（机械电子工程专业论文）沥青搅拌设备骨料称量系统模糊控制应用的研究.pdf

摘要 沥青路面的质量高低、使用性能的好坏与沥青混合料原材料的性能、混合料的级配 以及施工控制等因素有着密切的关系，其中生产配合比的控制是一重要的因素，影响沥 青混合料生产配合比的因素除了搅拌设备的结构外，最重要的就是称量系统的称量精 度、速度的控制。因此，对沥青搅拌设备骨料称量系统的研究将就是一个重要的课题， 具有工程实际意义。 本文在对沥青搅拌设备骨料称量系统的基本结构和工作原理进行研究的基础上，对 称量系统的称量速度和精度的控制进行了分析。由于称量系统是非线性瞬变系统，将系 统等效为二阶系统，推导出了称量过程的数学模型，将问题转化为动态称量问题。通过 对系统的实验分析，得出该系统的输出是一个振荡过程，所以要对系统进行校正。而一 般的校正方法不适用于该系统，提出了跟踪补偿，实现动态校正，使称量系统在称量过 程中始终保持最佳的二阶系统，得出真实的信号。 本文针对一般搅拌设备称量系统存在的问题，在对模糊控制理论和p i d 控制分析的 基础上，提出了在称量系统中引入模糊控制和p i d 控制策略。并对p i d 参数自调整模 糊控制器在称量系统中的应用作了一定的探索，通过m a t l a b 仿真软件设计了模糊控 制器。最后用m a t l a b 仿真软件对整个称量系统进行了仿真，通过p i d 控制的系统仿 真和p i d 参数自调整模糊控制的系统仿真的比较，得出系统中加入p i d 参数自调整模 糊控制能够提高系统的动态特性和稳定性能，使用这种方法可以有效地控制双电磁阀， 从而大大地提高称量系统称量的精度。 关键词：沥青搅拌设备，骨料称量系统，模糊控制，p i d 控制器，仿真 a b s t r a c t t h eq u a l i t yo fa s p h a l tp a v e m e n ta n dt h eu s eo fp e r f o r m a n c ea r ec l o s e l yr e l a t e dt o p e r f o r m a n c eo fr a wm a t e r i a l so na s p h a l tm i x t u r e ，m i x t u r eg r a d a t i o n ，c o n s t r u c t i o nc o n t r o la n d s oo n b u ta ni m p o r t a n tf a c t o ri st h ec o n t r o lo f p r o d u c t i o nm i x i na d d i t i o nt ot h es t r u c t u r eo f m i x i n gp l a n t ，t h ei m p o r t a n ti m p a c to fa s p h a l tm i x t u r ew i t ht h er a t i oo fp r o d u c t i o ni st h e c o n t r o lo fw e i g h i n ga c c u r a c ya n ds p e e d t h e r e f o r e ，t h es t u d yo na g g r e g a t e w e i g h i n gs y s t e m f o ra s p h a l tm i x i n ge q u i p m e n ti sa l li m p o r t a n ti s s u e ，w i t ht h ea c t u a lm e a n i n go f t h ep r o j e e t t h i sp a p e rs t u d i e dt h eb a s i cs t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fa g g r e g a t e w e i g h i n g s y s t e mf o ra s p h a l tm i x i n gp l a n t ，o nt h eb a s i so fw h i c h ，i ta n a l y z e dt h ec o n t r o lo fw e i g h i n g a c c u r a c ya n ds p e e d f o ra g g r e g a t e - w e i g h i n g s y s t e m w e i g h i n gs y s t e m a sat r a n s i e n t n o n l i n e a rs y s t e m ，w a se q u i v a l e n tt os e c o n d o r d e rs y s t e m ；t h e n ，w ed e r i v e dm a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h ew e i g h i n gp r o c e s s ；t h