（机械电子工程专业论文）特殊工况下动态物位测控系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 在工业生产过程中，经常需要对固体和液体的物位进行准确测量，从 而实现对企业生产过程的自动化检测和智能控制，以提高企业生产效率， 实现生产过程的无人化管理。 由于本研究系统被测对象环境温度较高且潮湿，同时料仓中有大量粉 尘及蒸汽，因此传统的料位检测方法不能满足本测试要求。本文在分析国 内外各种物位检测技术的基础上，针对特殊工况下动态物料高度的检测进 行了系统的探讨与研究。首先建立了料仓中的压力分布数学模型，推导出 料位高度与仓底均布压力间的数学关系式，并据此设计了中温电阻应变式 压力传感器，同时对它在实际应用中存在的零点漂移等问题提出了改进措 施，提高了传感器性能，解决了上述特殊工况下动态物料检测的技术难题。 同时为适应工厂要求对多目标、多参数进行监测的要求，采用了分布式计 算机控制系统，该系统以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心，内部集成了信号调理、 数据采集与处理、显示等电路并扩展了大容量存储器以保存最近几次生产 过程的检测数据，同时还采用了r s 4 8 5 网络总线技术可以方便的将数据传 输给上位控制中心。为了实现生产过程的自动化控制，在总结人工手动操 作经验基础上，单片机控制系统中采用了模糊控制算法，可以根据实时采 集到的高度值输出相应的电压控制量来调节输料管阀门的开度大小，从而 实现对料位高度的智能控制。程序设计采用模块化设计思想，分别用c 5 1 语言编写单片机代码和b o r l a i l dc + + 语言设计上位机程序来实现控制系统 所要求的功能，并对串口类的实现、多线程的创建等几个关键问题作了介 绍。 关键词： 物料检测，模糊控制，传感器，分布式控制系统，单片机 江苏大学硕士学位论文 i n 也ei n d u s t r i a lp r o c e d u r e ，s o l i d 甜l i q u i dl e v e ls h o u l do r e nb em e a s u r e da c c u r a t e l yt o i m p l e m e n t m ea u t o m a t i cm o n i t o r i n ga n du n w a t c h e d m a n a g e m e n to f e n t e r p “s ep r o d u c t i o n t h e 拄醚嫩。致a ll e v e l 越e a s 谶珏g 辩e t b d sc a 强t 黼e 圭。塔d e 臻黼db e c a u s e 囊e s u 毯e c 童主张 i n v e s t i g a t e di s i ns u c hap o o rs y s t e m i cc o n d i t i o nt l l a tt l l e t e m p e r a t u r ei sal i t c l el l i g ha n d 龟e r e ss om a n ym i i ld u s ta n ds 把a mt h e r e i nt 圭l i sa r t i c l ew e p e d b r ms y s t e m i cd i s c l l s sa n d r e s e a r c ha g a i n s tt h ed y n 蝴i cl e v e l m e a s u 矗n g m e t h o du n d e r s p e c i a l 、v o f k i n gc o n d i t i o n o n 也e b a s i so fa 1 1 a l y z i n gk i n d so fi e v e lm e a s 嘶n g 把c h 王1 i q u ei na n da b r o a d f i r s tw ee s t a b l i s ht 1 1 e p r e s s 毪f e 蠢s f 主b n t i o 珏爨鑫羔h e m 氛i em o li 珏s 论f 鑫g eb 法鞠d 氇麟d 毡e e 氆em 鑫t & 激a 童i c r e l a t i o nb e t w e e n1 e v e lh e 蟾h ta i l dt h e1 1 n i f b h ns t r e s so nt h eb o t t o mo f 也eb i na 1 1 dd e s i 鹃e da r e s i 虢m c e c o m p r e s s i v e s 旬s ss e n s o ru s e df o rt 量l e s p e c i a l c o n d i t i o na l l d p u tf o r w a r da r e s o l v e m e n ta c c o r d i n g 撼i t sz e 鳓e x c u r s 主o ne x i s t i n g 汪p r a c 斑越u s e 。