收費(fèi)站稱重系統(tǒng)輪軸識(shí)別儀智能加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

高衛(wèi)平,何潤(rùn)昌,吐爾遜·買買提,江 峰

(1.新疆交通投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司,烏魯木齊 830001;2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)交通與物流工程學(xué)院,烏魯木齊 830052)

0 引言

我國(guó)北方部分地區(qū)冬季嚴(yán)寒且時(shí)間較長(zhǎng),在此期間,安裝于戶外的傳感設(shè)備極易產(chǎn)生凝凍現(xiàn)象,影響其正常工作。新疆北部嚴(yán)寒區(qū)域高速公路收費(fèi)站計(jì)量收費(fèi)系統(tǒng)在運(yùn)行當(dāng)中因低溫及冰雪凝凍問題致使其頻繁出現(xiàn)無(wú)法正常識(shí)別車型的問題,在嚴(yán)重時(shí)造成貨車排隊(duì)堵塞,影響高速公路的交通流運(yùn)行效率[1]。

目前,尚未有具體解決方案運(yùn)用至實(shí)際場(chǎng)景之中,常用的解決方案是用火等產(chǎn)生熱源對(duì)輪軸識(shí)別器蓋板進(jìn)行加熱從而達(dá)到融凍的目的,而目前現(xiàn)有的相關(guān)檢測(cè)技術(shù)難以精準(zhǔn)地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冰凍的具體程度,且在車道較多的收費(fèi)站中安裝有較多的識(shí)別器,利用上述方法效率較低而且難以把控,容易加速線路老化,并影響識(shí)別器使用壽命。目前常用的溫度控制裝置大多數(shù)局限于單點(diǎn)溫度檢測(cè)和單路控制。工控中存在微電腦溫度的多路控制,但大都設(shè)計(jì)基于單點(diǎn)單控,即一個(gè)溫度傳感器測(cè)溫控制一路加熱裝置,無(wú)法根據(jù)多點(diǎn)溫度綜合計(jì)算進(jìn)行整體控溫?；谏鲜鲈?本文設(shè)計(jì)了一種基于多源溫度監(jiān)測(cè)和控制的輪軸識(shí)別器加熱系統(tǒng),該系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境溫度判斷自動(dòng)啟動(dòng)加熱系統(tǒng),在監(jiān)測(cè)加熱器實(shí)時(shí)加熱溫度的同時(shí)調(diào)控輪軸識(shí)別器本身的內(nèi)外溫度,并且能夠利用PID算法進(jìn)行精準(zhǔn)的控溫操作,能夠方便地移植至其他的工控恒溫需求。

1 溫度控制原理

1.1 PID溫度控制策略

PID溫度控制裝置由PID控制單元、溫度反饋電路和MCU共同組成。其中,PID控制由比例控制單元P、積分補(bǔ)償單元I、微分限制單元D組成,通過對(duì)應(yīng)的Kp、Ki和Kd三個(gè)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制加熱裝置。傳統(tǒng)的PID控制器是多用于工控領(lǐng)域的帶有局部反饋功能的調(diào)節(jié)控制器。反饋電路可以反饋溫度、濕度等自然環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù),也可反饋電壓、電流等連續(xù)的模擬信號(hào)等類型數(shù)據(jù)。繼由PID控制器接收到后,會(huì)將收集的數(shù)據(jù)信息與設(shè)定參考信息進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算差值,作為下次控制的輸入?yún)?shù)進(jìn)入控制系統(tǒng),調(diào)整控制狀態(tài)。

1.2 方案設(shè)計(jì)需求

對(duì)于輪軸識(shí)別器的加熱控制,其識(shí)別器整體在低溫下工作性能明顯下降,采用的金屬材料在極寒低溫環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)回彈性能降低現(xiàn)象,使安置在識(shí)別器中的壓片電路低溫工作能力降低,造成無(wú)法準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到輪軸下壓狀態(tài)。對(duì)輪軸識(shí)別傳感器的升溫控制,應(yīng)解決但不局限于如下問題:

