料檢測值自動反饋給控制器,計(jì)算精給料運(yùn)行參數(shù),通過模糊PID控制算法控制給料閥低頻伸縮運(yùn)動,在精給料階段完成礦樣粉末的精確給料。
4.2.2上位軟件設(shè)計(jì)
定量給料儀控制系統(tǒng)選用工控一體機(jī)觸摸屏(搭載Intel賽揚(yáng)J1900中央處理器)作為人機(jī)交互界面,與主控單片機(jī)通過RS485接口通信,采用C++語言編寫上位軟件。操作人員可通過上位機(jī)對定量給料儀進(jìn)行初始化、啟動、暫停和停止操作,也可以修改設(shè)備的運(yùn)行參數(shù),監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。該上位軟件的兼容性、穩(wěn)定性和高效性良好,界面如圖11所示。
最終完成設(shè)計(jì)的定量給料儀如圖12-a所示,系統(tǒng)控制柜如圖12-b所示。完成設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)后,進(jìn)行了多組不同給料質(zhì)量的上機(jī)實(shí)驗(yàn),每組20個規(guī)格相同的坩堝,以±0.3 mg為給料精度標(biāo)準(zhǔn),評價該定量給料儀的實(shí)際運(yùn)行效果。表2為上機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,由該表可知,各組稱量值達(dá)標(biāo)坩堝合格率為85%~95%,平均為91.7%,滿足采用光譜法分析對礦樣粉未定量給料精度的控制要求。需要說明的是,各組實(shí)驗(yàn)中部分坩堝未達(dá)標(biāo)的主要原因是高精密的稱重模塊易受到外部因素干擾,如溫度、濕度、空氣流速以及運(yùn)行過程中工作臺的抖動等[15-16]。
圖11 上位機(jī)顯示界面Fig.11 PC display interface
圖12 系統(tǒng)整機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)物圖Fig.12 Physical diagram of whole system structure
表2 稱量數(shù)據(jù)記錄表Table 2 Record table of weighing data
針對光譜法分析中礦樣粉末人工稱重給料生產(chǎn)效率低、控制精度差等問題,設(shè)計(jì)了一款礦樣粉末高精度自動定量給料控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單片機(jī)控制技術(shù)、QT上位機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)和基于模糊PID的智能控制算法,能實(shí)現(xiàn)礦樣粉末高效、精確給料。該系統(tǒng)滿足礦樣粉末定量給料工作的控制要求,對金屬粉末、無機(jī)粉末和有機(jī)粉末的定量給料控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價值,并具有廣闊的市場應(yīng)用前景。