基于三次樣條擬合模型的噴霧加油裝置油位檢測(cè)算法改進(jìn)

陳為政，彭來(lái)湖,2，唐麒麟

(1.浙江理工大學(xué)浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018；2.杭州旭仁自動(dòng)化有限公司，浙江 杭州 310018)

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1 引言(Introduction)

針織圓緯機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，采用噴霧加油裝置實(shí)現(xiàn)受控噴油潤(rùn)滑以延長(zhǎng)成圈機(jī)件使用壽命，同時(shí)能夠減少或消除織物表面產(chǎn)生油針等布品瑕疵。針對(duì)這一問(wèn)題，現(xiàn)提供一種基于單片機(jī)LPC54608開(kāi)發(fā)的智能?chē)婌F式加油控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有對(duì)液位信號(hào)進(jìn)行采樣及處理、人機(jī)交互及潤(rùn)滑控制等功能。由于圓緯機(jī)運(yùn)行時(shí)的機(jī)械振動(dòng)，導(dǎo)致油桶內(nèi)液面波動(dòng)，降低了液位傳感器的檢測(cè)精度。針對(duì)這一問(wèn)題，雖已研發(fā)出基于最小二乘法的線性回歸模型的油位檢測(cè)算法，但由于油桶容積為非線性變化，與實(shí)際情況仍存在一定差距。針對(duì)線性回歸模型的不足，進(jìn)一步提出三次樣條曲線擬合模型，提高液位、油耗信息等的監(jiān)控精度。通過(guò)殘差分析、測(cè)試對(duì)比，三次樣條曲線擬合模型優(yōu)于線性回歸模型?；贏RM平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)成圈機(jī)件的潤(rùn)滑控制，進(jìn)一步提高加油控制、受控計(jì)量的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。

2 總體設(shè)計(jì)概述(Overview of overall design)

現(xiàn)提供一種基于ARM芯片LPC54608開(kāi)發(fā)的智能?chē)婌F式加油控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括LCD顯示屏、薄膜按鍵、PCB電路板、一體式電磁閥過(guò)濾組件、氣壓調(diào)壓閥、氣壓傳感器和液位傳感器等?；贚PC54608芯片的ARM處理器，結(jié)合三次樣條擬合算法和嵌入式控制技術(shù)，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(guò)鍵盤(pán)輸入可以設(shè)定噴油速度；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。該檢測(cè)方法主要包括信號(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(wèn)題，通過(guò)三次樣條擬合求出兩個(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)交互設(shè)計(jì)包括機(jī)器狀態(tài)信息輸出、系統(tǒng)參數(shù)錄入等。通過(guò)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)異常情況進(jìn)行報(bào)警，具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。智能?chē)婌F式加油控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System framework

3 數(shù)據(jù)采樣及處理(Data sampling &processing)

浮子液位計(jì)根據(jù)油位變化轉(zhuǎn)化成模擬電信號(hào)。微控制單元(MCU)進(jìn)行系統(tǒng)初始化后，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)化器(ADC)對(duì)模擬電信號(hào)進(jìn)行采樣，每采樣120 個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)，通過(guò)冒泡算法對(duì)數(shù)據(jù)從小到大排序處理，除去大小兩端各30 個(gè)數(shù)據(jù)，以盡量減小液面波動(dòng)引起浮子模擬電信號(hào)及干擾信號(hào)的影響，并對(duì)剩下的60 組數(shù)據(jù)計(jì)算一次平均值，以此作為一次油位采樣實(shí)際值。在噴霧加油裝置運(yùn)行時(shí)的2 小時(shí)內(nèi)，每分鐘獲取一次油位采樣實(shí)際值，根據(jù)120 個(gè)油位采樣實(shí)際值進(jìn)行擬合分析，以真實(shí)反映噴油機(jī)油位的實(shí)際變化。

4 數(shù)據(jù)擬合原理(Data fitting principles)

4.1 線性擬合

4.2 三次樣條擬合

為進(jìn)一步提高擬合優(yōu)度，采用三次樣條曲線擬合模型。其基本思想是設(shè)計(jì)一個(gè)以油位采樣實(shí)際值為變量的三次多項(xiàng)式，使經(jīng)過(guò)多項(xiàng)式計(jì)算后的輸出數(shù)據(jù)逼近真實(shí)情況。三次樣條曲線的多項(xiàng)式可以表示為：

整理可得：

5 數(shù)據(jù)擬合算法設(shè)計(jì)(Data fitting algorithm design)

