商品混凝土塌落度控制的研究

    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(zhì)量等各方面都有了長足的進(jìn)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(jìn)入市場，參與市場競爭，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技術(shù)指標(biāo)，塌落度與混凝土的設(shè)計強度、和易性和可施工性有密切的聯(lián)系。在國內(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)驗手動調(diào)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(dá)國家相比，為了適應(yīng)市場需求，配合質(zhì)量管理的順利進(jìn)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(yīng)用前饋控制和滯后反饋補償?shù)确椒ㄩ_發(fā)了混凝土質(zhì)量管理系統(tǒng)，用計算機進(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算機自動控制，具有一定的先進(jìn)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。

 

    塌落度是混凝土生產(chǎn)的一個重要質(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：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(guān)，我們利用微波測濕技術(shù)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(quán)威試驗得到的配比表。

 

    設(shè)某一標(biāo)號混凝土標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到在攪拌前就對塌落度有一個預(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(guān)，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(dāng)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(nèi)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(biāo)號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)每盤混凝土的原料攪拌所用時間約為40～60s ，可以認(rèn)為已經(jīng)攪拌均勻，安裝在攪拌機內(nèi)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(yīng)采取不同于以前的措施。當(dāng)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(yù)調(diào)(即前文所說的前饋控制) ，以后每個立方攪拌至60s 時(認(rèn)為混凝土攪拌已均勻) 都會有電流表輸出一個電流值，相應(yīng)地根據(jù)科學(xué)的實驗數(shù)據(jù)，我們可以得到一個塌落度值。不同標(biāo)號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)號的水泥的塌落度與電流值的關(guān)系數(shù)據(jù)庫。例如標(biāo)號為C20 的混凝土電流值與塌落度的對比關(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(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。

控制器的算法實現(xiàn)：在工程實際中合格混凝土一般要求達(dá)到某一塌落度值，如果由實驗我們得到了某標(biāo)號的混凝土攪拌均勻時對應(yīng)的電流值與期望塌落度對應(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?？刂破鞯乃惴ú捎媚：刂疲晒こ虒嵺`，電流值偏差增加(或減少) 對應(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，對塌落度進(jìn)行精確補償。

 

     式中：K> 0 ———調(diào)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(biāo)號混凝土塌落度基準(zhǔn)值的上限；

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

     γ> 0 ———遞增或衰減的快速控制量，由實際系統(tǒng)調(diào)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(diào)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(dāng)攪拌多

 

    根據(jù)上面的設(shè)計，將該系統(tǒng)在HZS120 型混凝土攪拌站進(jìn)行試驗研究。通過不同標(biāo)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(diào)整，塌落度便穩(wěn)定到要求的值。

 

    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(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(nèi)，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。

 

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