i 珏o r d e rt or e a c h 晓e r e q u i r e m e n to fa p p l y i n gf o rt h em u l t i - o b j e c t i v ea i l dm u l t i p a r 锄e t e rm e a s u r i n g ，w ea d o p tt 1 1 e d i 撼b u 如葚c o 氆p u t e re o 纛轾o l l 磁s y s 绝搬w h i 馥l 沁艘8 9 c 5 2s i n g l ec l l i pw a su s e da se o 糟i n t h es y s t e m ，a l s ot h ec i r c u i to f s i 料a lc o n d i t i o n j n ga 1 1 dd 暑l 诅a c q l l i s i t i o na l l dp r o c e s s i n g 甜ea 王i i n t e g r a t e di n 也es y s t e m + w eu s en i x i e 劬et o 如l l f i hm ed i s p l a y i n g c t i o n 柚da d o p t h i g k c a p a c i t ym e m o r y t or 。c o 砖也e 如l ao f p d u c 娃。珏p r o c e s s ko 掇e r 论拄i 璩s 搬廷t h e 妇t 鑫 c 0 1 l e c t e dt ot 1 1 eu p p e rc o n t r o ic e n t e r ，m er s 4 8 5 n e t 、) 岫r kb u s t e c l l r d q u eh a sb e e ne n 巾l o y e di n 氇e m o n i 协r 主毪gs y s t e m t o c o m p l e t e 氆e 缸l e 垃0 no fc u n i c a 矗o n醅柳e e nt h c m i c r o c o n t r o l l e r sa n d u p p e rp cc o m p u t e n i no r d e rt oi m p l e m e n tt h ea u t o m a t i o no fp r o d u c t i o n p r o c e s s ，w eu s ef u z z yc o n t r o la l g o r i t 圭l mr o u t i n ei nt h es i n g l ec h i p i tc a i la d j u s tm eo p e n i n g a i l g l eo fe l e e 拄i cv a l v e s 诚也c o r r e s p o 建d i n gv o l 埝g ca c e o 蚶i n g | ot 酶f e 啦一糙em 基t e 矗越l e v e l t h a tm e a s u r e da n ds ot h ea u t o m a t i o nc o n “d lo fm a t e r i a l1 e v e l 、a si m p l e m e n t e d i nd e s i 窖no f p r o g i 端，w e 骓s em o 蕊l 秭z 撕o n 如s i 弘m e 氇o d 矗n da d o p 耄e d 铂ea c t 糯lp r c v 翻e n tk e i l c 51 c o m p i l e r t ow r i t et 1 1 ec o d eo f s i n g l ec h i pc o n t r o l l e r a sr e 8 a r d so fu p p e rp cc o m p u t e r ，w e a d o p t e db o n a l l dc 十+ 1 a n g u a g et od e s i g nt 1 1 ep r o 铲a mi n t e h c e 锄di m p l e m e n tt 1 1 e 胁c t i o n o f n 拄o ls y s t e 礅，w h a t s 融o r es e v e f a lk e ye o 琳p o n e 撼s u 出瓣也e 瓤p l e 热e 珏t 醚i o 建o fs 藤a l p o r tc l a s sa n dt 1 1 ec r e a t i o no f m u l t i t h r e a dw e r ea l s oi n t r o d u c e dh e r e k e yw o r d s ：l e v e l m e a s u r e m e n t ，f l j z 纠c o r l 臼l ，s e n s o n d i s m b u t i n g c o n t r o l s y s t e m ， s i n g l ec b i p i 学位论文版权使用授权书 謦1 s l ， 本学位沧文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被套阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数攒库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫撼等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文嚣予 保密口，在年解密盾适用本授教书。 