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０　引言
在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中，一種產(chǎn)品往往包含幾種不同配比的物料。為了能夠生產(chǎn)質地均勻、高質量的產(chǎn)品，這就需要研制一種能夠精確控制各種物料的投放質量，確保配比準確的動態(tài)稱重系統(tǒng)。皮帶秤儀表是在皮帶輸送機輸送物料過程中對物料進行連續(xù)自動稱重的計量設備，其稱重過程是連續(xù)和自動的，不需要工作人員的干預即可完成稱重操作。
目前，各自動化生產(chǎn)線也越來越追求于無人看管、無人監(jiān)督和自動生產(chǎn)的機械化操作，各流水線要求對物料投放進行精確測量，通過先進的控制技術快速實現(xiàn)自動配料。為此，設計一種基于ＡＲＭ的多功能皮帶秤控制儀表，不僅能夠實現(xiàn)物料累積量和流量的自動計量，還能實現(xiàn)流量的實時控制，從而滿足自動配料的需求。
１　電子皮帶秤系統(tǒng)組成
１．１　系統(tǒng)結構
皮帶秤稱重系統(tǒng)一般由秤架、稱重傳感器、速度傳感器、信號處理單元和稱重顯示控制器（皮帶秤儀表）５大部分構成。下位機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用ＭＳＣ１２１０Ｙ０５單片機作為核心芯片，主要實現(xiàn)壓力信號處理和轉速信號處理，以及信號采集的功能。上位機系統(tǒng)則采用ＡＲＭ７芯片ＬＰＣ２２１４為主控單元，主要實現(xiàn)累積量計算、流量計算、通訊接口、顯示和控制輸出等功能，其中模擬量輸入０～２０ｍＡ電流用于流量控制的給定信號，模擬量輸出用于變頻器調節(jié)轉速，控制電機運轉速度。
１．２　系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)采用４路壓力傳感器安裝在托輥的下方，克服了通常１只傳感器情況下，因皮帶跑偏、物料在皮帶上堆積偏向一側，而引起偏心載荷影響稱重精度的缺點。當物料投放到皮帶上時，壓力傳感器會把感應的壓力轉換成微弱的電信號，然后經(jīng)前置濾波增益放大電路完成信號調理功能；光電傳感器則通過光柵碼盤獲得光電脈沖，經(jīng)整形濾波電路計算出皮帶轉速；設計中還添加角度傳感器，是為了應對堆取料與皮帶運行時存在傾角的變化而引起測量誤差的情況，擴大了系統(tǒng)的應用范圍，克服了常規(guī)動態(tài)稱重系統(tǒng)在某些場合不能使用的缺點。
下位機對接收的壓力信號、轉速信號和角度信號，進行Ａ／Ｄ轉換，通過ＲＳ４８５串口與上位機ＡＲＭ７系統(tǒng)通信，把測量的信息傳給上位機。上位機通過積分運算實現(xiàn)累積量計量，并采用閉環(huán)控制算法實現(xiàn)流量的實時控制，流量的給定值可以通過模擬輸入信號設定，也可由其他系統(tǒng)通過通信口設置，通過模擬量輸出來控制電機轉速，從而控制皮帶的運行速度，達到控制流量的目的。故將無模型自適應控制算法用于流量閉環(huán)控制中，可以提高控制性能。
２　硬件設計
２．１　下位機數(shù)據(jù)采集
傳感器輸出的電信號一般較微弱，信噪比小，易淹沒在噪聲中，此外傳感器的輸入／輸出存在一定的非線性，因此在前端處理電路中應濾除噪聲等干擾，進行信號調理。多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用獨立電源供電，互不干擾，保證傳感器有著良好的輸出特性。選擇低功耗、高精度和寬電壓的儀用放大器ＡＤ６２０［５］，通過加在其引腳１與引腳８中間的增益電阻，實現(xiàn)固定增益放大（設計中增益約為１００）。壓力傳感器輸出微弱信號通過Ｒ０１，Ｒ０２進入系統(tǒng)。由電阻Ｒ０１，Ｒ０２和電容Ｃ０１，Ｃ０２組成對地低通濾波結構，濾除噪聲等干擾，后經(jīng)ＡＤ６２０放大輸入單片機。這里采用對稱結構的低通濾波器，便于差分信號在傳輸過程中受到同等程度的損失，保證線路平衡。
由于微弱稱重信號的Ａ／Ｄ轉換精度影響整機系統(tǒng)的測量精度，所以系統(tǒng)采用的ＭＳＣ１２１０Ｙ０５單片機芯片［６］，其內部集成了２４位高精度８通道Ａ／Ｄ轉換器，轉換速率達到１?。埃埃埃龋商岣呶⑷跣盘柕霓D換精度。設計中采用內置的ＡＤＣ進行數(shù)據(jù)采集，各傳感器的輸出信號采用單端輸入方式直接輸入到ＭＳＣ１２１０Ｙ０５的通道中。由于芯片的高集成度，外圍硬件電路設計簡潔，外圍元件非常少，所以系統(tǒng)的可靠性高，開發(fā)周期短，開發(fā)成本低。