ei s s u ew a st r a n s f o r m e di n t oaq u e s t i o no fd y n a m i c w e i g h i n g t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i so ft h es y s t e m ，s y s t e mo u t p u ti sa no s c i l l a t i o n p r o c e s s ，s ot h es y s t e ms h o u l db ec o r r e c t e d b u tt h eg e n e r a lm e t h o do f c o r r e c t i o nc o u l d n t a p p l yt ot h es y s t e m ；i no r d e rt oa c h i e v ed y n a m i cc o r r e c t i o n ，i tp u t t e df o r w a r dt r a c k i n g c o m p e n s a t i o n ；s ot h a tt h ew e i g h i n gs y s t e ma l w a y sk e e pt h eb e s ts e c o n d o r d e rs y s t e ma n d t h es i g n a l sc a m et r u e f o rt h ep r o b l e m si nw e i g h i n gs y s t e mo f t h eg e n e r a lm i x i n ge q u i p m e n t ，a n do nt h eb a s i s o ft h ea n a l y s i sf o rf u z z ya n dp i dc o n t r o lt h e o r y ，t hisp a p e rp u t t e df o r w a r das t r a t e g yt h a t f u z z ya n dp i dc o n t r o ll e a d e di n t ow e i g h i n gs y s t e m ：i tm a d eac e r t a i na m o u n to f e x p l o r a t i o no fp i dp a r a m e t e rs e l f - a d j u s t i n gf u z z yc o n t r o l l e ra n dd e s i g n e df u z z yc o n t r o l l e r t h r o u g ht h em a t l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r e f i n a l l y , t h ew e i g h i n gs y s t e mw a sb es i m u l a t e d u s i n gt h em a t l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r e ；t h r o u g hc o m p a r i s o no fs i m u l a t i n gp i dc o n t r o l s y s t e ma n dp i dp a r a m e t e rs e l f - a d j u s t i n gf u z z yc o n t r o ls y s t e m ，w ef o u n dt h a ts y s t e md y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n d s t a b i l i t y o fp e r f o r m a n c ec o u l db e i m p r o v e d ，i fp i dp a r a m e t e r s e l f - a d j u s t i n gf u z z yc o n t r o l l e rw a sj o i n e dt ot h ew e i g h i n gs y s t e m t h eu s eo ft h i sm e t h o dc a n e f f e c t i v e l yc o n t r o lt h ed u a l s o l e n o i dv a l v ea n dg r e a t l ye n h a n c et h ea c c u r a c yo ft h ew e i g h i n g s y s t e m i i k e yw o r d s ：a s p h a l tm i x i n gp l a n t ；a g g r e g a t e w e i g h i n gs y s t e m ；f u z z yc o n t