热熔系统误差修正及控制算法的研究

郝维来,张宏炜,赵志信

(岭南师范学院 a.商学院；b.电子与电气工程学院,广东 湛江 524000)

0 引 言

聚乙烯(PE:polyethylene)燃气管道,因为具有柔韧性好、耐酸碱腐蚀、使用寿命长和不污染环境等特点,在城市埋地管线方面得到广泛应用。近年来,在新建和改造的城区中,埋地管线中超过90%使用了PE燃气管。在施工中,人们利用热熔焊接的方法将PE燃气管材连接到一起,由于不同的管材特性不同,所以焊接的用时、电压等参数也不相同。而且焊接接头遍布街道、公路下面及居民生活区的楼宇里,若焊接质量不合格,可能会出现燃气泄露而引发恶性的爆炸事件[1]。所以,研究高可靠性的PE管焊接系统具有十分重要意义。

自1975年瑞士的Georg Fisher公司成功开发首条PE燃气管道热熔焊机生产线以来,热熔焊机得到了广泛的应用。目前,世界热熔机市场主要是瑞士、日本、韩国研制的产品。通过对市场的调查和分析发现,我国产品在热熔机市场占有率较低,主要问题是：1) 国产热熔焊接设备较国外的可靠性低,主要是因为我国对热熔焊接设备可靠性研究缺少相应的验收标准和检测手段；2) 设备元件具有时间特性和温度特性,传感器长时间工作增加了零漂现象,由于不能及时维护降低了数据采集精度；3) 焊接工作大多在户外进行,使用发电机供电,其输出电压不满足焊接工艺的要求[2-3]。

针对以上问题,为提高系统的可靠性,需要保证数据采集的精度和控制输出电压的快速和稳定。系统数据采集过程中使用的多种传感器,长时间工作会产生零漂,市售大部分产品设计时选用高精度元件,利用硬件调零电路解决零漂问题,这需要对设备进行定期维护,若不及时维护将影响数据采集的精度。尤其压力传感器使用硅材料制成,存在温度特性和非线性的问题,需要对采集的数据进行修正。对于压力传感器的修正,目前主要有硬件补偿和软件补偿两种方式,硬件补偿是在惠斯通电桥桥臂串并热敏电阻、二极管、三级管或恒流源,优点是实时性好,但方法设计复杂、选件难度较大[4]。软件补偿优点是灵活性好,但常用方法也存在问题,如插值法在数据采集存在误差时,会产生过拟合现象。神经网络学习法计算量较大,系统处理器要达到一定的要求。查表法动态性不足,最小二乘法精度不高等[5-6]。控制输出目前使用最广泛的方法PID(Proportion Integration Differentiation)算法,根据控制要求的不同,产生不同的改进算法,取得很好的控制效果[7]。

笔者研发了一种热熔焊接系统,利用脉宽调制技术,对可控硅进行有效控制,实现可调电压的稳定输出。软件设计方面,对传感器采用分段最小二乘法动态标定,提高数据采集的精度,同时设计一种基于PID的快启动电压调节算法,保证电压输出的快速和稳定。

1 热熔焊接系统结构设计

1.1 热熔焊接系统焊接工艺

热熔焊接分为2种：1) 管件焊接,通过给管件额定电压,在规定时间,融化材料,实现焊接；2) 管道焊接,用加热板对管道的对接面加热,调节管道两端的压力,其工艺曲线如图1所示。当焊接结束时,焊接的接口位置的抗拉力和抗压力强度,达到或超过管道本身[8]。

图1 热熔焊接工艺曲线Fig.1 Thermal melt welding process curve

1.2 系统硬件结构设计

由图1可知,焊接工艺参数主要有3个：压力、温度和时间。为完成相应工艺,设计系统结构如图2所示,以STC89C52为控制核心,主要包括传感器信号采集及A/D转换模块、同步信号生成电路、主控驱动电路、压力控制、存储模块、I/O接口模块及辅助功能等模块[9-10]。

系统的主控驱动电路实现对可控硅的控制,同步信号生成电路产生触发信号,软件控制可控硅电路处于截止状态,同时定时器进行计数,定时器溢出后中断触发可控硅,电路处于导通状态,如此构成一个控制周期。系统对采集的实时电压与焊接给定电压值进行比对,通过计算,不断调整定时器的初始值,实现脉冲宽度调制(PWM：Pulse Width Modulation) ,改变可控硅的导通角度,使系统输出5～48 V区间内可调电压。

