郝維來,張宏煒,趙志信

(嶺南師范學院 a.商學院；b.電子與電氣工程學院,廣東 湛江 524000)

0 引 言

聚乙烯(PE:polyethylene)燃氣管道,因為具有柔韌性好、耐酸堿腐蝕、使用壽命長和不污染環(huán)境等特點,在城市埋地管線方面得到廣泛應用。近年來,在新建和改造的城區(qū)中,埋地管線中超過90%使用了PE燃氣管。在施工中,人們利用熱熔焊接的方法將PE燃氣管材連接到一起,由于不同的管材特性不同,所以焊接的用時、電壓等參數(shù)也不相同。而且焊接接頭遍布街道、公路下面及居民生活區(qū)的樓宇里,若焊接質量不合格,可能會出現(xiàn)燃氣泄露而引發(fā)惡性的爆炸事件[1]。所以,研究高可靠性的PE管焊接系統(tǒng)具有十分重要意義。

自1975年瑞士的Georg Fisher公司成功開發(fā)首條PE燃氣管道熱熔焊機生產(chǎn)線以來,熱熔焊機得到了廣泛的應用。目前,世界熱熔機市場主要是瑞士、日本、韓國研制的產(chǎn)品。通過對市場的調查和分析發(fā)現(xiàn),我國產(chǎn)品在熱熔機市場占有率較低,主要問題是：1) 國產(chǎn)熱熔焊接設備較國外的可靠性低,主要是因為我國對熱熔焊接設備可靠性研究缺少相應的驗收標準和檢測手段；2) 設備元件具有時間特性和溫度特性,傳感器長時間工作增加了零漂現(xiàn)象,由于不能及時維護降低了數(shù)據(jù)采集精度；3) 焊接工作大多在戶外進行,使用發(fā)電機供電,其輸出電壓不滿足焊接工藝的要求[2-3]。

針對以上問題,為提高系統(tǒng)的可靠性,需要保證數(shù)據(jù)采集的精度和控制輸出電壓的快速和穩(wěn)定。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程中使用的多種傳感器,長時間工作會產(chǎn)生零漂,市售大部分產(chǎn)品設計時選用高精度元件,利用硬件調零電路解決零漂問題,這需要對設備進行定期維護,若不及時維護將影響數(shù)據(jù)采集的精度。尤其壓力傳感器使用硅材料制成,存在溫度特性和非線性的問題,需要對采集的數(shù)據(jù)進行修正。對于壓力傳感器的修正,目前主要有硬件補償和軟件補償兩種方式,硬件補償是在惠斯通電橋橋臂串并熱敏電阻、二極管、三級管或恒流源,優(yōu)點是實時性好,但方法設計復雜、選件難度較大[4]。軟件補償優(yōu)點是靈活性好,但常用方法也存在問題,如插值法在數(shù)據(jù)采集存在誤差時,會產(chǎn)生過擬合現(xiàn)象。神經(jīng)網(wǎng)絡學習法計算量較大,系統(tǒng)處理器要達到一定的要求。查表法動態(tài)性不足,最小二乘法精度不高等[5-6]?？刂戚敵瞿壳笆褂米顝V泛的方法PID(Proportion Integration Differentiation)算法,根據(jù)控制要求的不同,產(chǎn)生不同的改進算法,取得很好的控制效果[7]。

筆者研發(fā)了一種熱熔焊接系統(tǒng),利用脈寬調制技術,對可控硅進行有效控制,實現(xiàn)可調電壓的穩(wěn)定輸出。軟件設計方面,對傳感器采用分段最小二乘法動態(tài)標定,提高數(shù)據(jù)采集的精度,同時設計一種基于PID的快啟動電壓調節(jié)算法,保證電壓輸出的快速和穩(wěn)定。

1 熱熔焊接系統(tǒng)結構設計

1.1 熱熔焊接系統(tǒng)焊接工藝

熱熔焊接分為2種：1) 管件焊接,通過給管件額定電壓,在規(guī)定時間,融化材料,實現(xiàn)焊接；2) 管道焊接,用加熱板對管道的對接面加熱,調節(jié)管道兩端的壓力,其工藝曲線如圖1所示。當焊接結束時,焊接的接口位置的抗拉力和抗壓力強度,達到或超過管道本身[8]。