r o l ；p i d c o n t r o l l e r ；s i m u l a t i o n i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包 含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：庄澎、液 论文知识产权权属声明 7 耵肘垆 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利 等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者硌房，秽、很砷年月专日 别雌轹他”叩川，日 长安大学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 1 沥青搅拌设备的现状及发展 沥青搅拌设备是公路工程的关键设备。从2 0 世纪6 0 年代后期起步，我国的沥青混合 料生产9 5 以上依靠小型单机生产，沥青搅拌设备中虽有搅拌站( 楼) 等，但国产设备 的容量大多在8 0 0 - 1 0 0 0 l 以下，每年的产量仅在8 0 台左右。进入8 0 年代，国家“八五” 规划中交通部列入了第一项路面机械“沥青混合料搅拌与摊铺设备引进制造技术的国 家项目，由西安筑路机械厂与交通部公路科研所共同研制，于1 9 8 5 年从英国p a r k e r 公司 引进了搅拌技术。之后，西安筑路机械厂又引进英国p a r k e r 公司的移动式搅拌设备的制 造技术，成为国内唯一能生产6 0 - - 一2 4 0 t h 间歇式搅拌设备系列产品的厂家。 此后，国内企业通过技术引进和技术合作以及自主开发的形式，成功研制开发了 2 0 0 0 和3 0 0 0 型沥青搅拌设备。进入2 1 世纪，国产间歇式沥青搅拌设备在我国工程施工中 逐渐普及，很多企业都成功地研制开发了3 0 0 0 型沥青搅拌设备。特别是最近几年，随着 对行业先进技术跟进力度的加大以及在电子技术，智能控制技术等方面取得一定突破， 涌现了一批优秀企业，如西筑、徐工、无锡雪桃、无锡锡通、辽筑等1 0 多个厂家，他们 都成功研制开发t 3 0 0 0 和4 0 0 0 型沥青搅拌设备。2 0 0 7 年沥青搅拌设备市场形势大好， 4 0 0 0 型成为市场主角，有的企业还研开了5 0 0 0 型沥青搅拌设备，同时国内沥青搅拌设备 制造企业发展n 6 0 多家，初步实现了产业规模化和普及化。 随着环保、节能等口号的提出，沥青搅拌设备将向智能化、人性化、环保化、机电 一体化方向发展。外形结构紧凑、精巧的沥青搅拌设备，尤其是智能控制技术的成功运 用，使得沥青搅拌设备的技术水平得到了进一步的提升。环保型沥青搅拌设备产品的开 发成为企业的一项重要工作。节能技术和机电一体化技术的应用己到了必须直面的时 候。采用人机工程学设计、提高操作的智能化、减少噪声和振动、对外观造型设计的要 求更高羽。 1 2 动态称量与电子称量技术的现状及发展 所谓动态称量，一方面是指被称物体在运动状态中进入称量装置，另一方面称量系 统处于动态变化之中，称量信号未达到稳态。因此对称量系统的瞬态特性要求较高，但 目前世界上还没有脱离重力、不必保持静力平衡就能称量物体重量的动态称量法和动 第一章绪论 态电子称，所以多采用称重传感器称量系统的“静态标定，动态使用 的方法实现h 1 。 目前，一个动态称量系统通常是由称重传感器、信号适调部分、信号处理部分和显 示、记录部分组成。称重测力传感器是称量系统的信号输入端，它与被称量或系统连接， 并给出一个与被称量有关的输出信号。信号适调部分将从传感器输出的信号进行加工， 如信号放大或衰减、滤波、调制与解调等。信号处理部分接受适调部分输出的信号，并 对其进行必要的运算转换成适于显示和记录的信号。显示、记录部分是称量部分的终端 或输出端，记录下重量或力值啼1 。 电子称量技术是二十世纪六十年代开始迅速发展起来的一门新兴技术，是现代称量 与控制工程的基础。随着科学技术的迅猛发展，机械秤向机电结合式电子秤和传感器式 电子秤的更新。为适应用户的要求，国内外许多生产电子秤的厂家和公司不仅能做到大 量、多品种，还能按用户的要求个别定制1 。在电子秤中，虽然可应用的传感器种类较 多，但常用的仍然是电阻应变式称重传感器。随着称量计量功能与智能化电子称量系统 在生产过程中的应用，电子秤已不是单纯的称量计量，还包含了称量计量与生产过程的 控制。 1 3 本课题研究背景及意义 沥青搅拌设备经过长期发展，其生产工艺日趋成熟，设备的主要结构也基本定型， 特别是随着电子技术的完善以及计算机和信息处理技术的提高，设备已经达到较高的水 平。沥青路面的质量高低、使用性能的好坏与沥青混合料原材料的性能、混合料的级配 以及施工控制等因素有着密切的关系，其中生产配合比的控制是一重要的因素，影响沥 青混合料生产配合比的因素除了搅拌设备的结构外，最重要的就是称量系统的称量精 度、速度的控制。由于间歇式沥青搅拌设备与连续式沥青搅拌设备相比，其目标配合比 准确、称量与控制精度都比较高，所以我国主要采用间歇式沥青搅拌设备。因而，本课 题以间歇式沥青搅拌设备为研究对象。 