不保密日。 学位论文作者签名：倪对弋 2 0 。手占冠i lb 指导教师籀名：彳圣刚 k ，0 5 年b 月l 1 日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 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。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：倪狄 日期： 彬年，月f 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第1 章绪论 在生产过程中常遇到大量的固体和液体物料，它们无论在容器中或其它场地上都要 占有体积和堆成一定高度。在槽斗、罐、堆场、仓库等所储存的固体块、颗粒、粉料等 的堆积高度和表面位置叫做物位。我国工农业生产和国防建设正在飞速发展，对生产过 程自动化及自动化仪表，其中包括物位测量仪表，提出了新的要求。例如：化工生产和 某些橡胶生产过程要求对高粘度介质的物位进行测量与控制；在采矿场、农产品贮仓、 水泥库等地方要求对固体颗粒及粉料面位置的测控也愈来愈多。连续铸钢锭时结晶器中 钢水液面的测控问题也亟待解决，因此物位测控逐渐为人们所重视。 尤其对于特殊工况条件下( 如被测对象环境温度较高，且物料下落时会产生飞溅、 出现粉尘等现象) 动态物位的检测问题，已成为企业能否实现生产自动化的关键所在。 虽然目前市场上出现了各种物位测量仪表，而且新的物位检测方法也不断产生，但对于 散粒体在动态变化状态下的物位测量，而且料仓内还有散粒体的飞溅，热气的蒸发等现 象，已有的物位测量仪表显得并不适用。比如，传统的电容式物位测量仪表虽然是产品 最为成型、功能最为完善、目前应用最为广泛的一种物位计，但有一个严重的弱点，即： 当料面以上有粉尘或飞溅的物料颗粒时，会导致被测电容加大，产生很大的测量误差： 光电式物位计虽然能够应用于高温高压、腐蚀性介质的场合，而且随着光电技术的发展、 光纤转换技术及其器件的应用，它的性能会越来越趋于完善，但它的灵敏度和精度都不 高，且环境光的影响会引入很大误差，甚至能引起误动作：y 射线料位计以它独特的对 工艺介质实现非接触式检测的特点，能够解决常规仪表无法解决的技术难题，但y 射线 的长期辐射对人体健康非常有害，因而它的应用受到了一定的限制；超声波物位传感器 是目前比较流行的测量物位的方法，但本要求测量的物位是动态的，物料在下落过程中 可能会被超声波探测到而误认为是当前的物位高度，所以也不适合。 同时，在工矿企业中，当物料达到设定值以后，都是采用人工手动开关阀门去控制 料位高度，这不单降低了控制精度，而且提高了工人的劳动强度：对于大型企业来说， 一般被控对象是多目标、多参数的，采用这种传统的方法更显得无能为力。同时，由于 被测对象的工作环境恶劣，系统各种随机干扰严重，加之物料采用风机通过管道输送， 时滞较大，如采用传统的控制方法，控制效果也不甚理想。 综上所述，特殊工况条件下动态物位的检测是当前检测领域中的一个难题，也是实 现企业生产自动化的前提，在此基础上，采用现代先进的控制方法实现对多目标被控对 江苏大学硕士学位论文 象的自动控制，降低工人劳动强度、提高企业生产效率和经济效益是必要而迫切的。 1 2 研究的目的和意义 本课题的研究对实现化工企业中料仓物料高度的动态检测和智能控制，取代人工的 手动操作，促进企业现代化管理，提高企业生产效益具有重要意义。 本课题的研究工作对生产实践具有以下指导意义： 1 针对特殊环境条件下动态物位的检测问题，提出了新的解决办法，即将电阻应 变技术应用于物位测量中。它以经济简洁的方法解决了对料位高度的测量，同时适应在 中温( 1 5 0o c 以下) 、高压等恶劣环境下工作。它能够精确的保证测量精度而不受挂料、 温度、压力、材料密度、湿度甚至材料化学性质变化的影响。 2 采用r s 4 8 5 现场网络总线控制技术，可以将操作现场的物料高度实时传送给远 处( 1 5 0 0 m 以内) 的主控计算机，使得工人不必在现场环境下就可知道当前料位值，降 低了工人的劳动强度，便于企业对多个料仓的物料实现统一集中管理。 3 针对被控对象具有变参数、干扰严重、时滞较大、难于控制等特点，采用先进 的模糊控制方法实现料位高度的精确控制，实现了企业的无人化管理和生产自动化。 上述研究对解决当前复杂条件下料仓动态物位的测量和自动化管理具有重要的指 导作用和应用前景。 1 3 研究现状和发展趋势 要实现对物位高度的自动化控制，能否精确的检测当前料位高度是技术关键之一。 近年来，出现了许多新型的物位检测方法，各种物位测量仪表也发展很快。目前物位测 量仪表主要有三个发展方向：非接触测量、物位仪表智能化和小型化、集成化。同时随 着科学技术的发展，以及其他相关领域的最新成果向物位测量方面的移植，使得物位测 量仪表在一些特殊场合( 如高温、高压、高真空等) 获得了更广泛的应用，测量精度也 有了进一步的提高。 