(1)白天氣溫較高,冰雪融化滲入地磅與輪軸識(shí)別傳感器間蓋板,夜晚凝凍。

(2)重型貨車碾壓積雪,造成冰雪短時(shí)融化滲入地磅與輪軸識(shí)別傳感器蓋板而后凝凍。

(3)輪軸識(shí)別傳感器壓彈回縮縫塵土中存含水分,因低溫凝凍。

(4)輪軸識(shí)別傳感器蓋板與地磅蓋板間縫隙因冰雪凝凍形成整體。

經(jīng)試驗(yàn),單一啟閉控制方式的溫控方法的加熱模式無(wú)法很好地把握輪軸識(shí)別器的恒溫狀態(tài)。識(shí)別器本身用材較為厚實(shí),導(dǎo)熱效率低,而主要監(jiān)測(cè)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的壓電傳感器封裝于識(shí)別器中,位于內(nèi)部,由防水固化后的凝膠保護(hù)。在利用溫度傳感器采集溫度進(jìn)行限溫加熱時(shí)造成輪軸識(shí)別器表面高溫、內(nèi)部低溫。長(zhǎng)時(shí)間加熱后存在內(nèi)外溫差,內(nèi)部溫度的提升依賴于識(shí)別器外部表面加熱裝置的傳導(dǎo),內(nèi)部升溫遲緩于外部,對(duì)于溫度控制需要一定的延緩等待過程。如若對(duì)外部升溫超過定量,會(huì)經(jīng)過一定時(shí)間的傳導(dǎo)過后造成內(nèi)部溫度過高,將融化封裝凝膠和信號(hào)線,造成安全隱患。因此,需要能夠產(chǎn)生恒溫源的加熱方法,其最終設(shè)計(jì)需求應(yīng)解決但不限于以下條件:

(1)及時(shí)融凍,防止已融化雪水在識(shí)別器工作環(huán)境中二次凝凍。

(2)提高輪軸識(shí)別器的工作溫度,并保持恒溫狀態(tài),避免環(huán)境的過低溫度致使輪軸識(shí)別器中壓電傳感器工作不穩(wěn)定,造成軸數(shù)計(jì)量失誤。

(3)輪軸識(shí)別器中壓電傳感由防水固化凝膠封裝,信號(hào)線由絕緣橡膠封裝,這兩種封裝材料遇高溫易融化,溫控要求較高。

(4)節(jié)能、自動(dòng)化工作。過低溫運(yùn)行時(shí),能根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整工作時(shí)間,非必要時(shí)斷電節(jié)能。

(5)工況惡劣,應(yīng)能進(jìn)行低溫下穩(wěn)定監(jiān)測(cè)并提供穩(wěn)定的恒溫加熱。

(6)多路多控,一個(gè)輪軸識(shí)別器的工作范圍需安裝多路加熱裝置和溫度監(jiān)測(cè)傳感器,一臺(tái)地磅由多個(gè)輪軸識(shí)別器共同配合工作。

1.3 PID控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的溫度控制方案一般由溫度傳感器直接反饋至MCU進(jìn)行解碼分析,對(duì)比預(yù)設(shè)目標(biāo)值結(jié)合寬域設(shè)定范圍控制加熱裝置的啟閉操作,以達(dá)到恒溫目的。此種方式的控制狀態(tài)非關(guān)即開,并無(wú)中間過渡狀態(tài),即當(dāng)實(shí)際溫度達(dá)到設(shè)定的溫度寬域邊界時(shí),加熱裝置將切換輸出狀態(tài)。處于該種方法控制時(shí),溫度將不斷在區(qū)間內(nèi)循環(huán),產(chǎn)生輸出“抖動(dòng)”,難以達(dá)到準(zhǔn)確恒溫的目的。雖然該方法響應(yīng)速度較快,但是普遍存在“遲滯”效應(yīng)。改進(jìn)的PID控制器是由歷史信息數(shù)據(jù)與當(dāng)前獲得的狀態(tài)信息差來反饋調(diào)整輸入值的一般控制方法,利用比例控制、積分控制和微分控制相結(jié)合的方式對(duì)信息差的變化進(jìn)行處理,反映在輸出上,即為自動(dòng)補(bǔ)償?shù)妮敵龇椒?。其控制過程原理如圖1所示。

圖1 PID原理及控制過程示意圖

其中,受控應(yīng)變量是由三種增益算法累加(Σ)后得出的結(jié)果,經(jīng)調(diào)節(jié)處理后即為輸出控制量。反饋輸入的為誤差值,即為設(shè)定目標(biāo)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值之差的結(jié)果,抑或是由誤差值衍生的信號(hào)。一般來說,如若定義控制輸出量為U(t),則PID控制輸出可表達(dá)為[2]:

(1)

式中:Kp、Ki和Kd——分別為比例、積分和微分增益,均為調(diào)適參數(shù)變量;

e——目標(biāo)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值間的誤差;

t——當(dāng)前時(shí)間;