1 3 1 骨料称量系统 间歇式沥青搅拌设备中骨料的称量采用质量计量的方式一。初级配的冷骨料经烘干 滚筒加热后，由提升机输送于振动筛，振动筛将热骨料混合料筛分为不同粒径的料( 一 般为3 5 种，此处以四种料为例讲解) ，分别存储在各自的热料仓中。热料仓底部各有 一个放料弧门，由气缸控制其开闭。骨料称量系统结构示意图如图1 1 所示n 训。 2 长安大学硕上学位论文 称量斗中有块隔板，一边放石料，一边放砂料，放料时先放石料后放砂料。放料门 由两节对接的气缸控制，当一气缸杆伸出时，放料门开至一半，石料放出；当另外一气 缸杆也伸出时，放料门完全打开，砂料放出。骨料称量采用4 个拉力式称重传感器。各 种骨料依次在称量斗中进行累计称量，因此，第一次称量时，表头上的读数为第一种料 的质量；第二次称量时，表头上的读数为第一种料和第二种料的合计质量；其余类推。 图1 1 骨料称量系统结构示意图 骨料称量控制系统由工控机、称量斗、称重传感器及称重仪表组成。图1 2 为骨料称 量控制系统原理框图。 1 号粒料称重 2 号粒料称重 3 号粒料称重 4 号粒料称重 图1 2 骨料称量控制系统原理框图 图1 3 为骨料称量控制系统工作流程图。称量时，不同规格的骨料按预先设定的质量 比依次放入称量斗中，拉力式称量传感器将检测到的信号通过屏蔽电缆送至工控机，并 逐个叠加计量，操作人员可从称重数码显示屏上读出称量值。达到设定值后，热储料仓 的放料门关闭，称量斗的放料门开启，称量好的骨料便被卸至搅拌机内。卸空后开始下 一个称量周期。 第一章绪论 1 开始 ，工 上1 1 堕f 号料矗、 测量称世斗 关闭3 号 仓仓门 、y 内骨料质量 y 人 ，人 打开1 号 7 料质最型 4 号料位n 仓仓门 y 定值7 超限? 厂 检测并称量 i 一 y y 信号零状态 上1 t 检测称量斗 关闭2 号 打开4 号 人 内骨料质量 仓仓门 仓仓门 _ 、：、n l n 竺哆一 人 y 企盟 气号料位，堕i 弋芝竺竺： 命 调整超界 y 信号零点 y 关闭1 号 打开3 号 仓仓门 仓仓门 上 l i 1 1 上一 读入骨料人关闭4 号 配比表乏号料位n 检测称量斗 抽啊一 内骨科质量 仓仓门 弋： l r 设置4 组骨 y ，天 发h 骨料称 1 璺苎 、n 量完成信号 料动态配比 打开2 号 仓仓门 y 结束 图1 3 骨料称量控制系统工作流程图 1 3 2 沥青搅拌设备中骨料称量存在的关键问题 沥青搅拌设备的骨料在称量过程中，经常存在以下两方面的问题n ： l 、空中“飞料”量的影响 当骨料落入称量斗时，秤开始感受到骨料的重量，如果当它的指示值达到设定值时 停止供料，则必然会有一部分处在下落空间的骨料还将继续落入称量斗，从而造成“超 称 。为了避免发生“超称 ，就必须在秤的指示值尚未达到设定值前就停止供料，以 期在空中的“飞料”全部进入称量斗后，骨料的重量恰好等于规定的设定值，这就是所 谓的落差补偿问题。 2 、骨料冲击称量斗的影响 当骨料带着一定的速度落入称量斗时通常带有较大的冲击性，此时秤感受到的重量 不仅是骨料的重量，而且还有动态的冲击载荷。因此必须等待一定的时间后才能获得正 确的稳定读数，这就是所谓的时间影响。 4 长安大学硕十学位论文 生产实践表明，以上两方面引起了沥青搅拌设备骨料称量的动态称量，这直接影响 到沥青混合料成品的质量。骨料的冲击力和空中“飞料”量影响最大的因素是下料速度， 下料速度越快，骨料的冲击力就越大，空中“飞料越多：相反，下料速度越慢，骨料 的冲击力就越小，空中“飞料 越少。 本论文研究沥青混凝土搅拌设备骨料的动态称重测量和控制过程，在控制策略中引 入模糊控制技术，构成新型滤波器，借以提高动态称量速度，改善称量准确度。 1 4 本论文的主要研究工作 本论文的主要工作和成果有以下几个方面- 1 、阐述了沥青搅拌设备、动态称量与电子称量技术的发展，介绍了沥青搅拌设备 骨料称量控制系统，分析了称量过程中存在的关键问题。 2 、介绍了西安筑路机械厂生产的l b 3 0 0 0 型沥青搅拌设备沥青搅拌设备骨料称量系 统的基本结构和工作原理；并阐述了称量系统中放料门开度的控制原理，分析了两种放 料门开度控制的方式；对冲击力和“飞料”量进行了估计，并提出了两种冲击力和“飞 料”量控制方法；讨论了以改进气缸及相关装置的方式来兼顾称量速度、称量精度和系 统稳定性的要求； 3 、将沥青搅拌设备骨料称量系统等效为二阶系统，并进行了数学模型分析；使用 锤击法对称量系统进行实验分析；在对系统校正分析的基础上，提出了用p i d 对称量信 号的处理。 4 、讨论了模糊控制和模糊控制器的基本原理等内容，得出模糊控制在像骨料称量 系统这样的难以建立精确数学模型的系统与过程，可得到满意的控制效果。 5 、在动态称量的基础上，对沥青搅拌设备骨料称量系统进行研究，把模糊控制应 用于称量系统中，设计了p i d 参数自调整模糊控制器，并用m a t l a b 进行系统仿真。 5 第二章沥青搅拌设备骨料称量控制系统 第二章沥青搅拌设备骨料称量控制系统 沥青搅拌设备骨料称量系统的称量误差，一方面来自于静态误差，另一方面来自于 动态误差。