混凝土搅拌站配料过程分析及系统误差补偿研究

　　【摘要】对混凝土搅拌站生产混凝土过程进行建模，并影响配料误差的原因进行分析。介绍了国内目前主要的混凝土搅拌站配料误差补偿方式，分析了连续可调情况和不连续可调情况的系统误差。
　　关键词：搅拌站；数学模型；系统误差；PID算法
　　1引言
　　混凝土搅拌站是用来集中搅拌混凝土的联合机械装置，也称混凝土工厂。它具有机械化和自动化程度高、生产率高的特点，常用于混凝土工程量大、施工周期长、施工地点集中的大中型工程。混凝土搅拌站控制系统是控制混凝土搅拌站上料、计量、搅拌和卸料等混凝土生产的整个过程，对混凝土质量的影响极大。而混凝土质量直接关系到工程的质量，所以使用一个完整、安全和可靠的混凝土搅拌站控制系统对生产优质的混凝土是至关重要的。
　　某施工企业的HZS90型搅拌站控制系统经改造，改造的HZS90型搅拌站控制系统多半使用原始传统模式单片机控制系统，实际工程中，这种单片机控制系统故障率很高，另外此搅拌站控制系统中配料误差控制基本采用PID和经验相结合补偿的方式，这种方式虽简单方便，但精度不高，误差大，严重的制约混凝土的质量，以致制约工程质量。这也是这种控制系统致命的缺点，从而也很大程度的限制和影响了混凝土搅拌站自动控制系统的发展。所以设计高速、高效、精确、性能稳定的和智能的混凝土搅拌站控制系统是势在必行。
　　2搅拌站生产混凝土过程的数学模型
　　混凝土搅拌站生产混凝土的过程，实质上是一个配料和搅拌的过程，称重仪称出骨料、沙子和水泥的重量，并将称重信息传递给控制器，控制器根据传递过来的信息，判断是否到达重量要求。如果达到要求，控制器发出命令，停止称量，关闭骨料、沙子和水泥的斜料门，确认物料卸料门关闭之后，开启秤斗的斜料门，将物料全部送入储料罐。再确认搅拌罐的混凝土全部斜出和搅拌罐卸料门，再将储料罐料送入搅拌罐，同时开启水阀，并开始计量，当达到所需的重量，关闭水阀，并搅拌。通过分析可以看出生产混凝土的关键过程是配料控制过程，本文将对此过程进行建模分析。
　　在搅拌站配料控制过程的数学建模中，可以运用机理法建模。根据配料生产过程的机理，建立动态称量过程的数学模型。在此基础上，提出配料控制算法，有助于提高物料的称量精度。
　　料斗秤由秤体、称重传感器和称重显示控制器组成。其中，作为称量装置的秤体由贮料斗料仓、称量料斗秤斗和给料装置组成。如图1所示，设料仓给料门的截面积为S，从给料门到卸料门之间的垂直空间距离为H0，当料仓给料门打开后，物料从料仓门下落到秤斗，这是自由落体运动。随着秤斗内物料的增加和向上堆积，物料料面不断抬高。设给料门在时刻开门，在心时刻关门，开门后在时刻物料落到计量斗，关门后在时刻空中余料全部落入计量斗
　　
　　图1称量过程给料门动作时序图
　　2.1搅拌站配料控制过程的数学模型建立
　　考察秤斗内物料重量的增加，在，时间段内有：
　　（式1）
　　其中:是计量斗内的实际物料重量(kg),是物料在空中的密度(kg/m3),，是物料下落到计量斗内料面的瞬间速度(m/s)，如图2是称重过程示意图。
　　
　　图2称量过程示意图
　　物料落入秤斗，会不断向上堆积，秤斗内的物料高度不断上升，设秤斗内堆积的物料实际高度为，单位为米，它与实际物料重量成正比，则有：
　　（式2）
　　记为从给料门到秤斗内物料料面的距离，如图2所示，可以得到
　　（式3）
　　式3中，为从给料门到秤斗底部的距离高度。
　　根据自由落体原理，物料从给料门落到秤斗，经过距离为，到达秤斗时的瞬间速率为：
