收費站稱重系統輪軸識別儀智能加熱系統設計及應用

高衛平,何潤昌,吐爾遜·買買提,江 峰

(1.新疆交通投資(集團)有限責任公司,烏魯木齊 830001;2.新疆農業大學交通與物流工程學院,烏魯木齊 830052)

0 引言

我國北方部分地區冬季嚴寒且時間較長,在此期間,安裝于戶外的傳感設備極易產生凝凍現象,影響其正常工作。新疆北部嚴寒區域高速公路收費站計量收費系統在運行當中因低溫及冰雪凝凍問題致使其頻繁出現無法正常識別車型的問題,在嚴重時造成貨車排隊堵塞,影響高速公路的交通流運行效率[1]。

目前,尚未有具體解決方案運用至實際場景之中,常用的解決方案是用火等產生熱源對輪軸識別器蓋板進行加熱從而達到融凍的目的,而目前現有的相關檢測技術難以精準地實時監測冰凍的具體程度,且在車道較多的收費站中安裝有較多的識別器,利用上述方法效率較低而且難以把控,容易加速線路老化,并影響識別器使用壽命。目前常用的溫度控制裝置大多數局限于單點溫度檢測和單路控制。工控中存在微電腦溫度的多路控制,但大都設計基于單點單控,即一個溫度傳感器測溫控制一路加熱裝置,無法根據多點溫度綜合計算進行整體控溫。基于上述原因,本文設計了一種基于多源溫度監測和控制的輪軸識別器加熱系統,該系統可根據環境溫度判斷自動啟動加熱系統,在監測加熱器實時加熱溫度的同時調控輪軸識別器本身的內外溫度,并且能夠利用PID算法進行精準的控溫操作,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、積分補償單元I、微分限制單元D組成,通過對應的Kp、Ki和Kd三個參數動態調節控制加熱裝置。傳統的PID控制器是多用于工控領域的帶有局部反饋功能的調節控制器。反饋電路可以反饋溫度、濕度等自然環境狀態數據,也可反饋電壓、電流等連續的模擬信號等類型數據。繼由PID控制器接收到后,會將收集的數據信息與設定參考信息進行對比,計算差值,作為下次控制的輸入參數進入控制系統,調整控制狀態。

1.2 方案設計需求

對于輪軸識別器的加熱控制,其識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境下會出現回彈性能降低現象,使安置在識別器中的壓片電路低溫工作能力降低,造成無法準確監測到輪軸下壓狀態。對輪軸識別傳感器的升溫控制,應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,造成冰雪短時融化滲入地磅與輪軸識別傳感器蓋板而后凝凍。

(3)輪軸識別傳感器壓彈回縮縫塵土中存含水分,因低溫凝凍。

(4)輪軸識別傳感器蓋板與地磅蓋板間縫隙因冰雪凝凍形成整體。

經試驗,單一啟閉控制方式的溫控方法的加熱模式無法很好地把握輪軸識別器的恒溫狀態。識別器本身用材較為厚實,導熱效率低,而主要監測產生數字信號的壓電傳感器封裝于識別器中,位于內部,由防水固化后的凝膠保護。在利用溫度傳感器采集溫度進行限溫加熱時造成輪軸識別器表面高溫、內部低溫。長時間加熱后存在內外溫差,內部溫度的提升依賴于識別器外部表面加熱裝置的傳導,內部升溫遲緩于外部,對于溫度控制需要一定的延緩等待過程。如若對外部升溫超過定量,會經過一定時間的傳導過后造成內部溫度過高,將融化封裝凝膠和信號線,造成安全隱患。因此,需要能夠產生恒溫源的加熱方法,其最終設計需求應解決但不限于以下條件:

(1)及時融凍,防止已融化雪水在識別器工作環境中二次凝凍。

(2)提高輪軸識別器的工作溫度,并保持恒溫狀態,避免環境的過低溫度致使輪軸識別器中壓電傳感器工作不穩定,造成軸數計量失誤。

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

(4)節能、自動化工作。過低溫運行時,能根據環境溫度調整工作時間,非必要時斷電節能。

(5)工況惡劣,應能進行低溫下穩定監測并提供穩定的恒溫加熱。

(6)多路多控,一個輪軸識別器的工作范圍需安裝多路加熱裝置和溫度監測傳感器,一臺地磅由多個輪軸識別器共同配合工作。

1.3 PID控制系統

傳統的溫度控制方案一般由溫度傳感器直接反饋至MCU進行解碼分析,對比預設目標值結合寬域設定范圍控制加熱裝置的啟閉操作,以達到恒溫目的。此種方式的控制狀態非關即開,并無中間過渡狀態,即當實際溫度達到設定的溫度寬域邊界時,加熱裝置將切換輸出狀態。處于該種方法控制時,溫度將不斷在區間內循環,產生輸出“抖動”,難以達到準確恒溫的目的。雖然該方法響應速度較快,但是普遍存在“遲滯”效應。改進的PID控制器是由歷史信息數據與當前獲得的狀態信息差來反饋調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合的方式對信息差的變化進行處理,反映在輸出上,即為自動補償的輸出方法。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,受控應變量是由三種增益算法累加(Σ)后得出的結果,經調節處理后即為輸出控制量。反饋輸入的為誤差值,即為設定目標值與實際監測值之差的結果,抑或是由誤差值衍生的信號。一般來說,如若定義控制輸出量為U(t),則PID控制輸出可表達為[2]:

(1)

式中:Kp、Ki和Kd——分別為比例、積分和微分增益,均為調適參數變量;

e——目標值與實際監測值間的誤差;

t——當前時間;

τ——積分變量,范圍為0～t。

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

1.4 PWM功率控制策略

脈沖寬度調制技術是一種成熟的電流調節方式,在改進原始控溫的方式后加入PID調節方式能有效地控制溫度的變化。理想狀態中PID調節算法控制了加熱器電路的啟閉時間,通過三種增益方式預測未來的加熱狀態,即補償和削弱未來的溫度目標之狀態。臨近溫度設定值時,PID控制器將會頻繁地啟閉加熱控制電路,無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行加溫。

在實際的極寒低溫環境試驗中,加熱器完全的電路閉合使得熱量散失較多。溫度的傳導通過不同導熱能力的介質時,導熱效率會出現較大的差異。環境空氣因溫度較低帶走了部分熱量,較厚的輪軸識別器材質導熱效率低,由外至內的熱量傳遞慢,導致內外溫差較大。

相應地,調節輸出控制電流來產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使熱量散失速度下降的有利方式。本文選擇了經典的PWM控制方法,分析在PWM調節下的通過改變電流控制功率的加熱器運行特性。如圖2所示,是基于PID控制方式和利用PWM波調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波調控加熱器功率示意圖

通過利用PWM波和可控硅調節電流方式來穩定加熱器的工作狀態,使其在低溫中處于工作狀態,為輪軸識別器提供熱源。控制器運行中MCU會檢測當前的溫度控制狀態,通過誤差輸入至PID控制器計算調控量大小。在實際控制中,電流變化狀態會落后于PWM變化狀態,形成鋸齒波狀態,因此將會產生一個延時量推后PWM波的變化狀態,而電流中采樣將截取居中大小的狀態反饋至PID控制器中,重新調節波形占空比和延時量。最終產生的目標波段輸入至可控硅調節模塊,將削弱或提升加熱器的運行功率,以達到最終的恒溫目的。

2 控制系統的結構與實現

2.1 控制系統的結構設計

整體溫度控制系統的硬件結構如圖3所示,主要由微處理器MCU作為計算控制中心和PWM波的調控電路;外部ROM作為參數記憶體,負責保存交互中人工設定的參數和歷史經驗數據,在環境溫度反復變化時會優先調用歷史參數數據作為控制的初始方案[3]。

圖3 硬件結構的整體組成示意圖

接由溫度傳感器對多點采樣傳送至MCU進行譯碼和誤差計算;可控硅功率調節方案會接受來自MCU輸出的PWM波形占空比值等比例的調節輸出電流以達到控制功率的目的。最后經由電流采樣模塊對輸出電流采樣反饋,交至A/D轉換將連續幅值離散化導入MCU計算延時與PWM波形調整。

2.2 信號的采集與算法控制

2.2.1 溫度的采集

溫度控制系統的實現方法是通過初始設定、溫度傳感測量、調控計算等功能,使得受控物體溫度變化范圍盡可能地縮小。通過數字溫度傳感器對受控加熱物體進行測溫,文中使用信號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存儲著器件的序列號,暫存器存儲包含2字節的溫度寄存器,并提供1字節的上下限報警觸發寄存器(TH和TL)和1字節的配置寄存器的訪問。在測溫執行溫度轉換后,將溫度值與存儲在1字節TH和TL寄存器中定義的二進制補碼警報觸發值進行比較。符號位(S)表示該值是否為正數或負數:正數時S=0,負數時S=1。TH和TL寄存器是非易失性的(EEPROM),因此其將在設備掉電時保留數據[4]。MCU從TH和TL寄存器中讀取到8位二進制編碼后即可得到采集后的溫度數據。

2.2.2 延遲的計算

在PWM占空比不變的情況下,可控硅的導通與截止在實際中會帶有“遲滯”性,真正獲得的硅控開關的導通時間較實際輸出的占空比而言有部分減少[5]。根據多個同頻率的PWM波累積送入,其總導通時間會大量減少,因此要對電流進行采樣,調控這一部分產生的累積誤差。延時時間是作為累積誤差開關時間的補償效用。從控制的角度來說,總體變化時間是固定發生的,單位誤差的遲滯時間可以看作常數值。因此,實際的硅控開關導通時間可以量化為單個不變的PWM波與硅控變化的時間差乘以總波長的數量。設電流從信號0至1的跳變沿點為A,從1至0的跳變沿點為B,將給出定義式:

(2)

式中:tA、tB——采樣模塊進行工作記錄的跳變沿時間點;

p——PWM波占空比單位量;

tcdt——預期調控時間單位量;

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——累積單位波長的總數量;

Tc——總累積的遲滯誤差時間。

最后即可控制輸出總需的補償量。

2.2.3 算法控制(圖4)

圖4 基于PID控制量調整PWM波形輸出的控制邏輯偽代碼示意圖

在傳統溫控方案中加入PID算法輔助控制加熱模塊,利用PID控制方法調節PWM的占空比輸出調節功率大小。如圖4展示的是利用PID控制PWM波的控制邏輯,區別于開關電路,特點是每次變化調節了加熱器的電流控制大小,代碼中以5%的占空比作為調節點,反映在電流變化中即為出現調節變化狀態時會增加或減少5%的電流供給,以改變加熱器發熱量,在控溫精準度要求不同時也可更改其變化的單位量[6]。需要說明的是Ki和Kd變量的計算是依靠時間所產生的,運行時間則由系統總運行時間和計時器的差值產生[7]。采樣sampling的實現和dt的計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,變化躍點量為5。

3 試驗結果分析

為了驗證本文的方法對于收費站輪軸識別器加熱控制的有效性,本文從問題的產生與解決需要出發,設計具體的驗證方式。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計方案,使得一個控制器和MCU計算控制與監測多個加熱的伴熱帶裝置。溫度傳感器將被安裝在主要擬防凍目標位置上進行監測,附帶一路環境溫度傳感器,監測當前工作環境是否需要啟動加熱控制裝置。在多路溫度監測中,溫度傳感器設計放置在易凍結的位置,定制伴熱帶包裹收費站輪軸識別器以提供恒定熱源,如圖5～6所示。

圖5 加熱方式設計示意圖

圖6 加熱控制箱體示意圖

智能溫控器中環境溫度傳感器將實時監測環境氣溫。日間氣溫高且在不易凝凍的條件范圍時,整體控制系統進入待機狀態節能;夜間氣溫低且達到易凝結點時,自動啟動控制裝置。多條伴熱帶同時啟動,針對已達到預設溫度值的加熱部位,控制該部分進入恒溫狀態,降低功耗,其他部分則獨立控制加熱功率。同時,輪軸識別器內部壓電傳感器因位置較為靠內,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傳導,逐漸提高內部壓電傳感器溫度,防止其因低溫工作失效。

如圖7所示,是在4 500 s內對其中一個識別器部位加熱至60 ℃狀態溫度采集的離散溫度采樣點所繪制的曲線。由圖7可以看出,獨立的PID開關電路控溫波動性較大[9],但溫度波動幅度的范圍小,初始達到目標溫度狀態時,會產生小波峰,超越目標設定溫度值較多,而后較為平穩,維持溫度平均在60±1.3 ℃之間。采用PWM輔助PID進行功率調節加熱器后,溫度變化的波動性較為降低,能夠維持溫度平均在60±0.7 ℃左右,如表1所示。據此可得出使用該種方式對溫度調節的穩定性具有明顯提升,且在冷啟動升溫過程中不易超目標溫度限制,可以較為精準地控制溫度浮動范圍[10]。

表1 兩種方式控制下的溫度采樣對比表

圖7 兩種方式控制下的溫度采樣離散點折線變化曲線圖

4 結語

本文設計了針對極寒環境中輪軸識別器的加熱系統的方案,提出了一種基于PID調節PWM輸出的控制方法,改進了傳統基于開關電路的溫度控制器。通過限制電流達到控制加熱裝置的功率的目的,從而穩定了加熱源的熱量輸出,在極寒低溫環境中能夠極大限度保留加熱裝置的工作狀態,減少加熱裝置的冷啟動和受熱輪軸識別器的熱量散失。最終結果和實際應用表明:

(1)根據PWM波和可控硅的導通響應特性進行數學分析,確定了有利于維持溫度穩定的時間補償方式,提升了溫控的準確性。

(2)利用PID調節PWM的方式,控制加熱裝置表現出了該系統對溫度控制的穩定性,控制的目標偏移率降低約1%。

(3)在實際收費站應用場景中,低溫環境中因輪軸識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)文中調控方法較傳統方式而言,在低溫環境下的加熱與恒溫能力具有明顯提升,控制精度和穩定性方面也有進步。從應用方面來看,對溫度控制需求較高的行業產品方向提供了新思路。