静态误差主要是来自于机械支撑部分，称量传感器和电测仪表三部分的误差； 动态误差由骨料下料速度、骨料不均匀以及其它因素引起的误差。在实际生产中，称量 系统的静态称量误差可以通过选择合适的精度等级的传感器、传感器的安装方式、机 械支撑部分与传感器的合理装配以及选用各种高精度器件和集成功能块组成的电测仪 表装置等来降低；但称量系统的称量误差的主要来源一动态称量误差主要是通过称量系 统的控制来降低。 2 1 称量系统的基本结构和工作原理 本文主要讨论西安筑路机械厂生产的l b 3 0 0 0 型沥青搅拌设备，首先介绍其骨料称量 系统的基本结构和工作原理1 2 1 。 2 1 1 骨料称量系统的基本结构 图2 1 为沥青搅拌设备骨料称量系统的基本结构示意图。l b 3 0 0 0 型沥青搅拌设备 有四个热料仓，称量斗用4 个拉力式称重传感器以并联的方式安装。 2 1 2 骨料称量系统的工作原理 称量时，电磁阀通电，仓门气缸动作，热料仓的放料门打开，骨料下落到称量斗， 下落的骨料经传感器感应后，传感器将其感应信号传递给称量显示器，称量显示器的模 拟输出信号经模数转换模块转换成数字信号；当称量装置测得重量达到放料门关闭要求 时，电磁阀断电，放料门关闭。由于“飞料”量的影响，所以在称量值还没达到目标值 时应提前关闭放料门，提前关闭放料门时的称量值就是关门值，并根据本次的称量误差 调整下一次称量的关门值。称量过程中相关的参数有： 设定值( 、怖) ：给定的应称重量； 采样值( w 1 ) ：任意时刻称得的重量； 初始值( 、胁) ：称量开始时称量系统的初始量； 目标值( w d ) ：设定值加初始值； 关门值( w c ) ：决定关闭放料门时的重量； 飞料值( w f ) ：关门值与目标值的差值，即提前关门量； 终止值( w e ) ：关闭放料门经一段时间稳定后骨料落到称量斗的重量； 6 长安大学硕上学位论文 图2 1 称量系统基本结构图 称量值( w r ) ：终止值减初始值； 误差值( w o ) - 终止值与目标值的差值。 图2 2 单个热料仓的称量控制流程图 单个热料仓的称量控制流程图如图2 2 所示。 2 2 称量系统的称量速度和精度的控制措施 生产实践表明，称量速度是影响搅拌设备生产能力的关键因素之一，如l b 3 0 0 0 型沥 7 第二章沥青搅拌设备骨料称量控制系统 青搅拌设备，如果要保证设备的生产产量，骨料称量速度要达到9 7 公斤秒以上，放料门 的开度不能太小。但放料门开度大，下料速度快，空中“飞料 量增大，骨料对称量斗 的冲击力较大；另外由于电子滤波器等影响，涉及到实际控制放料门有一时间延迟，下料 速度大，称量的提前量也就增大1 3 3 圳1 鄹。 对称量精度而言，最值得关注的是放料门关闭瞬时流量。关门瞬时流量越小越稳定， 称量精度就越高。所以要保证称量精度，料仓的骨料必须平稳充足，放料门的开度必须 尽可能小。 由于下落的骨料与称量斗内骨料面有一定距离，称量过程会产生料柱滞后。当称量 重量达到关闭放料门要求时，空中仍有骨料下落，这使称量的实际结果大于所要求值， 所以必须在未达到设定值之前提前关闭放料门，一定时间后再取称量结果值。实验证明 骨料柱滞后是称量精度难以控制的主要原因，这是取决于电一气一机等各个环节m 1 。 2 2 1 放料门开度的控制 1 放料门开度的控制原理 控制系统中控制放料门的开度是通过控制气缸来实现的。根据牛顿定律，在没有其 他外力作用的情况下，气缸中力平衡原理，如图2 3 所示，气缸达到力平衡状态时，气缸 两端气压p 。和p ：应满足下式： ! 只7 由z ：三只万( d ：一d 2 ) ( 2 1 ) b - - d 苟 e b 缓 、v 1 - )黝 黝 、i t ，气j j p ，f 图2 3 气缸中力平衡原理图 放料门控制的气路如图2 4 所示、其电路图如图2 5 ：当发出称量指令时，电磁阀l 通 电，气压p l 正向作用于气缸，气缸杆伸出，放料门打开；当行程开关被压下，电磁阀2 通电，气压p 2 反向作用于气缸，达到平衡状态；关闭放料门时电磁阀1 断电，气压p l 反向 作用于气缸，气缸复位，放料门关闭。通过调节行程开关的位置，就可以控制放料门的 长安大学硕士学位论文 开度。 图2 4 放料门控制气路 a c 一 图2 5 放料门控制电路示意图 2 放料门开度控制的方式【1 7 】【1 8 】 ( 1 ) 骨料一次称量 骨料一次称量与上面所述的骨料称量系统的基本结构和原理相同。称量开始后，其 放料门开度为一定值。 对l b 3 0 0 0 型沥青搅拌设备采用骨料一次称量，在保证产量( 2 0 0 t h ) 的前提下， 其各仓骨料的“飞料”量通常在8 0 2 0 0 k g 之间浮动，表2 1 是生产过程中，随意抽取 一段时间骨料的实际称量值。各仓的设定值及误差允许范围如下( 以下单位为k g ) - 1 撑仓：5 9 0 k g ，【一2 9 5 ，2 9 5 】； 2 撑仓：2 5 0k g ， 1 5 ，1 5 ； 3 捍仓：7 8 5k g ， 一4 7 1 ，4 7 1 】； 9 第二章沥青搅拌设备骨料称量控制系统 4 牟仓：7 5 0k g ， - 4 5 ，4 5 。 