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。

1 定量給料儀結(jié)構(gòu)及工作過程

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

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及功能需求

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)。

3 定量給料過程的模糊PID控制

3.1 傳統(tǒng)PID控制的運(yùn)用

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

3.2 模糊控制方案的設(shè)計(jì)

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。

3.3 模糊PID控制系統(tǒng)仿真

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

3.4 MATLAB模糊PID控制模塊的建立

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

3.5 系統(tǒng)仿真與分析

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。

4 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

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。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

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。

5 系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況

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

6 結(jié)語

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。