２．２　上位機ＡＲＭ系統(tǒng)硬件
上位機硬件主要由管理控制單元（ＭＣＵ）、存儲單元、外部總線和ＬＣＭ顯示模塊等組成。其中ＭＣＵ以ＡＲＭ７芯片ＬＰＣ２２１４為核心，負責整機系統(tǒng)的調度和管理；存儲單元采用Ｅ－ＩＳ６１ＬＶ２５６１６ＡＬ芯片，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速緩存；外部總線則通過Ｍ２９Ｗ３２０ＥＴ芯片與ＭＣＵ連接，選用Ｅ－ＡＴ４５ＤＢ０１１Ｂ芯片，實現(xiàn)對Ｆｌａｓｈ的讀寫以及與外圍設備的串行通信；ＬＣＭ顯示模塊完成實時信息的顯示，供工作人員了解機器運行狀況。外部接口電路還設有Ａ／Ｄ輸入，Ｄ／Ａ輸出，ＲＳ２３２＿Ｄｅｂｕｇ接口以及ＲＳ４８５通信端口，主要實現(xiàn)信號的輸入輸出，上位機的調試以及與下位機的通信功能。為了方便聯(lián)機操作，選用ＤＭ９０００芯片，設置了以太網(wǎng)接口。
３　軟件設計
下位機以ＫｅｉｌＣ作為開發(fā)環(huán)境，采用基于Ｃ語言代碼實現(xiàn)Ａ／Ｄ轉換和數(shù)字濾波功能。由于傳感器輸出特性存在非線性，加之信號放大、模數(shù)轉換等環(huán)節(jié)的一系列非線性，使前端信號處理的非線性誤差變得不可忽視，在軟件設計中通過設定最小采樣間隔，采用連續(xù)采樣信號若干次求平均值方法進行數(shù)字濾波，修正非線性誤差。上位機ＡＲＭ系統(tǒng)基于實時多任務操作系統(tǒng)μＣ／ＯＳ－Ⅱ，軟件開發(fā)環(huán)境為ＩＡＲ　Ｅｍｂｅｄｅｄ?。祝铮颍耄猓澹睿悖琛Ｍㄟ^內嵌無模型自適應控制算法，來完成皮帶速度閉環(huán)控制功能，輸入信號由Ａ／Ｄ進入，控制量由Ｄ／Ａ輸出。報警模塊完成報警信號的輸出和傳感器故障的緊急處理功能；外圍存儲器用于累計量和報表的定時保存，打印模塊則實現(xiàn)存儲器中數(shù)據(jù)的打印輸出。
４　控制算法與仿真結果
無模型自適應控制（ＭＦＡＣ），是指無模型控制規(guī)律，是參數(shù)自適應和結構自適應?？刂破鞯脑O計僅根據(jù)系統(tǒng)的Ｉ／Ｏ數(shù)據(jù)，不包括受控過程數(shù)學模型的任何信息，能實現(xiàn)良好的跟蹤性能，保證系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定，魯棒性較強。考慮可觀測、可控的離散時間非線性系統(tǒng)：
ｙ（ｋ）＝ｆ（ｙ（ｋ－１），ｙ（ｋ－２），…，ｙ（ｋ－ｎ），ｕ（ｋ－１），ｕ（ｋ－２），…，ｕ（ｋ－ｍ））（１）
ｕ（ｋ－１），ｙ（ｋ－１）分別為輸入和輸出；ｎ，ｍ為系統(tǒng)階次；ｆ（·）為未知的非線性函數(shù)。無模型自適應控制并不是沒有模型，而是不建立模型，依賴“泛模型”：
Δｙ（ｋ）＝φ（ｋ－１）Δｕ（ｋ－１）（２）
Δｙ（ｋ）＝ｙ（ｋ）－ｙ（ｋ－１）；Δｕ（ｋ－１）＝ｕ（ｋ－１）－ｕ（ｋ－２）；φ（ｋ－１）稱為偽偏導數(shù)。由泛模型可推出預測模型：
Δｙ（ｋ＋１）＝φ（ｋ）Δｕ（ｋ）（３）
Δｙ（ｋ＋１）＝ｙ＊（ｋ＋１）－ｙ（ｋ），Δｕ（ｋ）＝ｕ（ｋ）－ｕ（ｋ－１）。ｙ＊（ｋ＋１）為ｋ＋１時刻系統(tǒng)期望輸出；ｙ（ｋ）為ｋ時刻系統(tǒng)實際輸出；ｕ（ｋ）為ｋ時刻系統(tǒng)的輸入；ｕ（ｋ－１）為ｋ－１時刻系統(tǒng)的輸入?？刂颇康氖窃冢霑r刻對系統(tǒng)施加控制作用ｕ（ｋ），使系統(tǒng)輸出期望值ｙ＊（ｋ＋１），為此，引入控制輸入準則函數(shù)：
Ｊ（ｕ（ｋ））＝｜ｙ＊（ｋ＋１）－ｙ（ｋ）｜２＋λ｜ｕ（ｋ）－ｕ（ｋ－１）｜２（４）
λ為可調的權重系統(tǒng)，用于克服穩(wěn)態(tài)誤差。將式（３）代入式（４），對ｕ（ｋ）求導，并令其等于零，可得：
ＭＦＡＣ分為偽偏導數(shù)辨識和控制律計算，ＭＦＡＣ控制器可以不依賴系統(tǒng)參數(shù)模型，通過快速學習，準確掌握被控對象當前特征，產(chǎn)生合理的控制對策，獲得理想的控制效果。
５　結束語
利用ＡＲＭ，設計了多功能皮帶秤儀表，不僅能實現(xiàn)累積量和流量計量，還能實現(xiàn)流量的實時控制，具有報表打印、報警輸出和通信等功能，適合于各種散料計量和流量控制場合。仿真結果表明，將無模型自適應控制系算法用于皮帶秤流量控制，有較好適應性，能夠滿足不同場合的皮帶秤流量控制。

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