基于線性回歸方程的加油機(jī)油耗計(jì)算研究

鄭明航 彭來(lái)湖 史偉民

摘 ?要：針對(duì)現(xiàn)有針織圓機(jī)[1]加油裝置無(wú)法精準(zhǔn)控制和計(jì)算噴油量，基于ARM平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種精準(zhǔn)高效的針織圓機(jī)噴油系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括信號(hào)采集、信號(hào)處理、人機(jī)交互和控制輸出。針對(duì)機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致的油位波動(dòng)問題，通過最小二乘法[2]求出兩個(gè)小時(shí)內(nèi)油位數(shù)據(jù)的擬合曲線，得到當(dāng)前油位的預(yù)估值。人機(jī)交互[3]設(shè)計(jì)包括油耗顯示、氣壓顯示、報(bào)警輸出、系統(tǒng)參數(shù)錄入等。通過測(cè)試對(duì)比，系統(tǒng)能夠精確控制噴油時(shí)間，準(zhǔn)確顯示油耗信息，及時(shí)對(duì)異常情況報(bào)警，具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：加油機(jī);最小二乘法;人機(jī)交互技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP311 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on Fuel Consumption Calculation of Refueling

Tanker based on Linear Regression Equation

ZHENG Minghang1， PENG Laihu1，2， SHI Weimin1

（1.Key Laboratory of Modern Textile Equipment Technology， Zhejiang Sci-tech University， Hangzhou 310018， China;

2.Hangzhou Xuren Automation Limited Company， Hangzhou 310018， China）

zheng_m_h6@163.com; 43233212@qq.com; swm@zstu.edu.cn

Abstract： Aiming at the inaccurate control and calculation of fuel injection volume of the existing circular knitting machine[1] refueling device， this paper proposes to design a precise and efficient circular knitting machine oil injection system based on ARM （Advanced RISC Machine） platform. Functions of the system include signal acquisition， signal processing， human-computer interaction and control output. With regard to the problem of oil level fluctuation caused by mechanical vibration， the fitting curve of oil level data within two hours is obtained by using the least square method[2]， and thus the estimated value of the current oil level is obtained. Human-computer interaction[3] design includes fuel consumption display， air pressure display， alarm output， system parameter input and so on. Through comparison test， the proposed system can accurately control fuel injection time， precisely display fuel consumption information， and timely alarm for abnormal situations. The system has high accuracy and stability.

Keywords： refueling tanker; least square method; human-computer interaction techniques

1 ? 引言（Introduction）

針織圓機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，織針與三角、針筒中間存在滑動(dòng)摩擦，需要通過加油裝置添加潤(rùn)滑油。在現(xiàn)有設(shè)備中，潤(rùn)滑油的添加量無(wú)法得到精確控制，加油過多時(shí)不僅造成資源浪費(fèi)，而且容易沾到布匹上，形成油斑;加油過少則會(huì)導(dǎo)致機(jī)械部件磨損，減少使用壽命。除此之外，設(shè)備在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)，使油位傳感器檢測(cè)的油位數(shù)據(jù)呈波動(dòng)變化，會(huì)影響后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，降低系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

針對(duì)當(dāng)前加油設(shè)備的不足，本文設(shè)計(jì)了一種精準(zhǔn)高效的針織圓機(jī)噴油系統(tǒng)。操作人員可以通過人機(jī)界面查看當(dāng)前油位值和氣壓值;可以通過薄膜鍵盤設(shè)置氣閥開閉時(shí)間，控制噴油量。使用最小二乘法對(duì)傳感器采集的油位數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，參考汽車油耗表的設(shè)計(jì)[4]，根據(jù)擬合的油位數(shù)據(jù)，計(jì)算并顯示瞬時(shí)油耗、累計(jì)油耗和剩余時(shí)間，以便操作人員記錄油耗和停機(jī)加油。系統(tǒng)以ARM微處理器為核心，能夠獨(dú)立運(yùn)行，具有較高的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

2 ? 總體設(shè)計(jì)概述（An overview of overall design）

加油機(jī)油箱在壓力的作用下將油滴吹入霧化裝置中，經(jīng)管道噴淋在針織圓機(jī)上。油箱內(nèi)裝有由浮子和電阻式導(dǎo)軌組成的液位傳感器，兩個(gè)壓力傳感器分別檢測(cè)油箱內(nèi)氣壓和吹氣閥氣壓，傳感器安裝好之后，需要校準(zhǔn)測(cè)試，并將校準(zhǔn)值輸入設(shè)置界面中保存。系統(tǒng)上電后，當(dāng)檢測(cè)到針織圓機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)后開始工作，通過繼電器控制電磁閥和氣閥按照設(shè)置的時(shí)間開閉，界面上定時(shí)刷新當(dāng)前油位值和氣壓值，當(dāng)油位或氣壓異常時(shí)，界面上彈出報(bào)警框并控制針織圓機(jī)停機(jī)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