τ——積分變量,范圍為0～t。

通過加入PID控制方式來替代傳統(tǒng)的溫度控制電路,能夠很好地維持加熱器的溫度控制狀態(tài),促使受熱的輪軸識(shí)別器維持恒溫狀態(tài)。

1.4 PWM功率控制策略

脈沖寬度調(diào)制技術(shù)是一種成熟的電流調(diào)節(jié)方式,在改進(jìn)原始控溫的方式后加入PID調(diào)節(jié)方式能有效地控制溫度的變化。理想狀態(tài)中PID調(diào)節(jié)算法控制了加熱器電路的啟閉時(shí)間,通過三種增益方式預(yù)測(cè)未來的加熱狀態(tài),即補(bǔ)償和削弱未來的溫度目標(biāo)之狀態(tài)。臨近溫度設(shè)定值時(shí),PID控制器將會(huì)頻繁地啟閉加熱控制電路,無(wú)法控制加熱器功率與熱能輸出量,只能以恒定的功率方式進(jìn)行加溫。

在實(shí)際的極寒低溫環(huán)境試驗(yàn)中,加熱器完全的電路閉合使得熱量散失較多。溫度的傳導(dǎo)通過不同導(dǎo)熱能力的介質(zhì)時(shí),導(dǎo)熱效率會(huì)出現(xiàn)較大的差異。環(huán)境空氣因溫度較低帶走了部分熱量,較厚的輪軸識(shí)別器材質(zhì)導(dǎo)熱效率低,由外至內(nèi)的熱量傳遞慢,導(dǎo)致內(nèi)外溫差較大。

相應(yīng)地,調(diào)節(jié)輸出控制電流來產(chǎn)生合適的功率使加熱器工作范圍具有可控性,是能夠保證在恒溫的同時(shí)使熱量散失速度下降的有利方式。本文選擇了經(jīng)典的PWM控制方法,分析在PWM調(diào)節(jié)下的通過改變電流控制功率的加熱器運(yùn)行特性。如圖2所示,是基于PID控制方式和利用PWM波調(diào)控加熱器功率來維持受熱物體溫度的控制方式。

圖2 利用PWM波調(diào)控加熱器功率示意圖

通過利用PWM波和可控硅調(diào)節(jié)電流方式來穩(wěn)定加熱器的工作狀態(tài),使其在低溫中處于工作狀態(tài),為輪軸識(shí)別器提供熱源?？刂破鬟\(yùn)行中MCU會(huì)檢測(cè)當(dāng)前的溫度控制狀態(tài),通過誤差輸入至PID控制器計(jì)算調(diào)控量大小。在實(shí)際控制中,電流變化狀態(tài)會(huì)落后于PWM變化狀態(tài),形成鋸齒波狀態(tài),因此將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)延時(shí)量推后PWM波的變化狀態(tài),而電流中采樣將截取居中大小的狀態(tài)反饋至PID控制器中,重新調(diào)節(jié)波形占空比和延時(shí)量。最終產(chǎn)生的目標(biāo)波段輸入至可控硅調(diào)節(jié)模塊,將削弱或提升加熱器的運(yùn)行功率,以達(dá)到最終的恒溫目的。

2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體溫度控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由微處理器MCU作為計(jì)算控制中心和PWM波的調(diào)控電路;外部ROM作為參數(shù)記憶體,負(fù)責(zé)保存交互中人工設(shè)定的參數(shù)和歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),在環(huán)境溫度反復(fù)變化時(shí)會(huì)優(yōu)先調(diào)用歷史參數(shù)數(shù)據(jù)作為控制的初始方案[3]。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)的整體組成示意圖

接由溫度傳感器對(duì)多點(diǎn)采樣傳送至MCU進(jìn)行譯碼和誤差計(jì)算;可控硅功率調(diào)節(jié)方案會(huì)接受來自MCU輸出的PWM波形占空比值等比例的調(diào)節(jié)輸出電流以達(dá)到控制功率的目的。最后經(jīng)由電流采樣模塊對(duì)輸出電流采樣反饋,交至A/D轉(zhuǎn)換將連續(xù)幅值離散化導(dǎo)入MCU計(jì)算延時(shí)與PWM波形調(diào)整。

