商品混凝土塌落度控制的研究

摘　要：根據(jù)商品混凝土的生產(chǎn)特點(diǎn)和質(zhì)量要求，在Visual Basic 6.0的環(huán)境下，開(kāi)發(fā)混凝土攪拌控制與監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)。特別針對(duì)商品混凝土塌落度的研究，采用了前饋控制算法，通過(guò)測(cè)定沙子的含水率來(lái)改變實(shí)際的物料配比以迎合由大量權(quán)威試驗(yàn)得到的配比表。對(duì)于水泥含水的不可測(cè)性及石塊大小的不規(guī)范性等帶來(lái)的干擾因素，采用了古典控制論中的反饋補(bǔ)償算法，從而逐步調(diào)整實(shí)際物料的配比，使混凝土塌落度逐步逼近到我們所要求的合理范圍之內(nèi)，做到塌落度的自動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：塌落度；前饋控制；反饋補(bǔ)償

    混凝土的商品化在我國(guó)的推行與發(fā)展已有二十多年的歷史，商品混凝土產(chǎn)量、質(zhì)量等各方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但與西方國(guó)家和日本相比，我國(guó)的商品混凝土仍處于發(fā)展的初級(jí)階段，混凝土產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，最關(guān)鍵的就是要看混凝土的質(zhì)量。而在決定商品混凝土質(zhì)量的眾多的因素中，塌落度是最難控制的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，塌落度與混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度、和易性和可施工性有密切的聯(lián)系。在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的混凝土質(zhì)量管理系統(tǒng)中很多仍沿用人工經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)整塌落度，并未涉及塌落度的自動(dòng)控制。隨著近幾年國(guó)家的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展，我國(guó)城市商品混凝土的生產(chǎn)也得到了飛躍發(fā)展，北京、上海、大連等大中城市的混凝土商品化率可與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，為了適應(yīng)市場(chǎng)需求，配合質(zhì)量管理的順利進(jìn)行，充分利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)資源，我們針對(duì)影響塌落度的因素的特點(diǎn)，應(yīng)用前饋控制和滯后反饋補(bǔ)償?shù)确椒ㄩ_(kāi)發(fā)了混凝土質(zhì)量管理系統(tǒng)，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、繪制圖表、傳遞信息迅速可靠，而且能夠完成商品混凝土塌落度的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，具有一定的先進(jìn)性和實(shí)用價(jià)值。

1 　商品混凝土的生產(chǎn)過(guò)程

圖1 為商品混凝土的生產(chǎn)過(guò)程示意圖。

2 　商品混凝土的塌落度控制

    塌落度是混凝土生產(chǎn)的一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)，影響商品混凝土的塌落度的確定和不確定因素有很多，其中最為主要的有三點(diǎn)：即攪拌時(shí)所加水量、骨料的含水率與水泥濕度的飽和性。在商品混凝土的生產(chǎn)過(guò)程中，骨料的含水率與天氣狀況直接相關(guān)，我們利用微波測(cè)濕技術(shù)可以通過(guò)專(zhuān)門(mén)的儀器直接測(cè)量骨料的含水率，并作為影響塌落度的確定性因素，采用了前饋補(bǔ)償控制算法(如圖2) ，通過(guò)測(cè)定骨料的含水率來(lái)改變實(shí)際的物料配比(增砂減水) 以迎合由大量權(quán)威試驗(yàn)得到的配比表。

    設(shè)某一標(biāo)號(hào)混凝土標(biāo)準(zhǔn)配比表為攪拌每盤(pán)混凝土所需的砂量為x ，石量為y ，水泥量為z ，灰量為u ，摻和料量為v ，水量為w ，通過(guò)檢測(cè)得到砂的含水率為a %。則實(shí)際所需的砂與水配比量為：x′= x(1 + a %) ；w′=w - x ×a %；達(dá)到在攪拌前就對(duì)塌落度有一個(gè)預(yù)估，并據(jù)此進(jìn)行預(yù)調(diào)，這是系統(tǒng)進(jìn)行粗略注水控制。

    由于水泥的特殊性，對(duì)于石灰濕度的飽和性，其含水率與其出廠時(shí)間及貯藏環(huán)境的濕度和溫度相關(guān)，我們目前還沒(méi)有方法直接測(cè)量得到其飽和程度。我們可以把這種不確定性因素當(dāng)作影響混凝土塌落度的干擾信號(hào)，在工程實(shí)際中一般我們通過(guò)安裝在攪拌機(jī)內(nèi)的電機(jī)電流的大小來(lái)間接控制混凝土的塌落度，采用傳統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，如圖3。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出的某一標(biāo)號(hào)的混凝土的塌落度可以間接由某一設(shè)定電流值作為系統(tǒng)的輸入，生產(chǎn)每盤(pán)混凝土的原料攪拌所用時(shí)間約為40～60s ，可以認(rèn)為已經(jīng)攪拌均勻，安裝在攪拌機(jī)內(nèi)的電流傳感器的測(cè)量值為實(shí)際混凝土的塌落度大小。