表2 1l b 3 0 0 0 型沥青搅拌设备采用一次称量时骨料的实际称量值 仓号 1 4 仓2 4 仓3 4 仓4 “仓 序号 偏差率偏差率偏差率偏差率 称量值称量值称量值称量值 觞 16 2 86 5 02 2 89 8 07 6 52 5 57 1 25 0 9 26 1 94 9 92 8 81 5 3 67 0 51 0 1 98 2 49 9 2 35 6 3 4 6 5 2 8 6 1 4 4 9 7 0 31 0 4 68 2 81 0 4 6 4 5 9 71 1 62 4 80 8 77 6 62 4 17 4 9 0 0 0 55 7 52 5 62 6 35 2 26 8 7一1 2 4 78 7 51 6 6 3 66 0 52 6 72 6 97 5 47 2 18 1 87 7 12 8 2 76 0 62 7 82 8 41 3 6 27 1 9 8 4 5 8 0 77 6 4 86 1 54 1 82 5 72 9 06 9 0一1 2 0 68 2 1 9 5 2 偏差 【一2 7 ，3 8 】【- 2 2 ，3 8 】 一9 8 ，- 1 9 】 一3 8 ，1 2 5 】 范围 从表2 1 可知，对l b 3 0 0 0 型沥青拌和设备采用骨料的一次称量，在满足其设备产 量( 2 0 0 f f h ) 时，称量的偏差的范围太大，不在误差允许范围内；并且生产时，放料门的 开度必须很大，下料也不稳定，各仓的“飞料”量也很大。这种称量方式，没有控制好 称量精度，影响了成品料的稳定性。 ( 2 ) 骨料两次称量 骨料两次称量是粗称和精称相结合的称量方式。各仓骨料设定值的7 0 ( 可调) 采 用粗称，放料门开度相对较大；剩下的3 0 将放料门关小来进行精称，此时“飞料”量 相对减少，受热料仓存料多少的影响也较小，大大提高了骨料的称量精度及稳定性。这 种称量方式就是粗称时以大开度赶速度，精称时以小开度保精度。骨料两次称量的机械 结构与骨料一次称量一样，放料门的控制气路如图2 4 所示，放料门控制电路示意图如 图2 6 所示。 1 0 长安大学硕上学位论文 价 逛 卿l 捶 图2 6 二次称量方式中料门控制电路示意图 粗称时给行程开关和电磁阀1 回路供电，放料门为大开度，当达到该号骨料设定值 的7 0 时，由程序控制此路电路断开并保持，接近开关和电磁阀2 回路供电，使气缸缩 回一定长度，放料门为小开度进行精称。当称完该仓骨料设定值时，由程序断开两路电 路并保持同时开始下一种骨料称量。 对l b 3 0 0 0 型沥青搅拌设备采用骨料二次称量后，在保证产量( 2 0 0 t 1 1 ) 的前提下， 其各仓骨料的“飞料”量通常在9 7 5k g 之间浮动，表2 2 是生产过程中，随意抽取一 段时间骨料的实际称量值。各仓的设定值及误差允许范围如下( 以下单位为k g ) ： 1 撑仓：5 9 0 k g ， 一2 9 5 ，2 9 5 】； 矿仓：2 5 0 k g ，【一1 5 ，1 5 】； 3 群仓：7 8 5 k g ， 一4 7 1 ，4 7 1 】； 4 撑仓：7 5 0 k g ， - 4 5 ，4 5 】。 第二章沥青搅拌设备骨料称量控制系统 表2 2l b 3 0 0 0 型沥青搅拌设备采用两次称量时骨料的实际称量值 仓号 1 4 仓2 “仓3 4 仓4 ”仓 序号 偏差率偏差率偏差率偏差率 称量值称量值称量值称量值 慌 l5 9 1o 2 02 6 04 0 67 6 92 0 67 3 71 6 8 26 1 03 3 62 4 71 - 1 67 9 20 9 07 3 42 1 9 3 5 8 9一o 1 02 6 76 6 77 8 60 1 3 7 6 31 6 8 4 6 0 21 9 92 5 20 8 77 8 60 1 37 2 92 8 4 55 9 61 o o2 5 93 4 87 8 80 3 97 6 31 6 8 65 9 40 6 22 5 41 4 57 8 40 1 37 7 22 9 7 75 8 9 0 2 52 6 04 0 68 0 5 2 5 87 4 7 一o 3 9 85 9 10 2 52 6 24 9 37 9 51 2 97 4 0一1 2 9 偏差 【- 1 ，2 0 一3 ，1 7 】【一1 6 ，2 1 】 一2 1 ，2 2 范围 将表2 1 和表2 2 进行比较可得，对l b 3 0 0 0 型沥青拌和设备采用骨料两次称量， 在满足其设备产量( 2 0 0 t h ) 下，称量结果均比较稳定，误差在允许范围：生产中采用两 次称量比采用一次称量更能满足骨料称量精度的要求。 2 2 2 冲击力和空中“飞料 量的控制 1 冲击力与“飞料，量的估计【1 9 】 ( 1 ) 冲击力f ( t ) 的估计 设：下落骨料质量的时间函数为a j ( t ) ： 骨料下落的初速度l y o = 0 ； 骨料刚好下落到称量斗的垂直速度v t ； 骨料在f 时间内下落的高度为h 。 