　　（式4）
　　从而可以得到数学模型如下：
　　（式5）
　　经计算可以得到
　　（式6）
　　2.2搅拌站配料过程数学模型分析
　　通过对混凝土搅拌站称量配料过程的数学算式的推导，可以看出，实际重量是系统固有特性参数和时间t的函数。这里时间t为从物料开始落到秤斗时起，一直到空中余料完全落到秤斗内时为止这个过程的时间。
　　系统固有特性参数有,S和K等，可以通过测量得到，其中参数K是物料本身的密度特性有关系。由得，物料密度越大，K越小。然而物料在空中的比重，则难以确定，因为其受多种因素的影响，主要是物料的密度、下降的高度H、下降的面积S以及空气阻力等，而且还是一个变量，在配料过程中还有可能发生变化。但是最终的配料重量值却直接受参数的影响，如果参数，无法预先准确确定，最终的配料结果就难以确定或是与实际配料结果大相径庭。
　　3搅拌站配料误差分析及PID算法
　　在混凝土配料过程中，实际上是很难通过进行精确的建模分析的，下落过程中的质量除了受固有特性参数,S和K的影响，还有很多一些无法确定的因素影响。就是因为这些不确定因素的影响，引起了混凝土生产过程中配料的误差补偿的困难，从而带给系统更大的配料误差。下面就搅拌站配料误差原因和机理结合实际工程中的PID在配料误差补偿方面进行分析。
　　3.1搅拌站配料误差分析
　　生产混凝土的称量配料过程中，各个物料由于重量信号随时间而变化，全过程是在一个动态的情况下完成称重的，因此是一个动态称重过程。在动态称量配料的关键问题中，首先是准确，第二个要求是快速。实际称量配料过程中，快速和准确是一对矛盾。一般搅拌站配料系统对称量配料过程的生产率都有规定，所以在给定的生产率前提下，即称量配料时间周期一定的情况下，同时要使搅拌站配料精度达到要求。
　　造成混凝土搅拌站称量配料误差的原因是多方面的，主要有如下因素:
　　（1）搅拌站配料控制过程产生的落差及由物料流不稳定引起的落差随机变化，称重机构关闭的时候，空中余料，造成测量值小于实际值;
　　（2）物料下落的冲击力引起骨料和沙子等读数的误差，造成测量值小于实际重量值;
　　（3）气缸的压力波动，造成给料装置的动作滞后，造成实际值大于测量值;
　　（4）控制器采样引起的误差，采样速率偏慢以致采样不连续，造成系统的误差;
　　（5）骨料和沙子(特别是沙子)因天气气候不同，中含有水分，引起配料的误差等。
　　混凝土搅拌站是用来集中搅拌混凝土的联合机械装置，在每次搅拌过程中，搅拌量都比较大，这些原因都是很重要的原因，其中最重要的误差原因是落差和下落的冲击力引起读数的误差。
　　3.2PID算法
　　混凝土搅拌站控制系统是把各种物料(多种规格的石子、砂、水泥、粉煤灰、添加剂和水)按所配方控制计量，然后送入搅拌罐搅拌成混凝土，其单个物料配料系统。如图3所示:在一切条件就绪的情况下，控制器检测计量称斗和进料机构是空的之后，启动物料仓卸料装置，物料进入进料机构，通过计量称斗，在计量称斗的称重传感器把所测的数据传入控制器，控制器根据传入的数据进行判断和控制，当达到所需的重量，控制器立刻关闭进料机构和计量称斗，当所有的物料称量好之后，控制器通过出料机构，送入搅拌罐，等待搅拌。
　　称重控制器一般是以单片机为核心的测控仪表，计算和存储能力相对计算机较弱，其主要任务是采样、通讯、控制和显示。落差修正的主要目的是为了减小系统的配料误差，如果机电系统是稳定的，料的性质也是稳定的，而且系统不受干扰。而实际进行落差修正时，为了消除这些一般干扰，往往采用逐次修正法。当然为了消除偶然性，必须采用设限法。