图2 系统模块架构Fig.2 System module architecture

2 误差检测与修正方法

为提高系统的可靠性,需要减少数据的误差,因此要对传感器动态标定,并消除采集数据中的干扰。

2.1 传感器误差与标定方法

热熔焊接系统需要采集的数据有电压、电流、压力和温度4个信号,设备测温选用DS18B20传感器,系统焊接标准环境温度为20 ℃,当温度超过20 ℃时,需缩短焊接时间,反之增加焊接时间。DS18B20优点是精度高、成本低,设计使用单总线结构,软件设计时对读写数据位的时序有严格要求。因为该传感器是数字量输入精度满足设计需求,所以采集数据后可以直接使用。压力、电压、电流传感器虽然设备出厂时对其进行标定,但在使用过程中,由于具有时间特性和温度特性,会产生零漂现象,因此设备使用时要对其零漂值和线性度进行修正,硬件修正的方法设计复杂、选件难度大且修正精度低[11-12],该设计采用软件方法,分别对这几种传感器进行标定。

2.1.1 电流、电压传感器测量误差与软件标定

电流的获取方式是传感器输出4～20 mA电流,经I/V变换电路,得到0～5 V采集电压,变换方法有很多,在该设计中采用精密I/V变换器RCV420,具有很好的可靠性能。电压的的获取方式是,待测电压经分压电阻得到0～5 V采集电压。二者因为设计时使用高精度电阻和可靠电路,因此线性度较好,软件标定主要解决设备长期使用后产生的零漂问题[13-14]。所以软件标定均采用端基法得到转换方程,以电流为例,系统启动后,输出给定0电流,测回采集电压Vmin,再输出满量程电流,测回采集电压Vmax,通过两个端点得到方程：f(x)=kx+a0,保存k和a0,完成该次工作的传感器的软件标定。

2.1.2 压力传感器测量误差与软件标定

1) 最小二乘法标定原理。压力传感器使用硅材料制成,存在温度特性和非线性的问题,使用时需要进行补偿。结合系统需求和运算速度,选择最小二乘法对传感器进行标定。设计思想是系统启动后进行压力传感器自检,采集到不同压力对应电压的一组数据(xi,yi)(i=1,…,n),通过最小二乘法对这组数据进行拟合,得出方程f(x)=kx+a0,计算零漂值a0和斜率k,减少传感器由于温度特性、时间特性产生的误差[15],原理如下

(1)

其中采集的离散点与方程f(x)需满足平方差最小,对零漂值a0和斜率k求解得

(2)

(3)

(4)

(5)

2) 改进最小二乘法及对比分析。通过最小二乘法拟合的转换方程,仿真结果如图3所示,线性误差依然较大,针对上述问题,笔者对最小二乘法进行了改进,采用分段最小二乘法。将采集的数据(xi,yi)(i=1,…,n)分为m组,每组有k个有序对(x1i,y1i(i=1,…,k))…(xmi,ymi(i=1,…,k)),对每组数据进行最小二乘法拟合,得出m个转换方程,以减小传感器的线性误差。实际设计中m=3,计算得到斜率k0、k1、k2和零漂a0、a1、a2,将这3组参数存入存储器,应用时,判断采集数据所在区间,使用不同转换方程。由图4可得出,改进后的方法与最小二乘法拟合相比,提高了检测的精度,减小了误差,较好地解决了压力传感器的温漂、时漂和线性的问题。

图3 最小二乘法拟合 图4 最小二乘法分段拟合 Fig.3 Least square fitting Fig.4 Least square piecewise fitting

2.2 采集数据误差与滤波算法

传感器标定后,系统进入工作状态。焊接管件时采用循环方式进行A/D采样,为保证采集数据的准确度,减少干扰误差,A/D子程序采用极值删除滤波法和自适应滑动滤波法。

1) 极值删除滤波法。由于现场工作环境存在噪声,采集到的信号受到干扰,数据出现异常,需要删除异常数据。所以每次采集一组数据,即连续采样n个数据,处理方法如下

(6)