針對(duì)機(jī)械振動(dòng)引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)問題，采用冒泡法對(duì)原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，采用最小二乘法對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，并根據(jù)擬合結(jié)果計(jì)算油耗信息。

3 ? 數(shù)據(jù)擬合算法設(shè)計(jì)（Data fitting method design）

3.1 ? 數(shù)據(jù)擬合

理想狀態(tài)下，加油機(jī)內(nèi)的油位是持續(xù)下降的，但由于機(jī)器啟動(dòng)后會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致油位波動(dòng)變化，從而使ADC采樣的數(shù)據(jù)有隨機(jī)誤差。經(jīng)測(cè)試，在短時(shí)間內(nèi)，波動(dòng)產(chǎn)生的誤差大于加油機(jī)正常工作時(shí)的油耗量。針對(duì)這一問題，提出了一種數(shù)據(jù)擬合的方法[5]，即在加油機(jī)啟動(dòng)后的前120 分鐘內(nèi)，每分鐘記錄一次油位采樣值，根據(jù)這120 個(gè)數(shù)據(jù)建立線性回歸模型，得出一條擬合直線，并根據(jù)直線方程計(jì)算當(dāng)前的油位擬合值。將這120 個(gè)數(shù)據(jù)存入循環(huán)隊(duì)列中，每分鐘更新一次采樣值，并計(jì)算油位擬合值。該直線方程根據(jù)最小二乘法求出，具體推導(dǎo)過程如下。

設(shè)為采樣時(shí)間，為對(duì)應(yīng)的采樣值（其中）;設(shè)該直線方程為：為油位擬合值，表示采樣值與回歸直線擬合值的離差，這個(gè)值越小表示擬合的直線越準(zhǔn)確，用離差的平方和作為總離差Q，即：

當(dāng)Q的值最小時(shí)，得到的擬合直線最準(zhǔn)確，這種方法稱為最小二乘法[6]。通過公式計(jì)算a和b的值即可求得直線方程，a、b的計(jì)算公式為：

其中，、為和的均值。根據(jù)直線方程計(jì)算第120分鐘的擬合值，該擬合值作為計(jì)算油耗的原始數(shù)據(jù)。

3.2 ? 油耗計(jì)算

當(dāng)獲得油位數(shù)據(jù)后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算。本設(shè)計(jì)使用累計(jì)油耗、瞬時(shí)油耗和剩余時(shí)間這三個(gè)變量來(lái)衡量油耗信息。累計(jì)油耗是指從系統(tǒng)開機(jī)到當(dāng)前時(shí)刻累計(jì)使用的油量;瞬時(shí)油耗是指每小時(shí)產(chǎn)生的油耗，反映了油耗速度;剩余時(shí)間是指按照當(dāng)前油耗速度把剩余油量用盡的時(shí)間。設(shè)系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行時(shí)的油位值為x1，當(dāng)前油位擬合值為x2，剩余油量為M（單位mL），油箱容量為V（單位mL），4096×（Base_H-Base_L）

表示油箱容積的數(shù)字量（其中4096是ADC的最大分辨值，Base_H、Base_L表示校準(zhǔn)值），累計(jì)油耗為Val（單位mL），瞬時(shí)油耗為S（單位mL/h），剩余時(shí)間為H（單位h），則有如下等式成立：

當(dāng)計(jì)算得到油耗信息后，會(huì)在界面上顯示，刷新頻率為一分鐘。

4 ? 軟件開發(fā)（Software development）

4.1 ? 數(shù)據(jù)采樣程序

由于加油機(jī)上的處理器自帶12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因此無(wú)須額外電路。系統(tǒng)初始化后，使用多個(gè)通道同時(shí)采樣，每個(gè)通道每采集80 個(gè)數(shù)據(jù)即做一次數(shù)據(jù)處理，按照冒泡法將80 個(gè)數(shù)據(jù)從小到大排序，去除首尾兩端各10 個(gè)數(shù)據(jù)，剩下的數(shù)據(jù)求平均數(shù)，得出的平均數(shù)作為實(shí)際計(jì)算值。這種軟件濾波的方法可以提高采樣數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，能夠有效提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，保證了后續(xù)的油位顯示和油耗計(jì)算，同時(shí)也兼顧了系統(tǒng)的快速性。