　　
　　图3单个配料系统
　　其中，表示第x种物料进料机构开度控制值，K表示在k时刻，设在0至100连续可调。
　　表示第x种物料第y秤预期重量
　　表示第x种物料第y秤称斗传感器反馈值
　　表示第x种物料第y秤输出值
　　表示第x种物料第y秤配料前皮重值
　　（1）连续可调情况
　　则，代表第x种物料第y秤配料误差。当第x种物料第y秤开始配料时，先测得，则表示动态配料误差。显然是关进料机构以后计量称斗稳定时的值。可按增量PID计算：
　　当时：
　　（式7）
　　当时：
　　
　　在PID参数一般应整定在输出值到基本上无超调，但这样配料速度相对比较慢。为此，对式1进行改进，其基本思想是误差大时减小积分系数，以提高控制速度，使尽量减小到，修正后的为：
　　当时：
　　（式8）
　　
　　其中为经验设定值。
　　是0至100%连续可调的，具体0-100%调节控制是通过软件程序控制具体相关的电磁阀开关的开关度来实现。
　　但这种方法中，首先假定中0至100%连续可调，对于添加剂(液体)之类液体物料是可行的，但对于石料之类固体块状物料，当进料机构开度较小时，它们有可能被卡住不能进入计量秤斗，这样的情况下，对于连续可调是没有很大实际意义的。
　　（2）不连续可调情况
　　对于石料之类固体块状物料，不是在0-100%连续可调，由于不不是在0-100%连续可调，采用粗、中、精配料方式(即有三个进料门)分别由20%,30%,50%三个出料开度的门，它通过控制器相应端口来控制，故共可有0,20%,30%,50%,70%,80%,100%等多种开度的组合，从可行性和实用性考虑，我们通常采用下列四种组合形式：
　　（式9）
　　这样的系统中，由于关门时进料机构开度比较大，关后还有一些物料要落入计量称斗上，这部分物料重量往往称之为落差。考虑的落差，控制算法可采
　　用:—第x种物料第y秤预期落差
　　—关第x种物料第y秤进料机构时计量秤斗反馈值。
　　（式10）
　　其中为经验设定值。
　　对于这样的系统，由于不是连续变化，落差对系统的配料精度至关重要。影响落差的因素很多，例如，当物料仓所储物料比较满时，由于自身重力的影响落料速度显然比较快，此时落差就比较大反之，则落差比较小。因此就必须对落差进行预测。
　　据系统有：
　　其中，为白噪声系列：
　　取性能指标：（式11）
　　由于与、相互独立，；
　　故（式12）
　　要使J取得最小值，
　　则：（式13）
　　所以：（式14）
　　考虑到前面测量的影响，取
　　（式15）
　　其中
　　4结论
　　针对HZS90型混凝土搅拌站单片机控制系统配料精度不高、智能化程度低等原因。首先对混凝土搅拌站生产混凝土过程进行建模，并影响配料误差的原因进行分析。然后介绍了国内目前主要的混凝土搅拌站配料误差补偿方式，在连续可调情况时，使用的是PID算法，PID算法虽然简单，但物料性质等发生变化PID参数难以调整，实际工程应用起来难以达到理想的效果。在不连续可调情况时，系统配料误差补偿过程多次使用的是经验总结经验值结果，所以在实际工程中优化的结合也不是很稳定。针对传统的配料控制的不足，根据相关研究成果科研使用BP算法与遗传算法相结合的对混凝土搅拌站配料误差进行补偿。
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