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)特點和質量要求，在Visual Basic 6.0的環(huán)境下，開發(fā)混凝土攪拌控制與監(jiān)測計算機輔助系統(tǒng)。特別針對商品混凝土塌落度的研究，采用了前饋控制算法，通過測定沙子的含水率來改變實際的物料配比以迎合由大量權威試驗得到的配比表。對于水泥含水的不可測性及石塊大小的不規(guī)范性等帶來的干擾因素，采用了古典控制論中的反饋補償算法，從而逐步調整實際物料的配比，使混凝土塌落度逐步逼近到我們所要求的合理范圍之內，做到塌落度的自動控制。

關鍵詞：塌落度；前饋控制；反饋補償

    混凝土的商品化在我國的推行與發(fā)展已有二十多年的歷史，商品混凝土產(chǎn)量、質量等各方面都有了長足的進步。但與西方國家和日本相比，我國的商品混凝土仍處于發(fā)展的初級階段，混凝土產(chǎn)品進入市場，參與市場競爭，最關鍵的就是要看混凝土的質量。而在決定商品混凝土質量的眾多的因素中，塌落度是最難控制的一項技術指標，塌落度與混凝土的設計強度、和易性和可施工性有密切的聯(lián)系。在國內現(xiàn)有的混凝土質量管理系統(tǒng)中很多仍沿用人工經(jīng)驗手動調整塌落度，并未涉及塌落度的自動控制。隨著近幾年國家的基礎設施建設的迅猛發(fā)展，我國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)達國家相比，為了適應市場需求，配合質量管理的順利進行，充分利用現(xiàn)有的計算機資源，我們針對影響塌落度的因素的特點，應用前饋控制和滯后反饋補償?shù)确椒ㄩ_發(fā)了混凝土質量管理系統(tǒng)，用計算機進行數(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算機自動控制，具有一定的先進性和實用價值。

1 　商品混凝土的生產(chǎn)過程

圖1 為商品混凝土的生產(chǎn)過程示意圖。

2 　商品混凝土的塌落度控制

    塌落度是混凝土生產(chǎn)的一個重要質量指標，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：即攪拌時所加水量、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)過程中，骨料的含水率與天氣狀況直接相關，我們利用微波測濕技術可以通過專門的儀器直接測量骨料的含水率，并作為影響塌落度的確定性因素，采用了前饋補償控制算法(如圖2) ，通過測定骨料的含水率來改變實際的物料配比(增砂減水) 以迎合由大量權威試驗得到的配比表。

    設某一標號混凝土標準配比表為攪拌每盤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 ，通過檢測得到砂的含水率為a %。則實際所需的砂與水配比量為：x′= x(1 + a %) ；w′=w - x ×a %；達到在攪拌前就對塌落度有一個預估，并據(jù)此進行預調，這是系統(tǒng)進行粗略注水控制。

    由于水泥的特殊性，對于石灰濕度的飽和性，其含水率與其出廠時間及貯藏環(huán)境的濕度和溫度相關，我們目前還沒有方法直接測量得到其飽和程度。我們可以把這種不確定性因素當作影響混凝土塌落度的干擾信號，在工程實際中一般我們通過安裝在攪拌機內的電機電流的大小來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)驗得出的某一標號的混凝土的塌落度可以間接由某一設定電流值作為系統(tǒng)的輸入，生產(chǎn)每盤混凝土的原料攪拌所用時間約為40～60s ，可以認為已經(jīng)攪拌均勻，安裝在攪拌機內的電流傳感器的測量值為實際混凝土的塌落度大小。

    由于混凝土攪拌過程的特殊性，我們對這種影響應采取不同于以前的措施。當混凝土的需求量為多個立方時，我們可以在第一個立方之前先加預調(即前文所說的前饋控制) ，以后每個立方攪拌至60s 時(認為混凝土攪拌已均勻) 都會有電流表輸出一個電流值，相應地根據(jù)科學的實驗數(shù)據(jù)，我們可以得到一個塌落度值。不同標號的混凝土的塌落度與電流值的關系并不相同，我們要建立不同標號的水泥的塌落度與電流值的關系數(shù)據(jù)庫。例如標號為C20 的混凝土電流值與塌落度的對比關系表分別如表1 所示。

    與標準塌落度值相比較我們可以看出當前所使用的不同的水泥標號對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系，我們可以得到由電流值作參考輸入調節(jié)混凝土塌落度的方法。

    控制器的算法實現(xiàn)：在工程實際中合格混凝土一般要求達到某一塌落度值，如果由實驗我們得到了某標號的混凝土攪拌均勻時對應的電流值與期望塌落度對應的電流值有誤差，可能導致混凝土偏稀(或偏稠) ，在下一方混凝土攪拌下料之前，在調整含水率配比基礎上再進行減水(或增水) 操作?？刂破鞯乃惴ú捎媚：刂?，由工程實踐，電流值偏差增加(或減少) 對應的加水量減少(或增加) 的隸屬關系如公式(1) ，系統(tǒng)將進行精細注水，對塌落度進行精確補償。

式中：K> 0 ———調整用水增益量，由生產(chǎn)實際決定；

x > 0 ———實際生產(chǎn)檢測的表示塌落度的電流值；

α> 0 ———某標號混凝土塌落度基準值的上限；

β> 0 ———某標號混凝土塌落度基準值的下限；

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

    但是由于檢測到的電流值會受到許多擾動的影響，所以我們得到的電流值不是一個精確值。例如攪拌過程中，葉片碰到大石塊會增加電機的阻力，從而造成電流值的突起，以及下料時沙粒的大小都會影響電流值的變化。因此我們的每次調節(jié)不一定完全反映了對塌落度的正確糾正，但實踐證明當攪拌多盤時，經(jīng)過此過程的反復調整我們可以使成品的塌落度的平均值滿足工程要求。

3 　系統(tǒng)實驗結果

    根據(jù)上面的設計，將該系統(tǒng)在HZS120 型混凝土攪拌站進行試驗研究。通過不同標號的混凝土試驗生產(chǎn)10 盤所得出的塌落度，可以看出經(jīng)過開始幾盤的調整，塌落度便穩(wěn)定到要求的值。

4 　結論

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