其中n取值与系统处理速度有关,转换器的一次A/D转换时间小于10 μs,交流电为50 Hz,由于n取值过大将导致系统的控制出现滞后现象,因此实际应用中,取n=10,交流电每半个周期采样10次,时间小于100 μs,去掉两个极值后,保留8个数据取平均值作为信号采集值,这可有效减少因噪声干扰产生的异常数据。

2) 自适应滑动滤波法。户外施工环境存在工频干扰,采集的数据经测试有时会出现短时间的阶段性的跳变,因此只使用极值删除滤波法,不能解决上述问题。为此笔者设计一种自适应滑动滤波法,如下

(7)

其中SO为原通过极值删除滤波法得到的信号值,SN为新采集的信号值,α的取值改变SN与SO差值所占比例,由于系统控制SN不超过SO的一倍,所以α取值为[1,3]之间,α过大,信号变化大时采集信号有滞后效应,当α=3时,极限情况新采集信号不起作用。当α取值为2时,新采集信号占比始终超过50%,平抑了信号突变的影响。

通过理论分析实测证明,利用极值删除滤波法和自适应滑动滤波法,数据处理速度快,平滑效果好,较好解决了噪声干扰和工频干扰产生的采集信号的误差问题。

3 改进的PID快速电压调节算法

1) PID工作原理。为实现快速、稳定的电压输出,系统对PID算法进行改进,设计了快速电压调节算法,实现电压输出控制[16-17]。PID工作原理如下

(8)

其中包含比例项、积分项和微分项,实际应用中,大多采用增量法对控制项进行控制,这种方法减少计算积分和微分的编程复杂度,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)为在t,t-1,t-2时刻给定电压输出和实际电压输出的差值,KP为比例项系数,控制调节变化速度,KI为积分项系数,实现消除余差、控制稳定度,KD为微分项系数,解决检测信号滞后,提高动态性能。

2) 改进的PID算法。为保证焊接质量,需要系统快速将电压调整到给定电压,并稳态输出。笔者设计快速电压调节算法如下

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

(10)

图5 快速电压调节流程图Fig.5 Flow chart of rapid voltage regulation

图6 改进算法对比Fig.6 Improved algorithm comparison

其中N为偏差值的阈值,α为KP和KD调节的系数,β为KI调节的系数。程序运行,判断给定电压与检测电压偏差值,如果大于阈值N,采用积分启动算法调节,即β=1,只保留积分项。如果电压偏差值小于等于阈值N,α=1,增加比例项和微分项,β=0.5,减小积分项,采用PID算法调节,程序流程如图5所示。

3) 算法对比分析。系统启动时,给定电压和实际电压输出的差值e(t)值最大,每次调节后e(t)-e(t-1)的差值也较大,KP值过大,输出容易产生超调振荡,进入稳态慢甚至达不到稳态现象。而KI取值越大,进入稳态越快,因此启动过程采用积分项启动,使输出快速达到稳态并减小振荡。稳态后,因为系统不可避免存在误差,如还只有积分项,控制误差等于采集误差,为提高控制精度,增加比例项和微分项,并减小积分项,使输出稳定性变强。

测试结果：取KP=0.1、KI=0.8、KD=0.1、阈值N=0.2 V,加入±0.2 V随机白噪声后,利用PID调节算法和积分项启动改进算法测得两组数据如图6所示。从图6可见,改进算法明显启动更快,启动后经过3个控制周期进入稳态,实现5～48 V区间电压可调。稳态后因为引入比例项和微分项,并降低积分项,加快响应速度,提高稳定度,使系统具有更好的动态性能,输出电压波动小于±0.1 V,降低了噪声带来的干扰,具有更好的可靠性。

4 结 语

笔者利用定时器中断技术,通过PWM对可控硅的控制,实现热熔焊接系统的可调电压输出。为提高系统的可靠性,软件方面设计了传感器最小二乘法分段动态标定,解决了传感器由于温度的变化和因时间特性等问题产生的测量误差；数据采集方面使用极值删除滤波法和自适应滑动滤波法,降低了信号的干扰,增加了数据采集的精度；控制算法方面设计一种改进的PID快速电压调节算法,调压速度快,输出稳定。通过测试,在存在干扰的环境中,系统电压输出可以快速达到稳态,5～48 V之间电压输出波动区间小于±0.1 V,低于±0.5 V国家标准。证明利用以上软件方法提高了设备的抗干扰性、工作的稳定性和系统的可靠性,对热熔系统的研发提供较好的可借鉴性。