5.1 三次樣條數(shù)據(jù)擬合

由于噴霧加油裝置內(nèi)結(jié)構(gòu)布局不同，油箱各個(gè)截面面積具有差異。在理想狀態(tài)下，噴霧加油裝置內(nèi)的油位并不是均勻變化的。同時(shí)，由于圓緯機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致油桶液面波動(dòng)，干擾浮子液位計(jì)的實(shí)際測(cè)量，從而使ADC采樣得到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生隨機(jī)誤差。采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，將油位變化簡(jiǎn)單看成是均勻、恒定的變化，與實(shí)際情況有較大偏差。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了一種新的數(shù)據(jù)擬合方法，即在噴霧加油裝置開(kāi)啟后的120 分鐘內(nèi)，ADC每分鐘采樣120 次，通過(guò)冒泡法對(duì)120 個(gè)數(shù)據(jù)由小到大排序，去除前后各30 個(gè)數(shù)據(jù)，并對(duì)剩余60 個(gè)數(shù)據(jù)求和取平均值，以減小液面波動(dòng)引起的采樣誤差。平均值則作為一次采樣油位實(shí)際值，噴油機(jī)運(yùn)行120 分鐘內(nèi)，每分鐘獲取一次采樣油位實(shí)際值，共計(jì)120 組數(shù)據(jù)。根據(jù)120 組數(shù)據(jù)建立三次樣條擬合曲線，求解三次樣條曲線函數(shù)并計(jì)算當(dāng)前的油位擬合值。

5.2 油耗計(jì)算

其中，為油箱最高液位高度，為油箱實(shí)際液位高度。

6 軟件設(shè)計(jì)(Software design)

6.1 初始化

系統(tǒng)初始化后，會(huì)自動(dòng)從鐵電MB85RS16中讀取之前設(shè)置好的噴油機(jī)的設(shè)備參數(shù)，并設(shè)置好設(shè)備工作所需的工作參數(shù)。ADC需要獲取六個(gè)基準(zhǔn)值：第一個(gè)是氣壓為0時(shí)的基準(zhǔn)值，第二個(gè)是氣壓最高時(shí)的基準(zhǔn)值，第三個(gè)是油位最低時(shí)的基準(zhǔn)值，第四個(gè)是油位最高時(shí)的基準(zhǔn)值，第五個(gè)是吹氣氣壓最低的基準(zhǔn)值，第六個(gè)是吹氣氣壓最高時(shí)的基準(zhǔn)值。如果這些基準(zhǔn)值沒(méi)有被設(shè)置，將被設(shè)置為默認(rèn)值。還會(huì)讀取四路氣閥通氣時(shí)間的設(shè)定值，通過(guò)此函數(shù)，設(shè)備會(huì)將開(kāi)機(jī)時(shí)間以及總油耗初始化，將各種設(shè)備狀態(tài)設(shè)為開(kāi)機(jī)默認(rèn)狀態(tài)，讀取吹氣高報(bào)警是否開(kāi)啟，吹氣低報(bào)警是否開(kāi)啟，腔體氣壓高報(bào)警是否開(kāi)啟，腔體氣壓低報(bào)警是否開(kāi)啟。

6.2 采樣及濾波算法

LPC54608處理器自帶12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)初始化后，MCU通過(guò)傳感器獲取油位、油箱內(nèi)氣壓以及吹氣氣壓等參數(shù)，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)ADC采樣到MCU上，每分鐘采樣120 個(gè)數(shù)據(jù)。MCU對(duì)數(shù)據(jù)從小到大排序后取中間的60 次做平均數(shù)，這個(gè)平均數(shù)作為一次采樣的值，采樣結(jié)束后數(shù)據(jù)會(huì)保存起來(lái)。通過(guò)三次樣條擬合曲線方程來(lái)計(jì)算設(shè)備當(dāng)前的油耗值以及油箱內(nèi)剩余油量。

6.3 報(bào)警檢測(cè)

報(bào)警檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)獲取氣壓、液位、油溫等參數(shù)，經(jīng)與設(shè)定參數(shù)比較后，通過(guò)LCD顯示屏彈窗、LED報(bào)警燈、蜂鳴器進(jìn)行異常報(bào)警，提示異常信息。

噴霧加油裝置開(kāi)機(jī)進(jìn)行初始檢測(cè)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到油箱液位小于設(shè)定最高液位值的10%時(shí)，警報(bào)LED紅燈閃爍，蜂鳴器報(bào)警，LCD顯示屏彈窗報(bào)警，噴霧加油裝置進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前噴霧加油裝置油箱液位值介于設(shè)定最高液位的10%—20%時(shí)，預(yù)警LED黃燈閃爍，蜂鳴器報(bào)警，LCD顯示屏彈窗報(bào)警，噴霧加油裝置進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前噴霧加油裝置油箱液位值大于噴霧加油裝置油箱最高液位值的20%時(shí)，正常運(yùn)轉(zhuǎn)指示綠燈常亮，噴霧加油裝置正常運(yùn)行。

在噴霧加油裝置待機(jī)階段，當(dāng)傳感器檢測(cè)到當(dāng)前油箱液位值小于設(shè)定最高液位值的10%時(shí)，LCD顯示屏油位讀條閃爍，彈窗提示加油；蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)檢測(cè)到油箱液位值大于設(shè)定最高液位值的90%時(shí)，控制LCD顯示屏油位讀條閃爍，彈窗提示停止加油；蜂鳴器報(bào)警。

