基于三次樣條擬合模型的噴霧加油裝置油位檢測算法改進

陳為政，彭來湖,2，唐麒麟

(1.浙江理工大學浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室，浙江 杭州 310018；2.杭州旭仁自動化有限公司，浙江 杭州 310018)

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1 引言(Introduction)

針織圓緯機運行過程中，采用噴霧加油裝置實現受控噴油潤滑以延長成圈機件使用壽命，同時能夠減少或消除織物表面產生油針等布品瑕疵。針對這一問題，現提供一種基于單片機LPC54608開發的智能噴霧式加油控制調節系統，具有對液位信號進行采樣及處理、人機交互及潤滑控制等功能。由于圓緯機運行時的機械振動，導致油桶內液面波動，降低了液位傳感器的檢測精度。針對這一問題，雖已研發出基于最小二乘法的線性回歸模型的油位檢測算法，但由于油桶容積為非線性變化，與實際情況仍存在一定差距。針對線性回歸模型的不足，進一步提出三次樣條曲線擬合模型，提高液位、油耗信息等的監控精度。通過殘差分析、測試對比，三次樣條曲線擬合模型優于線性回歸模型。基于ARM平臺，實現成圈機件的潤滑控制，進一步提高加油控制、受控計量的準確性及穩定性。

2 總體設計概述(Overview of overall design)

現提供一種基于ARM芯片LPC54608開發的智能噴霧式加油控制調節系統，包括LCD顯示屏、薄膜按鍵、PCB電路板、一體式電磁閥過濾組件、氣壓調壓閥、氣壓傳感器和液位傳感器等。基于LPC54608芯片的ARM處理器，結合三次樣條擬合算法和嵌入式控制技術，可以實時顯示當前油位和油耗信息，幫助使用者直觀地了解機器狀態；通過鍵盤輸入可以設定噴油速度；在故障發生時能及時停機并報警，保證機器安全運行。該檢測方法主要包括信號采集、信號處理、人機交互和控制輸出。針對機械振動導致的油位波動問題，通過三次樣條擬合求出兩個小時內油位數據的擬合曲線，得到當前油位的預估值。人機交互設計包括機器狀態信息輸出、系統參數錄入等。通過測試對比，系統能夠精確控制噴油時間，準確顯示油耗信息，及時對異常情況進行報警，具有較高的準確性和穩定性。智能噴霧式加油控制調節系統的系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 System framework

3 數據采樣及處理(Data sampling &processing)

浮子液位計根據油位變化轉化成模擬電信號。微控制單元(MCU)進行系統初始化后，通過模數轉化器(ADC)對模擬電信號進行采樣，每采樣120 個信號數據，通過冒泡算法對數據從小到大排序處理，除去大小兩端各30 個數據，以盡量減小液面波動引起浮子模擬電信號及干擾信號的影響，并對剩下的60 組數據計算一次平均值，以此作為一次油位采樣實際值。在噴霧加油裝置運行時的2 小時內，每分鐘獲取一次油位采樣實際值，根據120 個油位采樣實際值進行擬合分析，以真實反映噴油機油位的實際變化。

4 數據擬合原理(Data fitting principles)

4.1 線性擬合

4.2 三次樣條擬合

為進一步提高擬合優度，采用三次樣條曲線擬合模型。其基本思想是設計一個以油位采樣實際值為變量的三次多項式，使經過多項式計算后的輸出數據逼近真實情況。三次樣條曲線的多項式可以表示為：

整理可得：

5 數據擬合算法設計(Data fitting algorithm design)

5.1 三次樣條數據擬合

由于噴霧加油裝置內結構布局不同，油箱各個截面面積具有差異。在理想狀態下，噴霧加油裝置內的油位并不是均勻變化的。同時，由于圓緯機振動導致油桶液面波動，干擾浮子液位計的實際測量，從而使ADC采樣得到的數據產生隨機誤差。采用最小二乘法進行線性擬合，將油位變化簡單看成是均勻、恒定的變化，與實際情況有較大偏差。針對這一問題，本文提出了一種新的數據擬合方法，即在噴霧加油裝置開啟后的120 分鐘內，ADC每分鐘采樣120 次，通過冒泡法對120 個數據由小到大排序，去除前后各30 個數據，并對剩余60 個數據求和取平均值，以減小液面波動引起的采樣誤差。平均值則作為一次采樣油位實際值，噴油機運行120 分鐘內，每分鐘獲取一次采樣油位實際值，共計120 組數據。根據120 組數據建立三次樣條擬合曲線，求解三次樣條曲線函數并計算當前的油位擬合值。

5.2 油耗計算

其中，為油箱最高液位高度，為油箱實際液位高度。

6 軟件設計(Software design)

6.1 初始化

系統初始化后，會自動從鐵電MB85RS16中讀取之前設置好的噴油機的設備參數，并設置好設備工作所需的工作參數。ADC需要獲取六個基準值：第一個是氣壓為0時的基準值，第二個是氣壓最高時的基準值，第三個是油位最低時的基準值，第四個是油位最高時的基準值，第五個是吹氣氣壓最低的基準值，第六個是吹氣氣壓最高時的基準值。如果這些基準值沒有被設置，將被設置為默認值。還會讀取四路氣閥通氣時間的設定值，通過此函數，設備會將開機時間以及總油耗初始化，將各種設備狀態設為開機默認狀態，讀取吹氣高報警是否開啟，吹氣低報警是否開啟，腔體氣壓高報警是否開啟，腔體氣壓低報警是否開啟。