圖1 熱熔焊接工藝曲線Fig.1 Thermal melt welding process curve

1.2 系統(tǒng)硬件結構設計

由圖1可知,焊接工藝參數(shù)主要有3個：壓力、溫度和時間。為完成相應工藝,設計系統(tǒng)結構如圖2所示,以STC89C52為控制核心,主要包括傳感器信號采集及A/D轉換模塊、同步信號生成電路、主控驅動電路、壓力控制、存儲模塊、I/O接口模塊及輔助功能等模塊[9-10]。

系統(tǒng)的主控驅動電路實現(xiàn)對可控硅的控制,同步信號生成電路產(chǎn)生觸發(fā)信號,軟件控制可控硅電路處于截止狀態(tài),同時定時器進行計數(shù),定時器溢出后中斷觸發(fā)可控硅,電路處于導通狀態(tài),如此構成一個控制周期。系統(tǒng)對采集的實時電壓與焊接給定電壓值進行比對,通過計算,不斷調整定時器的初始值,實現(xiàn)脈沖寬度調制(PWM：Pulse Width Modulation) ,改變可控硅的導通角度,使系統(tǒng)輸出5～48 V區(qū)間內可調電壓。

圖2 系統(tǒng)模塊架構Fig.2 System module architecture

2 誤差檢測與修正方法

為提高系統(tǒng)的可靠性,需要減少數(shù)據(jù)的誤差,因此要對傳感器動態(tài)標定,并消除采集數(shù)據(jù)中的干擾。

2.1 傳感器誤差與標定方法

熱熔焊接系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)有電壓、電流、壓力和溫度4個信號,設備測溫選用DS18B20傳感器,系統(tǒng)焊接標準環(huán)境溫度為20 ℃,當溫度超過20 ℃時,需縮短焊接時間,反之增加焊接時間。DS18B20優(yōu)點是精度高、成本低,設計使用單總線結構,軟件設計時對讀寫數(shù)據(jù)位的時序有嚴格要求。因為該傳感器是數(shù)字量輸入精度滿足設計需求,所以采集數(shù)據(jù)后可以直接使用。壓力、電壓、電流傳感器雖然設備出廠時對其進行標定,但在使用過程中,由于具有時間特性和溫度特性,會產(chǎn)生零漂現(xiàn)象,因此設備使用時要對其零漂值和線性度進行修正,硬件修正的方法設計復雜、選件難度大且修正精度低[11-12],該設計采用軟件方法,分別對這幾種傳感器進行標定。

2.1.1 電流、電壓傳感器測量誤差與軟件標定

電流的獲取方式是傳感器輸出4～20 mA電流,經(jīng)I/V變換電路,得到0～5 V采集電壓,變換方法有很多,在該設計中采用精密I/V變換器RCV420,具有很好的可靠性能。電壓的的獲取方式是,待測電壓經(jīng)分壓電阻得到0～5 V采集電壓。二者因為設計時使用高精度電阻和可靠電路,因此線性度較好,軟件標定主要解決設備長期使用后產(chǎn)生的零漂問題[13-14]。所以軟件標定均采用端基法得到轉換方程,以電流為例,系統(tǒng)啟動后,輸出給定0電流,測回采集電壓Vmin,再輸出滿量程電流,測回采集電壓Vmax,通過兩個端點得到方程：f(x)=kx+a0,保存k和a0,完成該次工作的傳感器的軟件標定。

2.1.2 壓力傳感器測量誤差與軟件標定

1) 最小二乘法標定原理。壓力傳感器使用硅材料制成,存在溫度特性和非線性的問題,使用時需要進行補償。結合系統(tǒng)需求和運算速度,選擇最小二乘法對傳感器進行標定。設計思想是系統(tǒng)啟動后進行壓力傳感器自檢,采集到不同壓力對應電壓的一組數(shù)據(jù)(xi,yi)(i=1,…,n),通過最小二乘法對這組數(shù)據(jù)進行擬合,得出方程f(x)=kx+a0,計算零漂值a0和斜率k,減少傳感器由于溫度特性、時間特性產(chǎn)生的誤差[15],原理如下

