基于CAN总线的稳定土厂拌设备控制系统研究

来源：中电网 余婧，姚佼，雷旭

随着国家"大交通，大流通"改革步伐的加快，公路、港口、机场等基础设施建设开始呈现方兴未艾的蓬勃之势，稳定土厂拌设备作为当前高等级公路施工中一种高效能路面基层修筑机械，得到了越来越广泛的应用。然而在其目前的控制系统中，由于受现场各种干扰，且各种物料的计量彼此独立，相互间不能交互信息，实现协调控制，导致级配不稳定、计量精度低，本文从控制算法和系统组成两个角度对其进行一定程度的探讨和优化。

l 工艺流程

稳定土厂拌设备是根据工程设计的要求，集中拌制各种不同级配的稳定土混合料，其组成主要包括供料系统(各种料斗)、拌和系统、控制系统(各种计量器和操作系统)、输送系统和成品储存系统5大部分[1]，其工作原理如图1所示。

各种选定的物料如石灰、碎砂石、土粒、粉煤灰等采用装载机等上料设备装入骨料仓中，经骨料皮带秤计量后，由集料皮带机送至搅拌机，与此同时，稳定剂如水泥等粉料经螺旋输送机送至配料仓(粉料过渡仓)中，由粉料螺旋秤计量后，进入搅拌机，搅拌机进行均匀拌和。在搅拌机物料入口处设有液体喷头，根据拌和前各种物料的含水情况，由供水系统喷加适量的水，以调整拌和物料的含水量，使之达到工程施工要求。拌和好的成品暂存在混合料存仓中，仓底设有可以开启的斗门，开启斗门即可向停放在仓下的载重车卸料。

2 各单个计量单元原理及控制算法

2．1计量单元原理

稳定土厂拌设备的配料计量系统主要包括骨料计量系统、粉料计量系统和水计量系统3大部分。本文以骨料计量系统为例，介绍计量的控制原理[2]。如图2所示，由荷重传感器和皮带秤速度传感器采集到的信号，经信号放大单元，送入配料仪表，在其中计算出瞬时流量，并与设定的流量相比较得偏差信号，经控制模块输出控制信号(如各电机的调速信号、料仓阀门开启配料信号等)，经变频器通过减速机作用于调速电机，改变皮带秤速度，从而形成了闭环控制。此过程中，各个配料仪表可以独立工作，也可以与上位计算机通信，由上位机控制。

2．2 控制算法

稳定土厂拌设备配料系统中，标准的PID使系统的执行结构线性范围受到限制，当信号变化较大时，如配料系统启动、停止，或受到外界干扰，信号大幅度波动，积分的作用会产生较大的超调量，造成系统性能变差，这种现象对慢过程如重力传感器的响应时问滞后等调节的影响更为严重。如能在系统偏差大时将积分的作用减弱，偏差小时将积分的作用加强，这样既可以使系统静差减小，又可以保证系统稳定性，从而大大提高系统的调节品质，因此本系统在传统PID基础上加以改进，采用变速积分的控制算法[3]。

PID控制的理想微分方程为：

假设采样周期为T，系统开始运行时刻为t=0，将上式离散化后得：

式中：P(n)为第n次采样后计算调节器的输出；

e(n)，e(n-1)为第n次和第n-1次采样时的误差值；

T为采样周期，n为采样序号；

K1=_KpT/T1为微分常数，KD=KPT/TD为积分常数。

变速积分是在积分项中增加一项．f[e(n)]，他是e(n)的函数。他的PID算式为：

由上式可知。当e(n)增大时，f需减小，反之需增大，若所设积分变化区间为[A,B]其函数关系可设计为：

f值在0～1之间变化，当偏差大于所给变化区间上限B后，f=0；小于B后偏差变小，f增大；当偏差小于A后，达到最大值1。所以应用变速积分可以完全消除了积分饱和现象，并减少了超调量，使系统易于稳定。

变速积分PID算式可简记为：

f值在0～1之间变化，当偏差大于所给变化区间上限B后，f=0；小于B后偏差变小，f增大；当偏差小于A后，达到最大值1。所以应用变速积分可以完全消除了积分饱和现象，并减少了超调量，使系统易于稳定。

变速积分PID算式可简记为：

与传统的控制系统相比较，基于CAN的总线稳定土厂拌设备控制系统具备以下优势：

(1)由于CAN协议是多主网络协议，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，不分主从，这样当某一物料由于供给不畅等原因导致该物料供给量减少时，其他物料可以通过总线发送指示配料信息及相应的控制信息，对该物料的供给量变化及时进行跟踪，供给量也随该物料供给量的变化而变化，节省了材料，提高了物料级配精度。

(2)由于CAN总线在严重错误时能自动断开有问题的总线节点，从而保障其余节点之间的通信继续进行，因此一定程度上提高了系统的可靠性。

(3)CAN协议报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。

(4)CAN总线具有较高的性价比。他结构简单，器件容易购置，每个节点的价格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。
4 结 语

在稳定土厂拌设备各计量单元中采用变速积分的控制算法，一定程度上减小了系统超调给级配精度带来的影响，而基于CAN总线的总体结构最大限度地发挥了现有设备的效能，有效地提高了生产率。此系统结构先进、性能可靠、生产率稳定、级配精度高且具有良好的性能，因此具有较好的应用前景。