基于卡尔曼滤波的陶瓷配料控制系统
唐德翠，李虎山
（广东技术师范学院自动化系，广东广州510635）
摘 要：介绍了陶瓷配料控制系统的控制原理以及基于avr单片机的电子秤硬件设计。针对配料系统中干扰多，传统pid控制精度不高、稳定性较差的不足，提出基于卡尔曼滤波的pid控制器设计算法。该算法基于线性最小平方法进行有效递推计算，通过设置卡尔曼滤波器各项参数，可提高系统控制性能，并对加入滤波器前后2种情况下的仿真结果进行对比分析，仿真结果表明，在相同的外部奈件下，采用卡尔曼滤波器的pid控制系统优于传统的pid控制系统，并将该算法应用于陶瓷配料系统中，算法投入前后的实时数据表明，提出算法提高了对象控制精度，稳定了陶瓷地砖的质量，具有较好的应用价值。
关键词：陶瓷配料；电子秤；pid控制器；卡尔曼滤波器
中图分类号：tp 273 文献标识码：a
1引 言
陶瓷配料是陶瓷瓷砖等产品生产过程中的前序环节，陶瓷中各耪陶瓷粉料的比倒和份量的精确与否，对瓷砖的质量起着非常重要的作用。传统配料控制采用单纯的pid控制模式，虽然可以在一定程度上满足系统的要求，但是其拉制精度差，稳定性不高，加上配料控制系统工作环境恶劣，信号中存在大量随机干扰信号，因此，单纯pid控制很难满足目前配料高达百分之0.5的精度要求。
卡尔曼滤波器对于系统中存在过程及测量噪声，状态变量受到污染的系统进行有效滤波，加之卡尔曼滤波算法是一种递推算法，特别适用于在计算机上运行。因此，本文提出将卡尔曼滤波用于陶瓷配料控制中，采用基于卡尔曼滤波的pid控制方法实现对配料系统的控制，能够有效减少信号传输过程中干扰信号对系统控制精度的影响。
2 陶瓷配料控制系统设计
配料控制系统主要由工控机、皮带配料秤（电子秤）、变频器、电机、荷重传感器和编码器组成，结构如图l所示。
编码器用于连续测量给料速度，其脉冲输出正比于皮带速度，电子秤接受皮带上的负荷信号及皮带速度信号，经计算处理后得出实际给料速度，实际的给料速率与所设定的给料速率不断地进行比较，并将控制信号输出给变频器以控制皮带速度，从而实现定量给料和计量。
多台电子秤与工控机通过rs485通讯，上位机对多种物料按一定比例设定形成某个配方并存储，配料开始时转换成相应的流量下载到对应电子秤，同时汇总各种生产数据，统一操作指挥，实现配料系统的自动化。
在配料控制系统中，电子秤是其核心部件。本系统使用电子秤为作者自己开发，硬件有avr单片机atmega64，荷重信号一级放大器ad620，a/d转换芯片ad7705，d/a转换芯片tlc7528．max485键盘，rt128.64显示屏及驱动芯片，结构见图1中的虚线部分。
皮带上流量设定值通过仪表键盘设定，单片机atmeca64通过ad7705采集皮带荷重，该信号与皮带速度信号（该信号正比于编码器脉冲输出）计算得出实际物料流量，实际流量通过lcd显示屏实时显示给操作人员，atmeca64将实际流量与设定流量比较，经卡尔曼滤波pid控制器计算后给变频器，实现皮带流量的自动控制。
3控制算法
1)控制方案 按照工艺要求，连续配料系统必须保证备种原料在单位时间内的流量为给定的固定比例。
现场实现固定比例采用的方案有如下2种：
①一种原料物流量变化，要求其他原料物流量相应变化。采用此种方案的配料系统成为一个相互耦合的多输入多输出系统。
②稳定各种原料的物流量，使各种原料在单位时间内的物流量为给定的固定比例。此方案把多变量系统问题转化为单输入单输出系统来处理，易于实现。
2)基于卡尔曼滤波器的物流量控制 本文配料控制采用的是上文中第2种控制方案，皮带秤上的物流量与皮带上的物料重量以及皮带速度之间成正比，其关系式为
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