(1)

其中采集的離散點與方程f(x)需滿足平方差最小,對零漂值a0和斜率k求解得

(2)

(3)

(4)

(5)

2) 改進最小二乘法及對比分析。通過最小二乘法擬合的轉換方程,仿真結果如圖3所示,線性誤差依然較大,針對上述問題,筆者對最小二乘法進行了改進,采用分段最小二乘法。將采集的數(shù)據(jù)(xi,yi)(i=1,…,n)分為m組,每組有k個有序對(x1i,y1i(i=1,…,k))…(xmi,ymi(i=1,…,k)),對每組數(shù)據(jù)進行最小二乘法擬合,得出m個轉換方程,以減小傳感器的線性誤差。實際設計中m=3,計算得到斜率k0、k1、k2和零漂a0、a1、a2,將這3組參數(shù)存入存儲器,應用時,判斷采集數(shù)據(jù)所在區(qū)間,使用不同轉換方程。由圖4可得出,改進后的方法與最小二乘法擬合相比,提高了檢測的精度,減小了誤差,較好地解決了壓力傳感器的溫漂、時漂和線性的問題。

圖3 最小二乘法擬合 圖4 最小二乘法分段擬合 Fig.3 Least square fitting Fig.4 Least square piecewise fitting

2.2 采集數(shù)據(jù)誤差與濾波算法

傳感器標定后,系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。焊接管件時采用循環(huán)方式進行A/D采樣,為保證采集數(shù)據(jù)的準確度,減少干擾誤差,A/D子程序采用極值刪除濾波法和自適應滑動濾波法。

1) 極值刪除濾波法。由于現(xiàn)場工作環(huán)境存在噪聲,采集到的信號受到干擾,數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常,需要刪除異常數(shù)據(jù)。所以每次采集一組數(shù)據(jù),即連續(xù)采樣n個數(shù)據(jù),處理方法如下

(6)

其中n取值與系統(tǒng)處理速度有關,轉換器的一次A/D轉換時間小于10 μs,交流電為50 Hz,由于n取值過大將導致系統(tǒng)的控制出現(xiàn)滯后現(xiàn)象,因此實際應用中,取n=10,交流電每半個周期采樣10次,時間小于100 μs,去掉兩個極值后,保留8個數(shù)據(jù)取平均值作為信號采集值,這可有效減少因噪聲干擾產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)。

2) 自適應滑動濾波法。戶外施工環(huán)境存在工頻干擾,采集的數(shù)據(jù)經(jīng)測試有時會出現(xiàn)短時間的階段性的跳變,因此只使用極值刪除濾波法,不能解決上述問題。為此筆者設計一種自適應滑動濾波法,如下

(7)

其中SO為原通過極值刪除濾波法得到的信號值,SN為新采集的信號值,α的取值改變SN與SO差值所占比例,由于系統(tǒng)控制SN不超過SO的一倍,所以α取值為[1,3]之間,α過大,信號變化大時采集信號有滯后效應,當α=3時,極限情況新采集信號不起作用。當α取值為2時,新采集信號占比始終超過50%,平抑了信號突變的影響。

通過理論分析實測證明,利用極值刪除濾波法和自適應滑動濾波法,數(shù)據(jù)處理速度快,平滑效果好,較好解決了噪聲干擾和工頻干擾產(chǎn)生的采集信號的誤差問題。

3 改進的PID快速電壓調節(jié)算法

1) PID工作原理。為實現(xiàn)快速、穩(wěn)定的電壓輸出,系統(tǒng)對PID算法進行改進,設計了快速電壓調節(jié)算法,實現(xiàn)電壓輸出控制[16-17]。PID工作原理如下

(8)

其中包含比例項、積分項和微分項,實際應用中,大多采用增量法對控制項進行控制,這種方法減少計算積分和微分的編程復雜度,如下

u(t)=u(t-1)+KP(e(t)-e(t-1))+KIe(t)+KD(e(t)-2e(t-1)+e(t-2))