噴霧加油裝置正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到當(dāng)前油箱液位值在20 分鐘內(nèi)未發(fā)生變化，或者液位低于設(shè)定的最低液位值，或者液位高于設(shè)定的最高液位值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。其中，最低液位值是指浮子液位計(jì)所能檢測(cè)到的最低液位；設(shè)定的最高液位值是指當(dāng)油箱加滿(mǎn)油后，浮子液位計(jì)所能檢測(cè)到的最高液位。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。

圖2 油位報(bào)警流程圖Fig.2 Flowchart of oil level alarm

圖3 氣壓報(bào)警流程圖Fig.3 Flowchart of pneumatic alarm

6.4 主界面開(kāi)發(fā)

UI界面開(kāi)發(fā)采用emWin，為圖形LCD設(shè)計(jì)提供高級(jí)支持，極大簡(jiǎn)化了LCD設(shè)計(jì)。人機(jī)界面設(shè)計(jì)如圖4所示，系統(tǒng)在設(shè)備上電后就會(huì)運(yùn)行，液晶屏?xí)?shí)時(shí)顯示噴油機(jī)的工作狀態(tài)。顯示分為五個(gè)部分，上方從左到右分別為油箱氣壓表、油箱液位顯示表盤(pán)以及吹氣氣壓表，下方是當(dāng)前油耗和剩余使用時(shí)間，實(shí)時(shí)顯示吹氣管路單路的檔位情況。

圖4 人機(jī)界面Fig.4 Human-machine interface

7 評(píng)價(jià)及測(cè)試驗(yàn)證(Evaluation &test verification)

7.1 殘差分析

為驗(yàn)證分析擬合效果，本文對(duì)線性回歸擬合模型和三次樣條擬合模型進(jìn)行殘差分析，對(duì)比模型的擬合優(yōu)度平方，進(jìn)一步說(shuō)明三次樣條擬合模型優(yōu)于基于最小二乘法的線性回歸擬合模型。

7.2 線性擬合殘差分析

表2 線性擬合優(yōu)度分析Tab.2 Linear fitting goodness analysis

圖6 線性擬合殘差分析圖Fig.6 Linear fitting residual analysis plot

表1 線性擬合參數(shù)Tab.1 Linear fitting parameters

圖5 線性回歸擬合圖Fig.5 Linear regression fitting plot

7.3 三次樣條擬合殘差分析

圖7 三次樣條曲線擬合圖Fig.7 Cubic spline curve fitting plot

表3 三次樣條擬合參數(shù)Tab.3 Cubic spline fitting parameters

圖8 三次樣條擬合殘差分析圖Fig.8 Cubic spline fitting residual analysis plot

表4 三次樣條擬合優(yōu)度分析Tab.4 Cubic spline fitting goodness analysis

在進(jìn)行擬合分析時(shí)，擬合優(yōu)度平方為回歸平方和與總離差平方和的比值，表示總離差平方和中可以由回歸平方和解釋的比。這一比例越大越好，模型越精確，回歸效果越顯著。擬合優(yōu)度平方介于0—1，越接近1，回歸擬合效果越好。從表2和表4可知，三次樣條擬合優(yōu)度可達(dá)0.9921，較之線性擬合模型0.98546，擬合優(yōu)度同比提升0.674%，并且能夠在一定程度上反映噴霧加油裝置油箱截面的變化。此外，在測(cè)試過(guò)程中，用儀表實(shí)時(shí)檢測(cè)油箱的重量，可以測(cè)算油量的變化速度。將該速度與擬合曲線變化率相比較，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，兩者誤差在10%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求。

7.4 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)警彈窗，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(guò)警戒值時(shí)，人機(jī)界面上彈出故障報(bào)警彈窗，警告工作人員已經(jīng)發(fā)生故障，同時(shí)控制噴霧加油裝置停機(jī)并向大圓機(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(guò)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9所示。經(jīng)過(guò)測(cè)試，在不同情況下，界面彈窗能夠準(zhǔn)確快速地切換。

圖9 界面彈窗報(bào)警測(cè)試圖Fig.9 Test diagram of interface pop-up alarm

8 結(jié)論(Conclusion)

針對(duì)針織圓緯機(jī)噴霧加油裝置無(wú)法精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和受控計(jì)量問(wèn)題，基于ARM控制器，結(jié)合三次樣條擬合算法和嵌入式控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型噴霧加油裝置系統(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(guò)鍵盤(pán)輸入可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)信息參數(shù)；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)提出的三次樣條擬合模型能夠進(jìn)一步提高噴霧加油裝置油耗計(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，在噴霧加油裝置領(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，對(duì)于如何減小或消除機(jī)械振動(dòng)的影響是后續(xù)需要深入研究的內(nèi)容。