【摘要】對混凝土攪拌站生產混凝土過程進行建模，并影響配料誤差的原因進行分析。介紹了國內目前主要的混凝土攪拌站配料誤差補償方式，分析了連續可調情況和不連續可調情況的系統誤差。
　　關鍵詞：攪拌站；數學模型；系統誤差；PID算法
　　1引言
　　混凝土攪拌站是用來集中攪拌混凝土的聯合機械裝置，也稱混凝土工廠。它具有機械化和自動化程度高、生產率高的特點，常用于混凝土工程量大、施工周期長、施工地點集中的大中型工程�；炷�土攪拌站控制系統是控制混凝土攪拌站上料、計量、攪拌和卸料等混凝土生產的整個過程，對混凝土質量的影響極大。而混凝土質量直接關系到工程的質量，所以使用一個完整、安全和可靠的混凝土攪拌站控制系統對生產優質的混凝土是至關重要的。
　　某施工企業的HZS90型攪拌站控制系統經改造，改造的HZS90型攪拌站控制系統多半使用原始傳統模式單片機控制系統，實際工程中，這種單片機控制系統故障率很高，另外此攪拌站控制系統中配料誤差控制基本采用PID和經驗相結合補償的方式，這種方式雖簡單方便，但精度不高，誤差大，嚴重的制約混凝土的質量，以致制約工程質量。這也是這種控制系統致命的缺點，從而也很大程度的限制和影響了混凝土攪拌站自動控制系統的發展。所以設計高速、高效、精確、性能穩定的和智能的混凝土攪拌站控制系統是勢在必行。
　　2攪拌站生產混凝土過程的數學模型
　　混凝土攪拌站生產混凝土的過程，實質上是一個配料和攪拌的過程，稱重儀稱出骨料、沙子和水泥的重量，并將稱重信息傳遞給控制器，控制器根據傳遞過來的信息，判斷是否到達重量要求。如果達到要求，控制器發出命令，停止稱量，關閉骨料、沙子和水泥的斜料門，確認物料卸料門關閉之后，開啟秤斗的斜料門，將物料全部送入儲料罐。再確認攪拌罐的混凝土全部斜出和攪拌罐卸料門，再將儲料罐料送入攪拌罐，同時開啟水閥，并開始計量，當達到所需的重量，關閉水閥，并攪拌。通過分析可以看出生產混凝土的關鍵過程是配料控制過程，本文將對此過程進行建模分析。
　　在攪拌站配料控制過程的數學建模中，可以運用機理法建模。根據配料生產過程的機理，建立動態稱量過程的數學模型。在此基礎上，提出配料控制算法，有助于提高物料的稱量精度。
　　料斗秤由秤體、稱重傳感器和稱重顯示控制器組成。其中，作為稱量裝置的秤體由貯料斗料倉、稱量料斗秤斗和給料裝置組成。如圖1所示，設料倉給料門的截面積為S，從給料門到卸料門之間的垂直空間距離為H0，當料倉給料門打開后，物料從料倉門下落到秤斗，這是自由落體運動。隨著秤斗內物料的增加和向上堆積，物料料面不斷抬高。設給料門在時刻開門，在心時刻關門，開門后在時刻物料落到計量斗，關門后在時刻空中余料全部落入計量斗
　　
　　圖1稱量過程給料門動作時序圖
　　2.1攪拌站配料控制過程的數學模型建立
　　考察秤斗內物料重量的增加，在，時間段內有：
　�。ㄊ�1）
　　其中:是計量斗內的實際物料重量(kg),是物料在空中的密度(kg/m3),，是物料下落到計量斗內料面的瞬間速度(m/s)，如圖2是稱重過程示意圖。
　　
　　圖2稱量過程示意圖
　　物料落入秤斗，會不斷向上堆積，秤斗內的物料高度不斷上升，設秤斗內堆積的物料實際高度為，單位為米，它與實際物料重量成正比，則有：
　　（式2）
　　記為從給料門到秤斗內物料料面的距離，如圖2所示，可以得到
　　（式3）
　　式3中，為從給料門到秤斗底部的距離高度。
　　根據自由落體原理，物料從給料門落到秤斗，經過距離為，到達秤斗時的瞬間速率為：