4.2 ? 報(bào)警反饋程序

加油機(jī)在運(yùn)行時(shí)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器狀態(tài)，保證系統(tǒng)工作在正常狀態(tài)下。系統(tǒng)上電后，首先檢測(cè)油位是否處于正常區(qū)間，若不正常，則界面彈出油位報(bào)警彈框。當(dāng)按下啟動(dòng)鍵后，氣閥打開，油箱內(nèi)氣壓升高，延時(shí)10 秒后，待氣壓穩(wěn)定，開始檢測(cè)氣壓是否處在正常區(qū)間，若不正常，則界面彈出氣壓報(bào)警彈框。油位報(bào)警和壓力報(bào)警均分為預(yù)警級(jí)和故障級(jí)兩個(gè)級(jí)別，預(yù)警級(jí)是警告工作人員要注意當(dāng)前狀態(tài)，但不會(huì)自主干涉加油機(jī)或者大圓機(jī)的運(yùn)行，具有預(yù)警作用;故障級(jí)表示系統(tǒng)當(dāng)前可能處于故障狀態(tài)，會(huì)使加油機(jī)自動(dòng)停機(jī)，并向大圓機(jī)發(fā)出故障報(bào)警，由工作人員作出相應(yīng)處理。報(bào)警反饋程序的流程圖如圖2和圖3所示，其中圖2為油位報(bào)警流程圖，圖3為氣壓報(bào)警流程圖。

5 ? 測(cè)試驗(yàn)證（Test validation）

5.1 ? 線性擬合測(cè)試

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)擬合算法的準(zhǔn)確性，編寫了測(cè)試用例，使加油機(jī)在運(yùn)行時(shí)，通過串口將當(dāng)前的油位數(shù)據(jù)打印輸出在上位機(jī)上;截取了連續(xù)120 個(gè)數(shù)據(jù)，以時(shí)間為橫坐標(biāo)、油位采樣值為縱坐標(biāo)，繪制油位數(shù)據(jù)離散圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，雖然在短時(shí)間內(nèi)油位數(shù)據(jù)的變化沒有規(guī)律，但兩個(gè)小時(shí)內(nèi)油位數(shù)據(jù)呈明顯的下降趨勢(shì)。通過Matlab提供的cftool工具箱[7]，使用最小二乘法，對(duì)這些離散數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合[8]，得到的擬合直線如圖5所示。直線方程的斜率和截距如圖6中的p1和p2所示。

在測(cè)試過程中，用儀表實(shí)時(shí)檢測(cè)油箱的重量，可以測(cè)算到油量的變化速度，將該速度與擬合直線的斜率相比較，經(jīng)過多次測(cè)試，兩者誤差在10%以內(nèi)，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

5.2 ? 故障報(bào)警測(cè)試

為了避免故障發(fā)生時(shí)工作人員不能及時(shí)解決，設(shè)計(jì)了故障預(yù)警和故障報(bào)警兩種機(jī)制。當(dāng)油位或氣壓達(dá)到預(yù)警值時(shí)，人機(jī)界面上彈出故障預(yù)警彈框，提醒工作人員當(dāng)前油位或氣壓可能會(huì)發(fā)生故障，但不干涉機(jī)器的運(yùn)行。當(dāng)油位或氣壓超過警戒值時(shí)，人機(jī)界面上彈出故障報(bào)警彈框，警告工作人員已經(jīng)發(fā)生故障，同時(shí)控制加油機(jī)停機(jī)以及向大圓機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。在預(yù)警值與報(bào)警值邊界處設(shè)置了緩沖區(qū)間，防止誤觸發(fā)的發(fā)生。通過手動(dòng)調(diào)節(jié)傳感器，讓油位和氣壓處于不同的區(qū)間，界面彈窗的測(cè)試結(jié)果如圖7所示。經(jīng)過測(cè)試，在不同情況下，界面彈窗能夠準(zhǔn)確快速地切換。

6 ? 結(jié)論（Conclusion）

針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上加油機(jī)存在的問題，基于ARM控制器，結(jié)合線性擬合算法和嵌入式控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型加油機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前油位和油耗信息，幫助使用者直觀地了解機(jī)器狀態(tài);通過鍵盤輸入可以調(diào)節(jié)噴油時(shí)間，控制噴油速度;在故障發(fā)生時(shí)能及時(shí)停機(jī)并報(bào)警，保證機(jī)器安全運(yùn)行。

測(cè)試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)提高了加油機(jī)油耗計(jì)算的準(zhǔn)確性以及噴油控制的穩(wěn)定性，人機(jī)交互的設(shè)計(jì)方便了工作人員的使用，在加油機(jī)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，本設(shè)計(jì)已經(jīng)在蘇州某公司得到應(yīng)用。本文著重研究了機(jī)械振動(dòng)引起的油位波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響及應(yīng)對(duì)措施，而如何減小或消除機(jī)械振動(dòng)的影響是后續(xù)需要深入研究的內(nèi)容。

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作者簡(jiǎn)介：

鄭明航（1996-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：智能檢測(cè)與應(yīng)用.

彭來(lái)湖（1980-），男，博士，副教授.研究領(lǐng)域：智能裝備與嵌入式控制技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信.

史偉民（1965-），男，博士，教授.研究領(lǐng)域：紡織機(jī)械自動(dòng)控制，輕工機(jī)械.