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０　引言
在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中，一種產(chǎn)品往往包含幾種不同配比的物料。為了能夠生產(chǎn)質(zhì)地均勻、高質(zhì)量的產(chǎn)品，這就需要研制一種能夠精確控制各種物料的投放質(zhì)量，確保配比準(zhǔn)確的動態(tài)稱重系統(tǒng)。皮帶秤儀表是在皮帶輸送機(jī)輸送物料過程中對物料進(jìn)行連續(xù)自動稱重的計(jì)量設(shè)備，其稱重過程是連續(xù)和自動的，不需要工作人員的干預(yù)即可完成稱重操作。
目前，各自動化生產(chǎn)線也越來越追求于無人看管、無人監(jiān)督和自動生產(chǎn)的機(jī)械化操作，各流水線要求對物料投放進(jìn)行精確測量，通過先進(jìn)的控制技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)自動配料。為此，設(shè)計(jì)一種基于ＡＲＭ的多功能皮帶秤控制儀表，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)物料累積量和流量的自動計(jì)量，還能實(shí)現(xiàn)流量的實(shí)時(shí)控制，從而滿足自動配料的需求。
１　電子皮帶秤系統(tǒng)組成
１．１　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
皮帶秤稱重系統(tǒng)一般由秤架、稱重傳感器、速度傳感器、信號處理單元和稱重顯示控制器（皮帶秤儀表）５大部分構(gòu)成。下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用ＭＳＣ１２１０Ｙ０５單片機(jī)作為核心芯片，主要實(shí)現(xiàn)壓力信號處理和轉(zhuǎn)速信號處理，以及信號采集的功能。上位機(jī)系統(tǒng)則采用ＡＲＭ７芯片ＬＰＣ２２１４為主控單元，主要實(shí)現(xiàn)累積量計(jì)算、流量計(jì)算、通訊接口、顯示和控制輸出等功能，其中模擬量輸入０～２０ｍＡ電流用于流量控制的給定信號，模擬量輸出用于變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度。
１．２　系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)采用４路壓力傳感器安裝在托輥的下方，克服了通常１只傳感器情況下，因皮帶跑偏、物料在皮帶上堆積偏向一側(cè)，而引起偏心載荷影響稱重精度的缺點(diǎn)。當(dāng)物料投放到皮帶上時(shí)，壓力傳感器會把感應(yīng)的壓力轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，然后經(jīng)前置濾波增益放大電路完成信號調(diào)理功能；光電傳感器則通過光柵碼盤獲得光電脈沖，經(jīng)整形濾波電路計(jì)算出皮帶轉(zhuǎn)速；設(shè)計(jì)中還添加角度傳感器，是為了應(yīng)對堆取料與皮帶運(yùn)行時(shí)存在傾角的變化而引起測量誤差的情況，擴(kuò)大了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，克服了常規(guī)動態(tài)稱重系統(tǒng)在某些場合不能使用的缺點(diǎn)。
下位機(jī)對接收的壓力信號、轉(zhuǎn)速信號和角度信號，進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，通過ＲＳ４８５串口與上位機(jī)ＡＲＭ７系統(tǒng)通信，把測量的信息傳給上位機(jī)。上位機(jī)通過積分運(yùn)算實(shí)現(xiàn)累積量計(jì)量，并采用閉環(huán)控制算法實(shí)現(xiàn)流量的實(shí)時(shí)控制，流量的給定值可以通過模擬輸入信號設(shè)定，也可由其他系統(tǒng)通過通信口設(shè)置，通過模擬量輸出來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制皮帶的運(yùn)行速度，達(dá)到控制流量的目的。故將無模型自適應(yīng)控制算法用于流量閉環(huán)控制中，可以提高控制性能。