1 3 1 国外物位检测的发展现状 对于物位测量这一领域的研究，外国的起步早，投入的资金雄厚，发展非常迅速， 在7 0 年代就取得了瞩目的成就。到目前为止，国外的许多家公司都研制出具有代表性的 一系列功能齐全、自动化程度高、精度高的测量系列与相应产品。例如：美国 d e l b r o o k 公司研制的u m v e r s a l l i i 连续物位变送器( 其精度可达0 1 ，量程最 大为1 5 米，4 2 0 m a 电流输出，上下限位报警，叠加智能通讯协议一h a r t 、h o n e y w e l i r 1 0 0 2 0 0 或d e 数字协议) 、r o s e m 0 u n t 公司生产的s m 甜t a n k h t g 系统( 其精度为 2 江苏大学硕士学位论文 o 1 。o 2 ，可用r s 2 3 2 或r s - 4 8 5 与上位机接口并可组成网络系统) 、加拿大s c i - t e c 仪表公司生产的p e i r 0t a g 静压式液位测量系统( 其精度高达0 0 2 ，可室外安装显示 器或室内用p c 微机带c r t 显示器显示控制，利用通讯接口可组成局域网) 以及日本松 岛机械研究所研制开发的电容式物位计等，这些产品广泛应用于工业、石油化工、食品、 医疗卫生等领域，成功的打入了国际市场并开始进入我国物位测量领域。【2 j 1 3 2 国内物位检测的发展现状 由于历史的原因，过去，我国的经济发展水平比较落后，各种基础行业的资金投入 很不到位，造成各相关领域发展缓慢甚至停滞不前，使得物位测量技术、测量方法相当 落后，产品自动化程度不高，精度、可靠性、功能等与国外的物位测量水平有很大的差 距。据有关资料表明，仅物位测量这一领域，与美国、日本相比落后2 0 3 0 年，与加 拿大、德国相比落后1 5 2 0 年0 1 。 近年来，特别是改革开放的近二十年间，我国的经济技术水平得到了迅猛的发展， 国家增加了各基础行业的资金投入，测量技术得到了更新，物位测量发展比较迅速。例 如，上海自动化仪表五厂、上海集成仪器仪表研究所、北京新大运传感技术公司等科研 机构与部门研制开发了开关式和连续式电容物位计、智能超声物位计i l m 2 3 2 、浮子式 物位计和重锤式物位计u z z 0 2 等，北京集讯系统有限公司开发的l e v e lp l l l s 液位计旺1 ， 这些产品的性能指标、功能都较以前同类产品有很大程度上的提高，但和国外的物位测 量仪表相比仍有待改进。 1 3 3 模糊控制理论的发展现状 本课题是采用模糊控制理论实现对物位的检测与控制，模糊控制与传统的控制相 比，具有实时性好、超调量小、抗干扰力强、稳态误差小、自动化程度高等优点。它集 经典控制与经验控制于一体，应用范围更广，尤其对经典手段难以控制的对象或只能靠 有经验的操作人员才能控制的对象更为适用。它通用性较强，可用于温度控制、压力控 制、速度控制、湿度控制等，特别是工业过程和家用电器的控制。采用模糊控制，把操 作工人的经验转换为模糊控制规则，以达到精确控制的目的，不单减轻了工人的劳动强 度，还减少了培训熟练操作工人的费用，提高生产效率、降低生产成本，促进企业的现 代化改造和管理。 1 9 7 4 年伦敦大学m 锄d a n i 博土首次尝试利用模糊逻辑，成功地开发出世界上第一 台模糊控制的蒸汽引擎。1 9 6 5 1 9 7 4 年是模糊控制发展的第一阶段。第二阶段大约从 1 9 7 4 一1 9 7 9 年，这是产生简单模糊控制器的阶段。1 9 8 0 年丹麦的斯密司公司首次应用 芯片在水泥烘干机中成功地实现了模糊控制，但其自适应能力和鲁棒性很有限，稳定性 也不够理想。1 9 7 9 年至今是发展高性能模糊控制器的第三阶段。1 9 7 9 年t j p m c l y 和 江苏大学硕士学位论文 e h m a i l l d a n i 共同提出了自学习概念，使系统性能大为改善。1 9 8 3 年日本富士电机开创 了日本第一项应用水净化处理。1 9 8 7 年日本仙台地铁线采用了模糊控制器“1 。 我国也是世界上模糊控制技术研究的领先者之一。1 9 8 8 年3 月由北京师范大学汪培 庄教授及其博士生张洪敏等研制成功的“模糊推理机分离元件样机”，成功地实现了控 制倒摆实验。东北大学田春山所开发的“自来水给水模糊控制器”已形成产品。9 0 年代 初，北京模糊工程中心的陈永义教授等先后研制开发了玻璃拉管线模糊逻辑控制器，电 冰箱模糊控制器，可编程模糊逻辑控制器b f k c 一8 9 8 系列产品，都已形成产品并投入 运行。 从本世纪末到下世纪初我国在模糊控制研究开发领域将有更大的发展，主要反映在 模糊控制理论的研究和模糊逻辑控制产品的开发上，特别值得强调的是模糊逻辑在智能 计算机与智能控制的应用与开发上将起到重要的作用。 1 4 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容有： 1 分析所要求的测量工作环境，考察料仓中的压力分布关系，根据料位高度和仓底 均布压力间的关系设计符合条件的传感器，并根据特殊工况下动态检测的要求，提出改 进传感器性能的措施，以保证测量精度； 2 设计传感器信号调理部分的硬件电路，并对其进行标定，以确定传感器的性能参 数； 3 设计单片机控制系统的硬件电路，包括a d 采集、数码管显示物料高度、d a 转 换、大容量存储技术的实现及通讯部分电路。