    由于混凝土攪拌過(guò)程的特殊性，我們對(duì)這種影響應(yīng)采取不同于以前的措施。當(dāng)混凝土的需求量為多個(gè)立方時(shí)，我們可以在第一個(gè)立方之前先加預(yù)調(diào)(即前文所說(shuō)的前饋控制) ，以后每個(gè)立方攪拌至60s 時(shí)(認(rèn)為混凝土攪拌已均勻) 都會(huì)有電流表輸出一個(gè)電流值，相應(yīng)地根據(jù)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以得到一個(gè)塌落度值。不同標(biāo)號(hào)的混凝土的塌落度與電流值的關(guān)系并不相同，我們要建立不同標(biāo)號(hào)的水泥的塌落度與電流值的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。例如標(biāo)號(hào)為C20 的混凝土電流值與塌落度的對(duì)比關(guān)系表分別如表1 所示。

    與標(biāo)準(zhǔn)塌落度值相比較我們可以看出當(dāng)前所使用的不同的水泥標(biāo)號(hào)對(duì)混凝土的塌落度的影響，由塌落度的定義及其與電流值的關(guān)系，我們可以得到由電流值作參考輸入調(diào)節(jié)混凝土塌落度的方法。

    控制器的算法實(shí)現(xiàn)：在工程實(shí)際中合格混凝土一般要求達(dá)到某一塌落度值，如果由實(shí)驗(yàn)我們得到了某標(biāo)號(hào)的混凝土攪拌均勻時(shí)對(duì)應(yīng)的電流值與期望塌落度對(duì)應(yīng)的電流值有誤差，可能導(dǎo)致混凝土偏稀(或偏稠) ，在下一方混凝土攪拌下料之前，在調(diào)整含水率配比基礎(chǔ)上再進(jìn)行減水(或增水) 操作。控制器的算法采用模糊控制，由工程實(shí)踐，電流值偏差增加(或減少) 對(duì)應(yīng)的加水量減少(或增加) 的隸屬關(guān)系如公式(1) ，系統(tǒng)將進(jìn)行精細(xì)注水，對(duì)塌落度進(jìn)行精確補(bǔ)償。

式中：K> 0 ———調(diào)整用水增益量，由生產(chǎn)實(shí)際決定；

x > 0 ———實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)的表示塌落度的電流值；

α> 0 ———某標(biāo)號(hào)混凝土塌落度基準(zhǔn)值的上限；

β> 0 ———某標(biāo)號(hào)混凝土塌落度基準(zhǔn)值的下限；

γ> 0 ———遞增或衰減的快速控制量，由實(shí)際系統(tǒng)調(diào)試給出，是一個(gè)可變參量。

    但是由于檢測(cè)到的電流值會(huì)受到許多擾動(dòng)的影響，所以我們得到的電流值不是一個(gè)精確值。例如攪拌過(guò)程中，葉片碰到大石塊會(huì)增加電機(jī)的阻力，從而造成電流值的突起，以及下料時(shí)沙粒的大小都會(huì)影響電流值的變化。因此我們的每次調(diào)節(jié)不一定完全反映了對(duì)塌落度的正確糾正，但實(shí)踐證明當(dāng)攪拌多盤(pán)時(shí)，經(jīng)過(guò)此過(guò)程的反復(fù)調(diào)整我們可以使成品的塌落度的平均值滿(mǎn)足工程要求。

3 　系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    根據(jù)上面的設(shè)計(jì)，將該系統(tǒng)在HZS120 型混凝土攪拌站進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過(guò)不同標(biāo)號(hào)的混凝土試驗(yàn)生產(chǎn)10 盤(pán)所得出的塌落度，可以看出經(jīng)過(guò)開(kāi)始幾盤(pán)的調(diào)整，塌落度便穩(wěn)定到要求的值。

4 　結(jié)論

    針對(duì)混凝土攪拌過(guò)程中存在的難檢測(cè)性、難觀察性、易受外界因素的干擾等特點(diǎn)，采用了實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。特別針對(duì)影響商品混凝土塌落度的因素進(jìn)行研究，采用了前饋控制和模糊控制器相結(jié)合的方法逐步調(diào)整實(shí)際物料的配比，使混凝土塌落度逐步逼近到我們所要求的合理范圍之內(nèi)，做到塌落度的自動(dòng)控制。通過(guò)上述討論和仿真研究，對(duì)塌落度的控制算法簡(jiǎn)單方便且實(shí)用，能很快地將塌落度值穩(wěn)定在要求的范圍內(nèi)，且控制精度較高，控制速度較快，系統(tǒng)安全可靠、運(yùn)行性能良好。