２　硬件設(shè)計(jì)
２．１　下位機(jī)數(shù)據(jù)采集
傳感器輸出的電信號一般較微弱，信噪比小，易淹沒在噪聲中，此外傳感器的輸入／輸出存在一定的非線性，因此在前端處理電路中應(yīng)濾除噪聲等干擾，進(jìn)行信號調(diào)理。多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用獨(dú)立電源供電，互不干擾，保證傳感器有著良好的輸出特性。選擇低功耗、高精度和寬電壓的儀用放大器ＡＤ６２０［５］，通過加在其引腳１與引腳８中間的增益電阻，實(shí)現(xiàn)固定增益放大（設(shè)計(jì)中增益約為１００）。壓力傳感器輸出微弱信號通過Ｒ０１，Ｒ０２進(jìn)入系統(tǒng)。由電阻Ｒ０１，Ｒ０２和電容Ｃ０１，Ｃ０２組成對地低通濾波結(jié)構(gòu)，濾除噪聲等干擾，后經(jīng)ＡＤ６２０放大輸入單片機(jī)。這里采用對稱結(jié)構(gòu)的低通濾波器，便于差分信號在傳輸過程中受到同等程度的損失，保證線路平衡。
由于微弱稱重信號的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換精度影響整機(jī)系統(tǒng)的測量精度，所以系統(tǒng)采用的ＭＳＣ１２１０Ｙ０５單片機(jī)芯片［６］，其內(nèi)部集成了２４位高精度８通道Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率達(dá)到１?。埃埃埃龋?，可提高微弱信號的轉(zhuǎn)換精度。設(shè)計(jì)中采用內(nèi)置的ＡＤＣ進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，各傳感器的輸出信號采用單端輸入方式直接輸入到ＭＳＣ１２１０Ｙ０５的通道中。由于芯片的高集成度，外圍硬件電路設(shè)計(jì)簡潔，外圍元件非常少，所以系統(tǒng)的可靠性高，開發(fā)周期短，開發(fā)成本低。
２．２　上位機(jī)ＡＲＭ系統(tǒng)硬件
上位機(jī)硬件主要由管理控制單元（ＭＣＵ）、存儲單元、外部總線和ＬＣＭ顯示模塊等組成。其中ＭＣＵ以ＡＲＭ７芯片ＬＰＣ２２１４為核心，負(fù)責(zé)整機(jī)系統(tǒng)的調(diào)度和管理；存儲單元采用Ｅ－ＩＳ６１ＬＶ２５６１６ＡＬ芯片，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速緩存；外部總線則通過Ｍ２９Ｗ３２０ＥＴ芯片與ＭＣＵ連接，選用Ｅ－ＡＴ４５ＤＢ０１１Ｂ芯片，實(shí)現(xiàn)對Ｆｌａｓｈ的讀寫以及與外圍設(shè)備的串行通信；ＬＣＭ顯示模塊完成實(shí)時(shí)信息的顯示，供工作人員了解機(jī)器運(yùn)行狀況。外部接口電路還設(shè)有Ａ／Ｄ輸入，Ｄ／Ａ輸出，ＲＳ２３２＿Ｄｅｂｕｇ接口以及ＲＳ４８５通信端口，主要實(shí)現(xiàn)信號的輸入輸出，上位機(jī)的調(diào)試以及與下位機(jī)的通信功能。為了方便聯(lián)機(jī)操作，選用ＤＭ９０００芯片，設(shè)置了以太網(wǎng)接口。
３　軟件設(shè)計(jì)