由牛顿定律可得： u = + g a t 1 2 长安大学硕：上学位论文 五= 三班2 一詹 ：y t = 商 由冲量定理得：，( f ) a t = m ( f ) g a t = 肪( f ) a t v t f ( f ) = 竹( f ) 咋= 肪( f ) 止万 ( 2 2 ) ( 2 ) “飞料”量的估计 骨料从放料门落入称量斗，要经过一段时间f ，称量斗和放料门之间的空中骨料， 称之为“飞料”量，它是影响称量精度的一个重要因素，必须对“飞料 量进行补偿。 a t 时间内下落到称量斗上的骨料重量为竹o ) a t 。 ( 2 3 ) 考虑冲击力与“飞料”量后，骨料的下料量就等于称重传感器的称量值加上空中“飞 料”量，再减去骨料冲击力，如下式： w = 形+ a m g f ( 2 4 ) 2 冲击力与“飞料 量的控制 由式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 可以看出冲击力与空中“飞料量与骨料下料的流量和骨料仓口 与称量斗之间的高度有关。在称量过程中，骨料仓口与称量斗之间的高度一般是固定的， 所以在称量时，要在称量值还没达到目标值时提前关闭放料门，这就产生了一个关门提 前量。提前关闭放料门的控制方法主要有以下两种盥： ( 1 ) 提前量自动调整 提前量自动调整是指根据称量系统记录的“飞料 量的变化情况，在给定的提前量 上叠加一个提前量的自动调整值，然后通过这个叠加后的提前量来控制放料门的关闭。 目前有两种方式：一种是提前量的调整量由计算机自动计算；另一种人工输入定值 数据，下一次调整量由计算机自动计算。由于a m g f ( t ) 估计不准，采用第一种方式前 几次称量误差较大，需经过多次称量后调整量才会接近设定值；由于a m g f ( t ) 已经给 出詹 o o 肪 竹 = = 锄 锄 第二章沥青搅拌设备骨料称量控制系统 出了，采用第二种方式时第一次称量就与设定值很接近，但必须预先知道a m g f ( t ) ， 然后利用电脑的数据处理功能，实现提前量的自动调整，对称量系统所产生的随机误差 随时进行调整，其调整原则如下： w 。+ l - w 。+ k ( w 。- w 。)( 2 5 ) 式中，w n + 。一下次提前量即下次称量，比设定值提前关闭料门的量，k g ； m 广本次提前量，k g ； k 一调整系数； 一本次称量值，k g ； w p 广本次设定值，k g 。 实际生产中k 一般取0 6 。 根据前几次的称量值计算本次的调整值，即本次补下次，实时性差，所以本方法仅 在“飞料 量有波动，但波动速度不大的情况下使用。 ( 2 ) 流量控制法 根据式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 可知，在称量过程中“飞料”量和冲击力与称量时下料的流量 呈线性的关系，下料流量和产生的“飞料之间的比值基本为常数，在流量控制法中使 用这个常数和瞬时流量值来产生关门的提前量，从而使在流量变化非常剧烈时系统能及 时反映。关闭放料门后的“飞料 量和冲击力为： a m g f = q s ( 2 6 ) 考虑流量后的骨料的下料公式为： 彬= + q s ( 2 7 ) 式中：q 一关门时刻的流量，k g s ； s 一空中“飞料”完全落入秤中的时间，s 。 利用计算机不断采集变化的流量，并及时控制放料门的关闭，能够及时调整本次的 称量误差，具有实时性。流量控制法将当前“飞料流量变化实时加入到调整计算中去， 使得本次称量根据当前的“飞料”量作出及时调整，控制效果理想。 2 2 3 改进气缸及相关装置 实践表明，一般间歇式沥青搅拌设备必须在2 0 s l 为完成骨料称量，为了在2 0 s 内完成 称量任务，放料门必须开得足够大。但是放料门开得越大，适应热料仓中储料量变化等 1 4 长安大学硕士学位论文 不稳因素的能力就越差，特别是出现缺料等待、进料快慢变化较大等情况时，根据上一 次称量误差调整的关门提前量用到下一次称量，由于工况已经变化很大，根本不能适用， 系统稳定性很差，误差很大。 如能改进气缸及有关装置，提高气缸动作速度，就提高了放料门反应速度，减少误 差。在工程中，l b 3 0 0 0 型系列沥青搅拌设备可将骨料称量系统改为双气缸双电磁阀的 双开度骨料称量系统，其结构示意图如图2 7 所示。放料门通过两节相同直径的气缸及 与气缸配套使用的两个二位五通电磁阀共同控制，每节气缸均由单独的二位五通电磁阀 控制乜 。 图2 7 双气缸双电磁阀的双开度骨料称量系统机构示意图 当两节气缸同时打开时，放料门为大开度；一节气缸打开一节气缸关闭时，放料门 为小开度；两节气缸全部关闭时，放料门关闭。该称量系统的称量流程如图2 8 所示。 对l b 3 0 0 0 型沥青搅拌设备采用双气缸双电磁阀的双开度称量后，在保证2 0 0 t h 产 量的前提下，表2 3 是生产过程中，随意抽取一段时间骨料的实际称量值。各仓的设定 值及误差允许范围如下( 以下单位为k g ) - 1 群仓：5 9 0 k g ， - 2 9 5 ，2 9 5 】； 2 帮仓：2 5 0k g ， 一1 5 ，1 5 ； 3 撑仓：7 8 5k g ，【- 4 7 1 ，4 7 1 ； 4 群仓：7 5 0k g ，【一4 5 ，4 5 。 