通讯部分采用的是r s 4 8 5 网络总线技术并 应用了多机通讯原理，组成分布式计算机控制系统，以实现对多目标被控对象的检测与 控制； 4 推导控制系统的数学模型，确定模糊控制器的结构，并根据工人的操作经验设计 相应的模糊控制规则，编写相应的模糊控制算法： 5 软件设计方面，下位机采用的是单片机高级语言k e i lc 5 l 开发，上位机应用程 序采用的是b o r l a l l d c + + b u i i d e r 语言，涉及到串口类的实现、多线程的创建等几个关键 技术，实现了控制系统所要求的功能。 4 江苏大学硕士学位论文 第2 章物位测控系统的总体方案确定 2 。1 物位的概念疑分类 在缀多工犍生产过程中，裳紫篱要测量嚣钵粒滚体数物经。逶常溥况下，物经可敬 分为以下三类0 1 ，即： 第类被称为液位，它楚指浦罐、求塔、水库等容器内所储存瀚液体袭面的位置或 液钵毫度，这也就是我们平常所说的物像。 第二类是指料位，即炉、罐、槽内的颗粒状或粉米状固体物质的体积或高度。 第三类静器位，它是疆不同魄夔互不糖漆黪滚体瓣分秀谣，如洼田生产过纛孛灌与 水的分界面。 以上三类统称为物位，穰据上述被测对象不同，物位溺鬃又可驻分为液位测藿、料 位测量以及器位测量。本漾题研究的对象是属予第二炎豹料锭高度测量。 2 。2 料位检测的特点 教歉 奉颞粒在料仓旁存放时篡骞以下特点： ( 1 ) 物料在自然堆积时，存在着堆积倾斜角，叫做安息 怒，匿魏糕嚣楚不平熬，参着餮2 。l 嚣示鼢氇熊； ( 2 ) 粉料、块料之间有微小间隙，它在受到振动、压力 及潮湿时，间隙会产生变化，料位也隧之改交； ( 3 ) 物料在下落过程中，会产生物料弱飞溅、气钵豹飞 扬等现魏。 由予辩位测量具有淤上特熹，给精确测量带来困难。本 课题的测量对象除具有上述的特点外，间时还灏临中温、高 聪和粉垒等恶劣工作环境的影响，这也怒我们选择测麓方法 鳇技拳关键。 2 3 几秘害斗位测量方法的比较拍3 图2 ，l 料仓物料堆积承意图 f i 9 2 ld i a g r a m m a t i cs k e t c ho f m 毗n a l p 舵k l n g | ns t o c k b l n ( ) 回转轮式辩位识号器 可用于料斗或料仑内对料位的上限报警。同步电机通过齿轮对蜗轮一蜗杆带动回转 鬟轮戳1 2 转分的速度旋转，当粪轮簸及耪辩辩，受到阻力停丘转动，餐在电动梳俸 用下，蜗杆轴继续转动，并淤蜗轮切向向前移动，压缩弹簧并推动微动开关切断电机电 江苏欠攀磺每学锭论芰 源，黼辩溺音撤警融点，发掇诫号。这释溺爱方法哭栽一凌髓添蘩舔定不变簿镑德，嚣 魏黼搴没测量不逶鬟。 ( 二) 藿镪探测式料位计 重囊式餐敲议表鲻予囊髓逶滚爨耱馥窿凄。瀣镶黢惑裁接受茬裂器灏羹套令落，探 料执嚣枫擒动佟，电机转动，放松熬镶，让它从预先憝定好的原位( 零点) 靠自煎开始 下阵，南予壳嘏管位鬻交送器隧动跟踪俸耀，爱国光惑谲号，经计数译羁及逶辑掩麓露 努裁戆爱获窭襟头下辫蕊攘黢篷萋，势交嚣示搜寝表头搂窭料诬蹇发。这辨方法也是不 可以测爨邂续变化的物位，跚此不邋用。 ( 三) 暴蕊式耪搜诗 舄鏊溅麴攮诗可掰寒连续攒示融钵料健。块燃灼靛艘斑较小，吊然由一片片融麟片 藤秆或衾属丝串成菡穗形，精簸通常一部分建予物料审，当辩谴上升或下降辩，褡用于 暴篷圭豁戈袋醵爨逮瀵熬凌滚乡；效力壶挺譬乎簿磬转换燕簸移，磷强实珑戳经撰零。 它可用来测量流动的颗粒固体流料位。它的优点怒可用予高潞( 8 0 0 。c ) 、高压( 1 0 0 公厅蠢懑添2 ；藉痰士 。s 。欢焘燕技滚戆秘窑磊堵塞在器连接冀串，嚣羹程较枣。 ( 鞘 叛鹚冀式瓣挝讯母器 振动片式辩位讯静器有驱动潲，军 j 雨工业额率愈磁铁健振动片振动，警振确片末 端寒錾及镪翳辩，簇感与羲愁冀蕊鼷按逶，骞辣渖爨滚滚过壤察嚣爨程器浆嚣黪避窖骞 足够的豫而傻灵敏继电器嗷上，按通被控回路的触点。当物位升礴触及掇动片时，振 萄片攘疆蔽簇攀减，j 、藏箨摄，簸煮不再羧逶，嚣魏裹簸缝毫器释敖，媛控嚣舔繇嚣，爱 爨接剿讯譬或溅行擐蛰。照方法逶爆予物掌 喜鲍上限经报警，蹲撵不避会测爨连续炎化豹 动恣料彼。 ( 五) 蘧黟浚魏撼灏耋 超声波物证计采用j # 接触式测艇技术，是利用超声波在两种物质的分界黼上的反射 特犍恧裁畿静。弼粟肽发瓣捺耱器靛菇蘧声赫 串嚣难，銮g 搂羲换麓嚣搂羲藏瓣嚣没鸯变 熬这个雾孪海弱骥为已触，裁磷以求出分秀鬻豹搜鼹。这瓣物搜溅量方法可以用于锫个工 业领域，如：水、塑料加工行业、化学工姚、建筑、食晶以及能源工业等。测量介质可 戮楚器秣凌菠豁。篓子在蘩辫下落过程孛念产耋甥赣熬飞蒙，最斧毒凝玺等，簧淡越声 波检测熟方法同样也不适会。 2 。雌动恣物位测攘系统的组成和工作原礁 考感划上述诸多暇豳，缀合第一章中对其它测量方法的分析介绍，所以采用威变式 鼹越力话懑器技为理想，帮萼箨宅疆纛变技术应蔫予耱馥溅萤串。它黻经济簿潘戆方法簿 6 江苏大学硕士学位论文 决了对料位高度的测量，同时适应在高温、高压等恶劣环境下工作。还能够精确的保证 测量精度而不受挂料、温度、压力、材料密度、湿度甚至材料化学性质变化的影响。 