下位機(jī)以ＫｅｉｌＣ作為開發(fā)環(huán)境，采用基于Ｃ語言代碼實(shí)現(xiàn)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波功能。由于傳感器輸出特性存在非線性，加之信號放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的一系列非線性，使前端信號處理的非線性誤差變得不可忽視，在軟件設(shè)計(jì)中通過設(shè)定最小采樣間隔，采用連續(xù)采樣信號若干次求平均值方法進(jìn)行數(shù)字濾波，修正非線性誤差。上位機(jī)ＡＲＭ系統(tǒng)基于實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μＣ／ＯＳ－Ⅱ，軟件開發(fā)環(huán)境為ＩＡＲ　Ｅｍｂｅｄｅｄ?。祝铮颍耄猓澹睿悖琛Ｍㄟ^內(nèi)嵌無模型自適應(yīng)控制算法，來完成皮帶速度閉環(huán)控制功能，輸入信號由Ａ／Ｄ進(jìn)入，控制量由Ｄ／Ａ輸出。報(bào)警模塊完成報(bào)警信號的輸出和傳感器故障的緊急處理功能；外圍存儲器用于累計(jì)量和報(bào)表的定時(shí)保存，打印模塊則實(shí)現(xiàn)存儲器中數(shù)據(jù)的打印輸出。
４　控制算法與仿真結(jié)果
無模型自適應(yīng)控制（ＭＦＡＣ），是指無模型控制規(guī)律，是參數(shù)自適應(yīng)和結(jié)構(gòu)自適應(yīng)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)僅根據(jù)系統(tǒng)的Ｉ／Ｏ數(shù)據(jù)，不包括受控過程數(shù)學(xué)模型的任何信息，能實(shí)現(xiàn)良好的跟蹤性能，保證系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定，魯棒性較強(qiáng)?？紤]可觀測、可控的離散時(shí)間非線性系統(tǒng)：
ｙ（ｋ）＝ｆ（ｙ（ｋ－１），ｙ（ｋ－２），…，ｙ（ｋ－ｎ），ｕ（ｋ－１），ｕ（ｋ－２），…，ｕ（ｋ－ｍ））（１）
ｕ（ｋ－１），ｙ（ｋ－１）分別為輸入和輸出；ｎ，ｍ為系統(tǒng)階次；ｆ（·）為未知的非線性函數(shù)。無模型自適應(yīng)控制并不是沒有模型，而是不建立模型，依賴“泛模型”：
Δｙ（ｋ）＝φ（ｋ－１）Δｕ（ｋ－１）（２）
Δｙ（ｋ）＝ｙ（ｋ）－ｙ（ｋ－１）；Δｕ（ｋ－１）＝ｕ（ｋ－１）－ｕ（ｋ－２）；φ（ｋ－１）稱為偽偏導(dǎo)數(shù)。由泛模型可推出預(yù)測模型：
Δｙ（ｋ＋１）＝φ（ｋ）Δｕ（ｋ）（３）
Δｙ（ｋ＋１）＝ｙ＊（ｋ＋１）－ｙ（ｋ），Δｕ（ｋ）＝ｕ（ｋ）－ｕ（ｋ－１）。ｙ＊（ｋ＋１）為ｋ＋１時(shí)刻系統(tǒng)期望輸出；ｙ（ｋ）為ｋ時(shí)刻系統(tǒng)實(shí)際輸出；ｕ（ｋ）為ｋ時(shí)刻系統(tǒng)的輸入；ｕ（ｋ－１）為ｋ－１時(shí)刻系統(tǒng)的輸入。控制目的是在ｋ時(shí)刻對系統(tǒng)施加控制作用ｕ（ｋ），使系統(tǒng)輸出期望值ｙ＊（ｋ＋１），為此，引入控制輸入準(zhǔn)則函數(shù)：
Ｊ（ｕ（ｋ））＝｜ｙ＊（ｋ＋１）－ｙ（ｋ）｜２＋λ｜ｕ（ｋ）－ｕ（ｋ－１）｜２（４）
λ為可調(diào)的權(quán)重系統(tǒng)，用于克服穩(wěn)態(tài)誤差。將式（３）代入式（４），對ｕ（ｋ）求導(dǎo)，并令其等于零，可得：
ＭＦＡＣ分為偽偏導(dǎo)數(shù)辨識和控制律計(jì)算，ＭＦＡＣ控制器可以不依賴系統(tǒng)參數(shù)模型，通過快速學(xué)習(xí)，準(zhǔn)確掌握被控對象當(dāng)前特征，產(chǎn)生合理的控制對策，獲得理想的控制效果。
５　結(jié)束語
利用ＡＲＭ，設(shè)計(jì)了多功能皮帶秤儀表，不僅能實(shí)現(xiàn)累積量和流量計(jì)量，還能實(shí)現(xiàn)流量的實(shí)時(shí)控制，具有報(bào)表打印、報(bào)警輸出和通信等功能，適合于各種散料計(jì)量和流量控制場合。仿真結(jié)果表明，將無模型自適應(yīng)控制系算法用于皮帶秤流量控制，有較好適應(yīng)性，能夠滿足不同場合的皮帶秤流量控制。

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