　　（式4）
　　從而可以得到數學模型如下：
　�。ㄊ�5）
　　經計算可以得到
　�。ㄊ�6）
　　2.2攪拌站配料過程數學模型分析
　　通過對混凝土攪拌站稱量配料過程的數學算式的推導，可以看出，實際重量是系統固有特性參數和時間t的函數。這里時間t為從物料開始落到秤斗時起，一直到空中余料完全落到秤斗內時為止這個過程的時間。
　　系統固有特性參數有,S和K等，可以通過測量得到，其中參數K是物料本身的密度特性有關系。由得，物料密度越大，K越小。然而物料在空中的比重，則難以確定，因為其受多種因素的影響，主要是物料的密度、下降的高度H、下降的面積S以及空氣阻力等，而且還是一個變量，在配料過程中還有可能發生變化。但是最終的配料重量值卻直接受參數的影響，如果參數，無法預先準確確定，最終的配料結果就難以確定或是與實際配料結果大相徑庭。
　　3攪拌站配料誤差分析及PID算法
　　在混凝土配料過程中，實際上是很難通過進行精確的建模分析的，下落過程中的質量除了受固有特性參數,S和K的影響，還有很多一些無法確定的因素影響。就是因為這些不確定因素的影響，引起了混凝土生產過程中配料的誤差補償的困難，從而帶給系統更大的配料誤差。下面就攪拌站配料誤差原因和機理結合實際工程中的PID在配料誤差補償方面進行分析。
　　3.1攪拌站配料誤差分析
　　生產混凝土的稱量配料過程中，各個物料由于重量信號隨時間而變化，全過程是在一個動態的情況下完成稱重的，因此是一個動態稱重過程。在動態稱量配料的關鍵問題中，首先是準確，第二個要求是快速。實際稱量配料過程中，快速和準確是一對矛盾。一般攪拌站配料系統對稱量配料過程的生產率都有規定，所以在給定的生產率前提下，即稱量配料時間周期一定的情況下，同時要使攪拌站配料精度達到要求。
　　造成混凝土攪拌站稱量配料誤差的原因是多方面的，主要有如下因素:
　　（1）攪拌站配料控制過程產生的落差及由物料流不穩定引起的落差隨機變化，稱重機構關閉的時候，空中余料，造成測量值小于實際值;
　　（2）物料下落的沖擊力引起骨料和沙子等讀數的誤差，造成測量值小于實際重量值;
　　（3）氣缸的壓力波動，造成給料裝置的動作滯后，造成實際值大于測量值;
　�。�4）控制器采樣引起的誤差，采樣速率偏慢以致采樣不連續，造成系統的誤差;
　　（5）骨料和沙子(特別是沙子)因天氣氣候不同，中含有水分，引起配料的誤差等。
　　混凝土攪拌站是用來集中攪拌混凝土的聯合機械裝置，在每次攪拌過程中，攪拌量都比較大，這些原因都是很重要的原因，其中最重要的誤差原因是落差和下落的沖擊力引起讀數的誤差。
　　3.2PID算法
　　混凝土攪拌站控制系統是把各種物料(多種規格的石子、砂、水泥、粉煤灰、添加劑和水)按所配方控制計量，然后送入攪拌罐攪拌成混凝土，其單個物料配料系統。如圖3所示:在一切條件就緒的情況下，控制器檢測計量稱斗和進料機構是空的之后，啟動物料倉卸料裝置，物料進入進料機構，通過計量稱斗，在計量稱斗的稱重傳感器把所測的數據傳入控制器，控制器根據傳入的數據進行判斷和控制，當達到所需的重量，控制器立刻關閉進料機構和計量稱斗，當所有的物料稱量好之后，控制器通過出料機構，送入攪拌罐，等待攪拌。
　　稱重控制器一般是以單片機為核心的測控儀表，計算和存儲能力相對計算機較弱，其主要任務是采樣、通訊、控制和顯示。落差修正的主要目的是為了減小系統的配料誤差，如果機電系統是穩定的，料的性質也是穩定的，而且系統不受干擾。而實際進行落差修正時，為了消除這些一般干擾，往往采用逐次修正法。當然為了消除偶然性，必須采用設限法。