分布式物位测控系统如图2 2 所示，它主要由多路传感器接口电路、单片机控制系 统、通讯接口电路和上位主控计算机组 成。为满足远距离传输数据的要求 ( 1 5 0 0 米以内) ，这里采用工业控制和 测试领域都普遍采用的r s 4 8 5 通讯网 络。在应用r s 4 8 5 接口的场合，上位 机需配置专门的通讯卡，本系统采用的 是研华公司提供的双端口带隔离的 p c l 一7 4 5 卡，其通讯波特率从1 2 0 0 5 6 0 0 0 可选，中断级也可通过卡上跳线 选择。单片机控制系统安装在操作现 场，传感器放置在料仓的底部，它将料 仓的压力信号转换为电信号输出，然后 经过多路传感器接口电路放大、滤波 图2 2 物位测控系统原理图 f i 9 2 - 2p n c i p i cd i a g r mo f l e v e lm e u r i n gs y s t e m 后，再由单片机控制系统转换为数字量并将其换算为料位高度值，然后经过控制算法， 判断出施加在控制阀门上所需的电压量以改变阀门的开度：同时，检测的高度值还通过 通讯接口电路实现电平转换并将数据传送给上位控制中心。上位主控机则安装在远离现 场环境的控制机房内，负责实时显示数据曲线和保存数据列表的功能，以对现场8 个料 仓的物位高度实现统一集中管理。 江苏大学硕士学位论文 第3 章信号检测系统设计 对料位高度信号进行准确检测是实现精确控制的前提，本部分着重介绍了传感器及 其信号调理部分的设计，并进行了检测系统的标定。 3 1 传感器设计 传感器的设计是物位检测的关键问题之一，根据系统特殊工作环境的需要，本控制 系统选用平膜片电阻应变式压力传感器。应变式压力传感器是目前测量压力精度较高， 使用且安装方便的一种传感器。不同的压力范围有不同的结构形式，能够满足目前工程 测试中全部压力范围的需要，它解决了特殊环境条件下料仓物位高度的动态测量这一难 题，同时适应在高温、高压等恶劣环境下工作。它能够精确的保证测量精度而不受挂料、 温度、压力、材料密度甚至材料化学性质变化的影响哺3 。 3 1 1 料仓压力分布数学模型 料仓所受的主要载荷有物料对仓壁的侧压力、垂直压力及对仓底板的压力。压力的 分布规律与物料的力学性质、料仓形状、物料堆积深度有关。这里研究散粒体物料对仓 壁的压力分布时，假设物料不受振动等外界因素影响，且也不考虑物料动态下落时所产 生的冲击。 在研究料仓内压力分布时，首先假定仓内任何水平面上的垂直压力为一常数，且压 力比( k = 盯，盯) 也为常数。 在距仓内物料上表面为y 处，取出d y 微小物料层，其受力如图3 1 所示，若料层横 截面积为a ，周长为c ，液力半径( 横截面面积与周长的比值) 为尼，则受力平衡方程 为： z 胎。姓土盐i i “i “i 工足q 吒+ | 妙 | + q 吒1 叫 妙 l 十q 丌丌阿阿阿m 耵 口，+ d 口 图3 - l ：料仓内d y 段物料层受力图 f i 9 3 一if 0 r c e d i a g r a m o f t i 吖s c c t o rr n a t c r i a y c r i ns t o c k b n 江苏大学硕士学位论文 盯1 爿十一砂一( 仃1 + d 盯i ) 爿一正盯3 c 方= 0 盯l 爿+ 列痧一( 盯l + d 盯i ) 爿一工k 盯l c 砂= 0 所以! 孚1 ：y 一玛盯。r 。，其中r 。= 爿c 盯v 当y = o 时，盯= o ，积分得 旷去”e 等， 铲弛= 争e 等， 式中y 一物料重度；z 一物料和仓壁间的滑动摩擦系数；k 一压力比 由式( 3 1 ) ，仓底层侧压力为铲李( 1 一。警) ) ； ( 3 1 ) 式中 为物料深度。 因为物料对仓壁的向上的力是由物料和仓壁问摩擦作用而产生，其合力f 可表示 为： f = “叻= 等c 等卅一e 等 所以物料对仓底的总压力为： p = g f( 3 2 ) 式中p 一物料对仓底压力( n ) ：g 一物料的总重力( n ) ；f 一物料对仓壁所产生的摩 擦力的合力( n ) 。 因此由( 3 2 ) 式可知，散粒体物料对仓底的压力远小于物料的重力，它等于物料 总重力和物料对仓壁所产生的摩擦力的差。且物料所产生的压力p 与料位高度 成一定 关系。因此，对料位高度的测量就可转变为对压力的测量。 设料仓直径为4 聊，高为2 0 坍，散粒体滑动摩擦系数工= o 4 2 ，压力比k = o 4 4 ， 凡= 4 c = 2 m ，代入式( 3 2 ) ，可得： p = 等”e 一等瑚s 4 ”e _ 0 “， ， 因此在料仓底部产生的均布压力p ( k n ，m 2 ) 为： p = 丢= 7 5 9 7 ( 1 玎。6 ) ( 3 - 4 ) 9 江苏大学硕士学位论文 由式( 3 4 ) 可见，物料高度和压力分布呈指数关系。根据仓底部的均布压力p 设计 平膜片式压力传感器，其结构示意图如图3 2 所示。平膜片的边缘是刚性固定，其表面 粘贴4 片应变片组成全桥，在均布压力p 作用下，膜片产生应变，从而使传感器的输出 电压发生变化。因此，根据传感器检测的输出电压，经过单片机控制系统的换算，即可 求出当前物料高度值。 3 1 2 传感器的数学模型及参数设计“_ 8 。”1 一、传感器的数学模型 电阻应变式压力传感器中应用最广泛的是圆膜式压力传感器。