2.2 信號(hào)的采集與算法控制

2.2.1 溫度的采集

溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法是通過初始設(shè)定、溫度傳感測(cè)量、調(diào)控計(jì)算等功能,使得受控物體溫度變化范圍盡可能地縮小。通過數(shù)字溫度傳感器對(duì)受控加熱物體進(jìn)行測(cè)溫,文中使用信號(hào)DS18B20的溫度傳感器作為溫度反饋的重要部分。其中,傳感器64位ROM存儲(chǔ)著器件的序列號(hào),暫存器存儲(chǔ)包含2字節(jié)的溫度寄存器,并提供1字節(jié)的上下限報(bào)警觸發(fā)寄存器(TH和TL)和1字節(jié)的配置寄存器的訪問。在測(cè)溫執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換后,將溫度值與存儲(chǔ)在1字節(jié)TH和TL寄存器中定義的二進(jìn)制補(bǔ)碼警報(bào)觸發(fā)值進(jìn)行比較。符號(hào)位(S)表示該值是否為正數(shù)或負(fù)數(shù):正數(shù)時(shí)S=0,負(fù)數(shù)時(shí)S=1。TH和TL寄存器是非易失性的(EEPROM),因此其將在設(shè)備掉電時(shí)保留數(shù)據(jù)[4]。MCU從TH和TL寄存器中讀取到8位二進(jìn)制編碼后即可得到采集后的溫度數(shù)據(jù)。

2.2.2 延遲的計(jì)算

在PWM占空比不變的情況下,可控硅的導(dǎo)通與截止在實(shí)際中會(huì)帶有“遲滯”性,真正獲得的硅控開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間較實(shí)際輸出的占空比而言有部分減少[5]。根據(jù)多個(gè)同頻率的PWM波累積送入,其總導(dǎo)通時(shí)間會(huì)大量減少,因此要對(duì)電流進(jìn)行采樣,調(diào)控這一部分產(chǎn)生的累積誤差。延時(shí)時(shí)間是作為累積誤差開關(guān)時(shí)間的補(bǔ)償效用。從控制的角度來說,總體變化時(shí)間是固定發(fā)生的,單位誤差的遲滯時(shí)間可以看作常數(shù)值。因此,實(shí)際的硅控開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間可以量化為單個(gè)不變的PWM波與硅控變化的時(shí)間差乘以總波長(zhǎng)的數(shù)量。設(shè)電流從信號(hào)0至1的跳變沿點(diǎn)為A,從1至0的跳變沿點(diǎn)為B,將給出定義式:

(2)

式中:tA、tB——采樣模塊進(jìn)行工作記錄的跳變沿時(shí)間點(diǎn);

p——PWM波占空比單位量;

tcdt——預(yù)期調(diào)控時(shí)間單位量;

Δt——單位延遲的誤差量。

總誤差累積量可得:

Tc=Δt×(N+1)

(3)

式中:N——累積單位波長(zhǎng)的總數(shù)量;

Tc——總累積的遲滯誤差時(shí)間。

最后即可控制輸出總需的補(bǔ)償量。

2.2.3 算法控制(圖4)

圖4 基于PID控制量調(diào)整PWM波形輸出的控制邏輯偽代碼示意圖

在傳統(tǒng)溫控方案中加入PID算法輔助控制加熱模塊,利用PID控制方法調(diào)節(jié)PWM的占空比輸出調(diào)節(jié)功率大小。如圖4展示的是利用PID控制PWM波的控制邏輯,區(qū)別于開關(guān)電路,特點(diǎn)是每次變化調(diào)節(jié)了加熱器的電流控制大小,代碼中以5%的占空比作為調(diào)節(jié)點(diǎn),反映在電流變化中即為出現(xiàn)調(diào)節(jié)變化狀態(tài)時(shí)會(huì)增加或減少5%的電流供給,以改變加熱器發(fā)熱量,在控溫精準(zhǔn)度要求不同時(shí)也可更改其變化的單位量[6]。需要說明的是Ki和Kd變量的計(jì)算是依靠時(shí)間所產(chǎn)生的,運(yùn)行時(shí)間則由系統(tǒng)總運(yùn)行時(shí)間和計(jì)時(shí)器的差值產(chǎn)生[7]。采樣sampling的實(shí)現(xiàn)和dt的計(jì)算過程前文已表述方法,不作為邏輯控制部分過多贅述。最后輸出的是PWM占空比,通過PWM變量控制,取值范圍為0～100,變化躍點(diǎn)量為5。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文的方法對(duì)于收費(fèi)站輪軸識(shí)別器加熱控制的有效性,本文從問題的產(chǎn)生與解決需要出發(fā),設(shè)計(jì)具體的驗(yàn)證方式。依照控溫的需要,將在各部分位置安放溫度傳感器[8],而且通過多源控制的設(shè)計(jì)方案,使得一個(gè)控制器和MCU計(jì)算控制與監(jiān)測(cè)多個(gè)加熱的伴熱帶裝置。溫度傳感器將被安裝在主要擬防凍目標(biāo)位置上進(jìn)行監(jiān)測(cè),附帶一路環(huán)境溫度傳感器,監(jiān)測(cè)當(dāng)前工作環(huán)境是否需要啟動(dòng)加熱控制裝置。在多路溫度監(jiān)測(cè)中,溫度傳感器設(shè)計(jì)放置在易凍結(jié)的位置,定制伴熱帶包裹收費(fèi)站輪軸識(shí)別器以提供恒定熱源,如圖5～6所示。