(9)

其中e(t),e(t-1),e(t-2)為在t,t-1,t-2時刻給定電壓輸出和實際電壓輸出的差值,KP為比例項系數(shù),控制調節(jié)變化速度,KI為積分項系數(shù),實現(xiàn)消除余差、控制穩(wěn)定度,KD為微分項系數(shù),解決檢測信號滯后,提高動態(tài)性能。

2) 改進的PID算法。為保證焊接質量,需要系統(tǒng)快速將電壓調整到給定電壓,并穩(wěn)態(tài)輸出。筆者設計快速電壓調節(jié)算法如下

Δu(t)=αKP(e(t)-e(t-1))+βKIe(t)+αKD(e(t)-2e(t-1)+e(t-2))

(10)

圖5 快速電壓調節(jié)流程圖Fig.5 Flow chart of rapid voltage regulation

圖6 改進算法對比Fig.6 Improved algorithm comparison

其中N為偏差值的閾值,α為KP和KD調節(jié)的系數(shù),β為KI調節(jié)的系數(shù)。程序運行,判斷給定電壓與檢測電壓偏差值,如果大于閾值N,采用積分啟動算法調節(jié),即β=1,只保留積分項。如果電壓偏差值小于等于閾值N,α=1,增加比例項和微分項,β=0.5,減小積分項,采用PID算法調節(jié),程序流程如圖5所示。

3) 算法對比分析。系統(tǒng)啟動時,給定電壓和實際電壓輸出的差值e(t)值最大,每次調節(jié)后e(t)-e(t-1)的差值也較大,KP值過大,輸出容易產(chǎn)生超調振蕩,進入穩(wěn)態(tài)慢甚至達不到穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。而KI取值越大,進入穩(wěn)態(tài)越快,因此啟動過程采用積分項啟動,使輸出快速達到穩(wěn)態(tài)并減小振蕩。穩(wěn)態(tài)后,因為系統(tǒng)不可避免存在誤差,如還只有積分項,控制誤差等于采集誤差,為提高控制精度,增加比例項和微分項,并減小積分項,使輸出穩(wěn)定性變強。

測試結果：取KP=0.1、KI=0.8、KD=0.1、閾值N=0.2 V,加入±0.2 V隨機白噪聲后,利用PID調節(jié)算法和積分項啟動改進算法測得兩組數(shù)據(jù)如圖6所示。從圖6可見,改進算法明顯啟動更快,啟動后經(jīng)過3個控制周期進入穩(wěn)態(tài),實現(xiàn)5～48 V區(qū)間電壓可調。穩(wěn)態(tài)后因為引入比例項和微分項,并降低積分項,加快響應速度,提高穩(wěn)定度,使系統(tǒng)具有更好的動態(tài)性能,輸出電壓波動小于±0.1 V,降低了噪聲帶來的干擾,具有更好的可靠性。

4 結 語

筆者利用定時器中斷技術,通過PWM對可控硅的控制,實現(xiàn)熱熔焊接系統(tǒng)的可調電壓輸出。為提高系統(tǒng)的可靠性,軟件方面設計了傳感器最小二乘法分段動態(tài)標定,解決了傳感器由于溫度的變化和因時間特性等問題產(chǎn)生的測量誤差；數(shù)據(jù)采集方面使用極值刪除濾波法和自適應滑動濾波法,降低了信號的干擾,增加了數(shù)據(jù)采集的精度；控制算法方面設計一種改進的PID快速電壓調節(jié)算法,調壓速度快,輸出穩(wěn)定。通過測試,在存在干擾的環(huán)境中,系統(tǒng)電壓輸出可以快速達到穩(wěn)態(tài),5～48 V之間電壓輸出波動區(qū)間小于±0.1 V,低于±0.5 V國家標準。證明利用以上軟件方法提高了設備的抗干擾性、工作的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的可靠性,對熱熔系統(tǒng)的研發(fā)提供較好的可借鑒性。