　　
　　圖3單個配料系統
　　其中，表示第x種物料進料機構開度控制值，K表示在k時刻，設在0至100連續可調。
　　表示第x種物料第y秤預期重量
　　表示第x種物料第y秤稱斗傳感器反饋值
　　表示第x種物料第y秤輸出值
　　表示第x種物料第y秤配料前皮重值
　�。�1）連續可調情況
　　則，代表第x種物料第y秤配料誤差。當第x種物料第y秤開始配料時，先測得，則表示動態配料誤差。顯然是關進料機構以后計量稱斗穩定時的值。可按增量PID計算：
　　當時：
　　（式7）
　　當時：
　　
　　在PID參數一般應整定在輸出值到基本上無超調，但這樣配料速度相對比較慢。為此，對式1進行改進，其基本思想是誤差大時減小積分系數，以提高控制速度，使盡量減小到，修正后的為：
　　當時：
　�。ㄊ�8）
　　
　　其中為經驗設定值。
　　是0至100%連續可調的，具體0-100%調節控制是通過軟件程序控制具體相關的電磁閥開關的開關度來實現。
　　但這種方法中，首先假定中0至100%連續可調，對于添加劑(液體)之類液體物料是可行的，但對于石料之類固體塊狀物料，當進料機構開度較小時，它們有可能被卡住不能進入計量秤斗，這樣的情況下，對于連續可調是沒有很大實際意義的。
　�。�2）不連續可調情況
　　對于石料之類固體塊狀物料，不是在0-100%連續可調，由于不不是在0-100%連續可調，采用粗、中、精配料方式(即有三個進料門)分別由20%,30%,50%三個出料開度的門，它通過控制器相應端口來控制，故共可有0,20%,30%,50%,70%,80%,100%等多種開度的組合，從可行性和實用性考慮，我們通常采用下列四種組合形式：
　　（式9）
　　這樣的系統中，由于關門時進料機構開度比較大，關后還有一些物料要落入計量稱斗上，這部分物料重量往往稱之為落差�？紤]的落差，控制算法可采
　　用:—第x種物料第y秤預期落差
　　—關第x種物料第y秤進料機構時計量秤斗反饋值。
　�。ㄊ�10）
　　其中為經驗設定值。
　　對于這樣的系統，由于不是連續變化，落差對系統的配料精度至關重要。影響落差的因素很多，例如，當物料倉所儲物料比較滿時，由于自身重力的影響落料速度顯然比較快，此時落差就比較大反之，則落差比較小。因此就必須對落差進行預測。
　　據系統有：
　　其中，為白噪聲系列：
　　取性能指標：（式11）
　　由于與、相互獨立，；
　　故（式12）
　　要使J取得最小值，
　　則：（式13）
　　所以：（式14）
　　考慮到前面測量的影響，取
　�。ㄊ�15）
　　其中
　　4結論
　　針對HZS90型混凝土攪拌站單片機控制系統配料精度不高、智能化程度低等原因。首先對混凝土攪拌站生產混凝土過程進行建模，并影響配料誤差的原因進行分析。然后介紹了國內目前主要的混凝土攪拌站配料誤差補償方式，在連續可調情況時，使用的是PID算法，PID算法雖然簡單，但物料性質等發生變化PID參數難以調整，實際工程應用起來難以達到理想的效果。在不連續可調情況時，系統配料誤差補償過程多次使用的是經驗總結經驗值結果，所以在實際工程中優化的結合也不是很穩定。針對傳統的配料控制的不足，根據相關研究成果科研使用BP算法與遺傳算法相結合的對混凝土攪拌站配料誤差進行補償。
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