基于卡爾曼濾波的陶瓷配料控制系統(tǒng)
唐德翠，李虎山
（廣東技術(shù)師范學(xué)院自動(dòng)化系，廣東廣州510635）
摘 要：介紹了陶瓷配料控制系統(tǒng)的控制原理以及基于avr單片機(jī)的電子秤硬件設(shè)計(jì)。針對(duì)配料系統(tǒng)中干擾多，傳統(tǒng)pid控制精度不高、穩(wěn)定性較差的不足，提出基于卡爾曼濾波的pid控制器設(shè)計(jì)算法。該算法基于線性最小平方法進(jìn)行有效遞推計(jì)算，通過(guò)設(shè)置卡爾曼濾波器各項(xiàng)參數(shù)，可提高系統(tǒng)控制性能，并對(duì)加入濾波器前后2種情況下的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，仿真結(jié)果表明，在相同的外部奈件下，采用卡爾曼濾波器的pid控制系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)的pid控制系統(tǒng)，并將該算法應(yīng)用于陶瓷配料系統(tǒng)中，算法投入前后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表明，提出算法提高了對(duì)象控制精度，穩(wěn)定了陶瓷地磚的質(zhì)量，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：陶瓷配料；電子秤；pid控制器；卡爾曼濾波器
中圖分類號(hào)：tp 273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a
1引 言
陶瓷配料是陶瓷瓷磚等產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的前序環(huán)節(jié)，陶瓷中各耪陶瓷粉料的比倒和份量的精確與否，對(duì)瓷磚的質(zhì)量起著非常重要的作用。傳統(tǒng)配料控制采用單純的pid控制模式，雖然可以在一定程度上滿足系統(tǒng)的要求，但是其拉制精度差，穩(wěn)定性不高，加上配料控制系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，信號(hào)中存在大量隨機(jī)干擾信號(hào)，因此，單純pid控制很難滿足目前配料高達(dá)百分之0.5的精度要求。
卡爾曼濾波器對(duì)于系統(tǒng)中存在過(guò)程及測(cè)量噪聲，狀態(tài)變量受到污染的系統(tǒng)進(jìn)行有效濾波，加之卡爾曼濾波算法是一種遞推算法，特別適用于在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。因此，本文提出將卡爾曼濾波用于陶瓷配料控制中，采用基于卡爾曼濾波的pid控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)配料系統(tǒng)的控制，能夠有效減少信號(hào)傳輸過(guò)程中干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)控制精度的影響。
2 陶瓷配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
配料控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、皮帶配料秤（電子秤）、變頻器、電機(jī)、荷重傳感器和編碼器組成，結(jié)構(gòu)如圖l所示。
編碼器用于連續(xù)測(cè)量給料速度，其脈沖輸出正比于皮帶速度，電子秤接受皮帶上的負(fù)荷信號(hào)及皮帶速度信號(hào)，經(jīng)計(jì)算處理后得出實(shí)際給料速度，實(shí)際的給料速率與所設(shè)定的給料速率不斷地進(jìn)行比較，并將控制信號(hào)輸出給變頻器以控制皮帶速度，從而實(shí)現(xiàn)定量給料和計(jì)量。
多臺(tái)電子秤與工控機(jī)通過(guò)rs485通訊，上位機(jī)對(duì)多種物料按一定比例設(shè)定形成某個(gè)配方并存儲(chǔ)，配料開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的流量下載到對(duì)應(yīng)電子秤，同時(shí)匯總各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)一操作指揮，實(shí)現(xiàn)配料系統(tǒng)的自動(dòng)化。
在配料控制系統(tǒng)中，電子秤是其核心部件。本系統(tǒng)使用電子秤為作者自己開(kāi)發(fā)，硬件有avr單片機(jī)atmega64，荷重信號(hào)一級(jí)放大器ad620，a/d轉(zhuǎn)換芯片ad7705，d/a轉(zhuǎn)換芯片tlc7528．max485鍵盤，rt128.64顯示屏及驅(qū)動(dòng)芯片，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1中的虛線部分。
皮帶上流量設(shè)定值通過(guò)儀表鍵盤設(shè)定，單片機(jī)atmeca64通過(guò)ad7705采集皮帶荷重，該信號(hào)與皮帶速度信號(hào)（該信號(hào)正比于編碼器脈沖輸出）計(jì)算得出實(shí)際物料流量，實(shí)際流量通過(guò)lcd顯示屏實(shí)時(shí)顯示給操作人員，atmeca64將實(shí)際流量與設(shè)定流量比較，經(jīng)卡爾曼濾波pid控制器計(jì)算后給變頻器，實(shí)現(xiàn)皮帶流量的自動(dòng)控制。
3控制算法
1)控制方案 按照工藝要求，連續(xù)配料系統(tǒng)必須保證備種原料在單位時(shí)間內(nèi)的流量為給定的固定比例。
現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)固定比例采用的方案有如下2種：
①一種原料物流量變化，要求其他原料物流量相應(yīng)變化。采用此種方案的配料系統(tǒng)成為一個(gè)相互耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)。
②穩(wěn)定各種原料的物流量，使各種原料在單位時(shí)間內(nèi)的物流量為給定的固定比例。此方案把多變量系統(tǒng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單輸入單輸出系統(tǒng)來(lái)處理，易于實(shí)現(xiàn)。
2)基于卡爾曼濾波器的物流量控制 本文配料控制采用的是上文中第2種控制方案，皮帶秤上的物流量與皮帶上的物料重量以及皮帶速度之間成正比，其關(guān)系式為
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