它的弹性元件常用的 是等厚圆板或硅圆板，其结构示意图如图3 2 所示。 假设弹性膜片周边是固支的，膜片在均布压力 p 作用下是处于小挠度状态，并且只考虑弯曲应 力，根据弹性力学理论，这时径向应力盯，和切向 应力仃分别为 径向应力： 咿斋咖训( 3 训】 切向应力： 咿署 以1 训- r 2 ( 1 坪) 】 径向应变，和切向应变为 径向应变 切向应变 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 铲华 ， s ：王二兰! ：( 3 8 ) e 分别将式( 3 5 ) 、( 3 - 6 ) 代入式( 3 7 ) 、( 3 8 ) 得到 铲地铲 ”迦= 岂挚二垒 8 助2 1 0 图3 - 2 传感器结构示意图 f i g 3 2d i a g r 虮lo f s e n s o rs t m c t u r e 江苏大学硕士学位论文 式中 p 一均布压力( n m 2 ) ；a 一膜片有效半径( m ) ；一材料泊桑系数；e 一膜片 弹性模量( n n 2 ) ；r 一距膜片中心的径向距离；6 一膜片厚度( m ) 。 图3 3 是占，、沿，的变化规律，由图看出在 圆膜中心( r = 0 ) 处占，和均达到正的极大值， 即 3 口2 p ( 1 一2 ) 0 剐，2 盖矿一 由公式( 3 5 ) ，在圆膜固定端( ，= a 处) ，径向应 力盯，达到最大的负值， 即 弭= 等 则膜片厚度6 =( 3 9 ) 7 。弋弋 一 ， 7 图3 - 3e ，。沿r 的变化规律 f i 9 3 3v a r y i n g ”g u l i t yo f8 御d et w i t ho b ，且母较小时 等”c o s o ( 4 - 5 ) 于是 铲 鲁 ( 4 - 6 ) 由该式可见，通过偏心凸轮使平板的位移x 。与滚轮水平向左的位移工：之间变成了线性关 系，因此偏心凸轮在此起到了线性化作用。 6 力矩马达 力矩马达并非一般的电机，如图4 2 所示，它对外仅仅提供了力矩而输出的转角很 小。它的工作原理是：在对称安置的两块永久磁钢及接铁中间，有较强的磁场，在这个 磁场里安放着带支点o 的铁芯，铁芯周围绕着线圈。当线圈里通入直流电流时，铁芯被 磁化，其两端呈现n 、s 极。在磁力吸引和排斥作用下，铁芯会出现以支点o 为轴的转 矩。电流越大转矩越大。电流反向转矩也反向。实质上力矩马达和动圈仪表的原理一样， 不过输出力矩要大得多。 系统采用的该装置利用直流信号控制气动调节阀，并兼有定位器的一切功能。用此 装置就不必经过电信号到气信号的转换，省去了电气转换器，而且从控制室到现场的信 号全都是电信号，气源和管线只要敷设在调节阀附近就可以。 二、气动装置传递函数的建立【2 4 】 设气源压力为p s ，稳态时气动放大器输出的控制压力为只，薄膜阀阀内压力也为 只，阀杆的位移为x 。假设在卢0 时，控制压力由只变为只+ p 。，于是阀内压力将从只 变为只+ p ，并引起阀杆的位移由x 变为x + 一，如图4 - 2 所示。 设通过气阻r 输送到隔膜阀的空气流量为q ，于是 江苏大学硕士学位论文 其中 或写成 。= 竿 足：篁堕差塑銮些! 堡垄! 墨垦：! 一 气体流量的变化( 磅秒) r ：皇 d q 式中d ( p ) 是气体压力差的微小变化，d q 是气体流量的微小变化。通过试验，由压 力差与流量之间的关系曲线计算给定点上的曲线的斜率，可以容易的确定气阻r 。 对于隔膜阀中的空气室有 g 勿。= g 出 其中c 为容器的气容，定义为： r ：查堡笪皇堡塑銮垡! 壁! ：l 。 气体压力的变化( 磅力英尺2 ) r 瓜。t 上式具体推导过程见文献【2 4 。 因此， c 蔓：口：旦! 二翌! 出 1 r 由此得到 r c 粤= p c 讲 由于爿。p ，= 缸。，其中厶为调节阀膜片的有效面积 所以 砉( r c 鲁蝎) 诅 ， 设喷嘴背压的变化与喷嘴一挡板距离之间存在线性关系，即 只= l x 4 若喷嘴背压的变化使气动接续器隔膜的偏移为z ，则b = j ：= 隔膜的偏移使控制压力发生变化，如隔膜阀的构造使p 。和z 之间为线性关系，即 江苏大学硕士学位论文 所以 由图示的比例关系，可得 = 屯z 只= 乏只= 等x t x ，c x a d 石：6 x ，c ( 4 8 ) ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) 生：旦 ( 4 1 1 ) 屯上1 设系统的刚度为k 4 ，杠杆l 和杠杆2 之间的弹簧弹性系数为k 5 ，力矩马达的输出转 矩与输入电流成比例，比例系数为k ，根据定位器的工作原理，结合式( 4 6 ) 、( 4 7 ) 、 ( 4 - 8 ) 、( 4 9 ) 、( 4 1 0 ) 、( 4 1 1 ) ，可画出它和执行器的负反馈闭环系统的方框图，如图 4 7 所示。 翻4 7 阀门定位器与执行器组成的闭环系统方框图 f i 9 4 - 7b l o c kd i a g r a mo f c i o s e dl o o ps ”t e mc o m p o s e d o f v a l v e p o s i t i o n e ra n dp e r f o n c r 方框图中，i 一输入电流：七。