基于卡爾曼濾波的陶瓷配料控制系統
唐德翠，李虎山
（廣東技術師范學院自動化系，廣東廣州510635）
摘 要：介紹了陶瓷配料控制系統的控制原理以及基于avr單片機的電子秤硬件設計。針對配料系統中干擾多，傳統pid控制精度不高、穩定性較差的不足，提出基于卡爾曼濾波的pid控制器設計算法。該算法基于線性最小平方法進行有效遞推計算，通過設置卡爾曼濾波器各項參數，可提高系統控制性能，并對加入濾波器前后2種情況下的仿真結果進行對比分析，仿真結果表明，在相同的外部奈件下，采用卡爾曼濾波器的pid控制系統優于傳統的pid控制系統，并將該算法應用于陶瓷配料系統中，算法投入前后的實時數據表明，提出算法提高了對象控制精度，穩定了陶瓷地磚的質量，具有較好的應用價值。
關鍵詞：陶瓷配料；電子秤；pid控制器；卡爾曼濾波器
中圖分類號：tp 273 文獻標識碼：a
1引 言
陶瓷配料是陶瓷瓷磚等產品生產過程中的前序環節，陶瓷中各耪陶瓷粉料的比倒和份量的精確與否，對瓷磚的質量起著非常重要的作用。傳統配料控制采用單純的pid控制模式，雖然可以在一定程度上滿足系統的要求，但是其拉制精度差，穩定性不高，加上配料控制系統工作環境惡劣，信號中存在大量隨機干擾信號，因此，單純pid控制很難滿足目前配料高達百分之0.5的精度要求。
卡爾曼濾波器對于系統中存在過程及測量噪聲，狀態變量受到污染的系統進行有效濾波，加之卡爾曼濾波算法是一種遞推算法，特別適用于在計算機上運行。因此，本文提出將卡爾曼濾波用于陶瓷配料控制中，采用基于卡爾曼濾波的pid控制方法實現對配料系統的控制，能夠有效減少信號傳輸過程中干擾信號對系統控制精度的影響。
2 陶瓷配料控制系統設計
配料控制系統主要由工控機、皮帶配料秤（電子秤）、變頻器、電機、荷重傳感器和編碼器組成，結構如圖l所示。
編碼器用于連續測量給料速度，其脈沖輸出正比于皮帶速度，電子秤接受皮帶上的負荷信號及皮帶速度信號，經計算處理后得出實際給料速度，實際的給料速率與所設定的給料速率不斷地進行比較，并將控制信號輸出給變頻器以控制皮帶速度，從而實現定量給料和計量。
多臺電子秤與工控機通過rs485通訊，上位機對多種物料按一定比例設定形成某個配方并存儲，配料開始時轉換成相應的流量下載到對應電子秤，同時匯總各種生產數據，統一操作指揮，實現配料系統的自動化。
在配料控制系統中，電子秤是其核心部件。本系統使用電子秤為作者自己開發，硬件有avr單片機atmega64，荷重信號一級放大器ad620，a/d轉換芯片ad7705，d/a轉換芯片tlc7528．max485鍵盤，rt128.64顯示屏及驅動芯片，結構見圖1中的虛線部分。
皮帶上流量設定值通過儀表鍵盤設定，單片機atmeca64通過ad7705采集皮帶荷重，該信號與皮帶速度信號（該信號正比于編碼器脈沖輸出）計算得出實際物料流量，實際流量通過lcd顯示屏實時顯示給操作人員，atmeca64將實際流量與設定流量比較，經卡爾曼濾波pid控制器計算后給變頻器，實現皮帶流量的自動控制。
3控制算法
1)控制方案 按照工藝要求，連續配料系統必須保證備種原料在單位時間內的流量為給定的固定比例。
現場實現固定比例采用的方案有如下2種：
①一種原料物流量變化，要求其他原料物流量相應變化。采用此種方案的配料系統成為一個相互耦合的多輸入多輸出系統。
②穩定各種原料的物流量，使各種原料在單位時間內的物流量為給定的固定比例。此方案把多變量系統問題轉化為單輸入單輸出系統來處理，易于實現。
2)基于卡爾曼濾波器的物流量控制 本文配料控制采用的是上文中第2種控制方案，皮帶秤上的物流量與皮帶上的物料重量以及皮帶速度之間成正比，其關系式為
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