圖5 加熱方式設(shè)計(jì)示意圖

圖6 加熱控制箱體示意圖

智能溫控器中環(huán)境溫度傳感器將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境氣溫。日間氣溫高且在不易凝凍的條件范圍時(shí),整體控制系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)節(jié)能;夜間氣溫低且達(dá)到易凝結(jié)點(diǎn)時(shí),自動(dòng)啟動(dòng)控制裝置。多條伴熱帶同時(shí)啟動(dòng),針對(duì)已達(dá)到預(yù)設(shè)溫度值的加熱部位,控制該部分進(jìn)入恒溫狀態(tài),降低功耗,其他部分則獨(dú)立控制加熱功率。同時(shí),輪軸識(shí)別器內(nèi)部壓電傳感器因位置較為靠?jī)?nèi),反饋回智能溫度控制后,將通過外圍伴熱帶的控制與金屬介質(zhì)傳導(dǎo),逐漸提高內(nèi)部壓電傳感器溫度,防止其因低溫工作失效。

如圖7所示,是在4 500 s內(nèi)對(duì)其中一個(gè)識(shí)別器部位加熱至60 ℃狀態(tài)溫度采集的離散溫度采樣點(diǎn)所繪制的曲線。由圖7可以看出,獨(dú)立的PID開關(guān)電路控溫波動(dòng)性較大[9],但溫度波動(dòng)幅度的范圍小,初始達(dá)到目標(biāo)溫度狀態(tài)時(shí),會(huì)產(chǎn)生小波峰,超越目標(biāo)設(shè)定溫度值較多,而后較為平穩(wěn),維持溫度平均在60±1.3 ℃之間。采用PWM輔助PID進(jìn)行功率調(diào)節(jié)加熱器后,溫度變化的波動(dòng)性較為降低,能夠維持溫度平均在60±0.7 ℃左右,如表1所示。據(jù)此可得出使用該種方式對(duì)溫度調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性具有明顯提升,且在冷啟動(dòng)升溫過程中不易超目標(biāo)溫度限制,可以較為精準(zhǔn)地控制溫度浮動(dòng)范圍[10]。

表1 兩種方式控制下的溫度采樣對(duì)比表

圖7 兩種方式控制下的溫度采樣離散點(diǎn)折線變化曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了針對(duì)極寒環(huán)境中輪軸識(shí)別器的加熱系統(tǒng)的方案,提出了一種基于PID調(diào)節(jié)PWM輸出的控制方法,改進(jìn)了傳統(tǒng)基于開關(guān)電路的溫度控制器。通過限制電流達(dá)到控制加熱裝置的功率的目的,從而穩(wěn)定了加熱源的熱量輸出,在極寒低溫環(huán)境中能夠極大限度保留加熱裝置的工作狀態(tài),減少加熱裝置的冷啟動(dòng)和受熱輪軸識(shí)別器的熱量散失。最終結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用表明:

(1)根據(jù)PWM波和可控硅的導(dǎo)通響應(yīng)特性進(jìn)行數(shù)學(xué)分析,確定了有利于維持溫度穩(wěn)定的時(shí)間補(bǔ)償方式,提升了溫控的準(zhǔn)確性。

(2)利用PID調(diào)節(jié)PWM的方式,控制加熱裝置表現(xiàn)出了該系統(tǒng)對(duì)溫度控制的穩(wěn)定性,控制的目標(biāo)偏移率降低約1%。

(3)在實(shí)際收費(fèi)站應(yīng)用場(chǎng)景中,低溫環(huán)境中因輪軸識(shí)別器凝凍問題造成工作失效的情況由12.01%降低至0.38%,車輛通行效率明顯提升。

(4)文中調(diào)控方法較傳統(tǒng)方式而言,在低溫環(huán)境下的加熱與恒溫能力具有明顯提升,控制精度和穩(wěn)定性方面也有進(jìn)步。從應(yīng)用方面來看,對(duì)溫度控制需求較高的行業(yè)產(chǎn)品方向提供了新思路。