一力矩马达输出转矩与输入电流的比例系数：m ，一输 入力矩；m ，一反馈力矩；d 一喷嘴挡板到杠杆2 支点的距离；一系统刚度：x 。一喷 嘴挡板的位移：毛一喷嘴背压与喷嘴一挡板距离之间的线性系数；一喷嘴背压的变化 与气动接续器隔膜位移间的比例系数；七1 一气动接续器隔膜位移与控制压力间的比例系 数；p 。一调节阀的控制压力；爿。一隔膜调节阀膜片有效面积；七一调节阀内弹簧的弹 性系数；r 一气阻；c 一气容；凡一凸轮大圆半径：a 一摆杆长度：x ：一滚轮的水平位 江苏大学硕士学位论文 移；厶一杠杆1 的长度：口一滚轮到杠杆1 支点的距离；为一杠杆1 末端的水平位移 m ，一反馈力矩，_ 一调节阀阀杆的垂直位移。 由方框图可求出输入控制电流i 与调节阀阀杆输出位移z 之间的关系为 垡垡，一丛坠鱼：五( 1 + 垫垡丛生) 搬2 七4 ( 1 + r c f )口c 玩七2 七4 ( 1 + r c j )卜口c 拖七2 七4 爿( 1 + r c ，) 7 4 2 2 被控对象数学模型的建立 物料输送系统可简化为图4 8 示的一阶纯滞后环节【2 4 1 。物料流入量为q i ，改变调节 阀l 的开度p l ，可改变q l 的大小。物料流出量为q 2 ，取决于需要大小，可调节阀门2 的开度加以改变。料位h 表示料仓中物 料的高度，h 为被控量。根据物料平衡的 关系，物料流入量和流出量之差等于料 仓中物料贮存量的变化率。 增量形式可表示为： q + 。一q ：4 掣( 4 - 1 2 ) “i 式中蜴+ ，q 2 ， 分别为偏离某一平衡 调节阀i 图4 8 物料输送系统简化模型 f i 9 4 8b n e f m o d e i f o rm a c c a ld e l i v e r ys y s t e m 状态q 1 0 ，q ：。，的增量；a 为料仓截面积。 由于物料经过较长的通道进入料仓。当阀门开度变化引起流量q l 变化时，要经过 一段传输时间t o 才使q t 发生变化，从而使物料高度发生变化。设q l 与阀门1 开度的 变化量“的关系为： ql = 足。“ ( 4 1 3 ) ，式中k 。为比例系数。 设滞后时间为f 。，由( 4 1 2 ) 、( 4 - 1 3 ) 得： 眠警+ 幽：k r ：龇( f - f 。) 出 9 一、 ” 经过拉氏变换得： 帅) = 杰e w 式中，t 一被控对象时间常数，k 一放大倍数，且丁= 一r 2 ，k = k 。r 2 ，r 2 一阀门2 的 阻力。 江苏大学硕士学位论文 4 3 模糊控制系统 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控 制，其基本概念是由美国加利福尼亚大学的著名教授查德( l a z a d e n ) 首先提出的， 经过2 0 多年的发展，在模糊控制理论和应用研究方面均取得了重大成就。 1 模糊控制系统构成f 2 5 ，2 6 ，2 7 】 模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、被控对象和测量装置 等五部分组成，如图4 9 所示。 图4 9 模糊控制系统 f i 9 4 - 9c o m p o s eo f f u z z yc o n 仃口ls y s t c m 模糊控制器是控制系统的核心部分，它是采用基于模糊知识表示和规则推理的语言 型模糊控制器。主要指含有设计好的模糊控制算法软件的计算机或由专门集成电路构成 的模糊控制芯片：输入输出接口不仅具有刖d 、d a 转换装置，还应该有适用于模糊逻 辑处理的“模糊化”和“解模糊化”环节；执行机构指如液压阀、液压马达等；被控对 象可以是确定的或模糊的、单变量或多变量的、有滞后的或无滞后的、线性的或非线性 的，例如料位系统等；测量装置是将被控对象的各种非电量转换为电信号的一种装置， 如角度传感器、压力传感器等。被控对象决定了模糊控制器的输入输出结构；模糊控制 器的输入结构又决定了需要检测的物理量；物理量需要经过a f d 转换送入控制器，而模 糊控制器的输出结构自然决定了执行结构的设计。 在模糊控制系统中，为了提高控制精度，要及时观测被控制量的变化特性及其与期 望值间的偏差，以便及时调整控制规则和控制量输出值，因此，往往将测量装置的观测 值反馈到系统输入端，并与给定输入量相比较，构成具有反馈通道的闭环结构特性。在 本系统中a d 采用的是a d c 0 8 0 9 ，d a 采用a d 5 5 8 ，执行机构为气动阀，测量装置为 压力传感器，而模糊控制采用编写软件查询模糊控制表的方法实现。 2 模糊控制器 模糊控制器是模糊控制系统的核心部分，其一般结构如图4 1 0 所示。 它包括有：输入量模糊化接口、数据库、规则库、推理机和输出解模糊接口五个部 分。模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于模糊控制输出的求解，即模糊控制器的 输入接口，它的主要作用是将真实的确定量输入转换成一个模糊矢量。数据库所存放的 是所有输入、输出变量全部模糊子集的隶属度矢量值( 即经过论域等级的离散化以后对 江苏大学硕士学位论文 应的集合) ，若论域为连续域，则为隶属度函数。在规则推理的模糊关系方程求解过程 中，向推理机提供数据