第二章沥青搅拌设备骨料称量控制系统 图2 8 双气缸双电磁阀的双开度称量系统流程图 1 6 长安大学硕士学位论文 表2 3 双气缸双电磁阀的双开度称量系统数据分析 配比 a c - 2 5 c 生产设备型号 l b 3 0 0 0 类型 开度转换值k g 6 06 01 0 01 0 0 关仓提前值k g称量结果值k g 序号 1 #2 ”3 4 鼋 1 “2 43 。牮 l3 71 24 465 9 82 5 87 8 37 5 0 24 22 04 265 8 72 5 l8 2 17 4 5 33 92 l7 815 9 02 5 67 8 47 5 5 43 92 77 766 0 92 5 27 8 37 4 2 55 82 97 565 8 02 3 77 6 77 4 2 64 81 65 765 9 12 3 97 7 57 4 2 74 954 765 8 22 7 28 2 37 6 1 84 12 78 51 75 8 22 3 67 8 47 5 2 9 3 3 1 38 4 1 9 5 9 62 6 2 7 9 6 7 3 6 1 03 9 2 5 9 556 0 42 4 77 7 47 5 5 l l5 32 28 41 05 7 52 4 17 7 27 3 2 1 23 81 37 11 05 8 52 6 08 1 27 4 4 从表3 3 中可见，虽然4 撑仓的关门提前量多数处于等料状态，从第8 条记录之后4 捍 仓的料还出现时多时少的现象，但称量结果均比较稳定，误差也在允许范围，因而这种 结构对缺料、等料、下料快慢变化较大等工况适应能力较强。 2 3 本章小结 本章以西安筑路机械厂生产的l b 3 0 0 0 沥青搅拌设备为例介绍了沥青搅拌设备骨 料称量系统的基本结构和工作原理；介绍了称量系统中放料门开度的控制原理，分析了 两种放料门开度控制的方式；对冲击力和“飞料”量进行了估计，并提出了两种冲击力 和“飞料 量控制方法；讨论了以改进气缸及相关装置的方式来兼顾称量速度、称量精 度和系统稳定性的要求；为后面骨料称量系统的建模和模糊控制的选择打下基础。 1 7 第三章沥青搅拌设备骨料称量系统分析 第三章沥青搅拌设备骨料称量系统分析 骨料称量系统是沥青搅拌设备中的核心部分，是衡量搅拌设备质量的重要因素，其 称量精度直接影响成品沥青混合料的级配精度。沥青搅拌设备骨料称量系统由热骨料 仓、称量斗、称重传感器( 多采用电阻应变式传感器) 、机械支架和电测仪表装置( 放 大电路、滤波电路、a d 数据采集卡) 、控制系统及气阀等组成如图3 1 。 图3 1 搅拌设备的称量系统 沥青搅拌设备骨料称量系统中称量部分可以等效为一个由弹簧，阻尼器组成的二阶 系统2 2 1 2 3 1 如图3 2 。 图3 2 称量系统等效模型 根据牛顿定律，建立称量部分的数学模型 k + m ( f ) 】窘+ c 石d x + h = m ( f ) g + ，( f ) 式中， m 一称量系统中称量部分的质量( k g ) 。 m ( t ) - - 称量斗内骨料质量的时间函数； c _ 称量系统内部的机械阻尼系数； k - 一称量传感器的弹簧刚度系数： f ( t ) 一下料冲击力的时间函数； ( 3 1 ) 长安大学硕七学位论文 x 一称量部分相对称量初始时的位置( m ) ； 旷重力加速度，m s 2 。 式( 3 1 ) 是称量部分的位移量x 与骨料质量m ( t ) 的关系式。 3 1 称量系统的数学模型分析 3 1 1 系统阶跃响应 通过式( 3 1 ) 可知该称量系统是一瞬变的非线性系统，此处我们采用分段线性化方 法，以简化分析过程。在时间段p 。，t 。+ f 】内，设定m ( t ) 保持不变，f ( t ) 为常数。那么式( 3 1 ) 变为2 6 1 k + 肘m j l 矿d 2 x + c 鲁+ 缸= m g + f ( f ) ( 3 2 ) 令g = m g + f ( t ) 则k + m m j l 矿d 2 x + c 妄+ 觑= g 式( 3 4 ) 是该称量系统的静态数学模型，假设系统劬始状态为零， 拉普拉斯变换可得： 【，竹+ m b 2 x ( s ) + c 瓤( s ) + 奴( s ) = g ( s ) k 盟：! 丛堡 g ( j ) ks 2 + ! s + l m + mm + m 令22j 磊k 2 和。= 志 则有 j ( s ) 1 一= 一g ( s ) kj 2 + 2 乒。s + 国。2 其中 铲压 f 2 赢 ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) 对式( 3 4 ) 进行 ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 实际上在【，。，t 。+ f 】时间内，m 是随时间增加的函数m ( t ) ，可以看成为一斜坡信号。 1 9 第三章沥青搅拌设备骨料称量系统分析 从公式( 3 8 ) 和( 3 9 ) 可以知道系统的固有频率国。和系统的阻尼比f 随m ( t ) 的增加而 不断下降，系统是时变非线性系统。 3 1 2 系统斜坡响应 由式( 3 1 ) 知f ( t ) 是作用于称量系统的