6.2 采樣及濾波算法

LPC54608處理器自帶12 位模數轉換器，系統初始化后，MCU通過傳感器獲取油位、油箱內氣壓以及吹氣氣壓等參數，將采集的數據通過ADC采樣到MCU上，每分鐘采樣120 個數據。MCU對數據從小到大排序后取中間的60 次做平均數，這個平均數作為一次采樣的值，采樣結束后數據會保存起來。通過三次樣條擬合曲線方程來計算設備當前的油耗值以及油箱內剩余油量。

6.3 報警檢測

報警檢測模塊實時獲取氣壓、液位、油溫等參數，經與設定參數比較后，通過LCD顯示屏彈窗、LED報警燈、蜂鳴器進行異常報警，提示異常信息。

噴霧加油裝置開機進行初始檢測，當傳感器檢測到油箱液位小于設定最高液位值的10%時，警報LED紅燈閃爍，蜂鳴器報警，LCD顯示屏彈窗報警，噴霧加油裝置進入待機狀態；當檢測到當前噴霧加油裝置油箱液位值介于設定最高液位的10%—20%時，預警LED黃燈閃爍，蜂鳴器報警，LCD顯示屏彈窗報警，噴霧加油裝置進入運行狀態；當檢測到當前噴霧加油裝置油箱液位值大于噴霧加油裝置油箱最高液位值的20%時，正常運轉指示綠燈常亮，噴霧加油裝置正常運行。

在噴霧加油裝置待機階段，當傳感器檢測到當前油箱液位值小于設定最高液位值的10%時，LCD顯示屏油位讀條閃爍，彈窗提示加油；蜂鳴器報警。當檢測到油箱液位值大于設定最高液位值的90%時，控制LCD顯示屏油位讀條閃爍，彈窗提示停止加油；蜂鳴器報警。

噴霧加油裝置正常運行時，當傳感器檢測到當前油箱液位值在20 分鐘內未發生變化，或者液位低于設定的最低液位值，或者液位高于設定的最高液位值時，蜂鳴器報警。其中，最低液位值是指浮子液位計所能檢測到的最低液位；設定的最高液位值是指當油箱加滿油后，浮子液位計所能檢測到的最高液位。報警反饋程序的流程圖如圖2和圖3所示，其中圖2為油位報警流程圖，圖3為氣壓報警流程圖。

圖2 油位報警流程圖Fig.2 Flowchart of oil level alarm

圖3 氣壓報警流程圖Fig.3 Flowchart of pneumatic alarm

6.4 主界面開發

UI界面開發采用emWin，為圖形LCD設計提供高級支持，極大簡化了LCD設計。人機界面設計如圖4所示，系統在設備上電后就會運行，液晶屏會實時顯示噴油機的工作狀態。顯示分為五個部分，上方從左到右分別為油箱氣壓表、油箱液位顯示表盤以及吹氣氣壓表，下方是當前油耗和剩余使用時間，實時顯示吹氣管路單路的檔位情況。

圖4 人機界面Fig.4 Human-machine interface

7 評價及測試驗證(Evaluation &test verification)

7.1 殘差分析

為驗證分析擬合效果，本文對線性回歸擬合模型和三次樣條擬合模型進行殘差分析，對比模型的擬合優度平方，進一步說明三次樣條擬合模型優于基于最小二乘法的線性回歸擬合模型。

7.2 線性擬合殘差分析

表2 線性擬合優度分析Tab.2 Linear fitting goodness analysis

圖6 線性擬合殘差分析圖Fig.6 Linear fitting residual analysis plot

表1 線性擬合參數Tab.1 Linear fitting parameters

圖5 線性回歸擬合圖Fig.5 Linear regression fitting plot

7.3 三次樣條擬合殘差分析

圖7 三次樣條曲線擬合圖Fig.7 Cubic spline curve fitting plot

表3 三次樣條擬合參數Tab.3 Cubic spline fitting parameters

圖8 三次樣條擬合殘差分析圖Fig.8 Cubic spline fitting residual analysis plot

表4 三次樣條擬合優度分析Tab.4 Cubic spline fitting goodness analysis

在進行擬合分析時，擬合優度平方為回歸平方和與總離差平方和的比值，表示總離差平方和中可以由回歸平方和解釋的比。這一比例越大越好，模型越精確，回歸效果越顯著。擬合優度平方介于0—1，越接近1，回歸擬合效果越好。從表2和表4可知，三次樣條擬合優度可達0.9921，較之線性擬合模型0.98546，擬合優度同比提升0.674%，并且能夠在一定程度上反映噴霧加油裝置油箱截面的變化。此外，在測試過程中，用儀表實時檢測油箱的重量，可以測算油量的變化速度。將該速度與擬合曲線變化率相比較，經過多次測試，兩者誤差在10%以內，滿足實際生產要求。

7.4 故障報警測試

為了避免故障發生時工作人員不能及時解決，設計了故障預警和故障報警兩種機制。當油位或氣壓達到預警值時，人機界面上彈出故障預警彈窗，提醒工作人員當前油位或氣壓可能會發生故障，但不干涉機器的運行。當油位或氣壓超過警戒值時，人機界面上彈出故障報警彈窗，警告工作人員已經發生故障，同時控制噴霧加油裝置停機并向大圓機發送報警信號。在預警值與報警值邊界處設置了緩沖區間，防止誤觸發的發生。通過手動調節傳感器，讓油位和氣壓處于不同的區間。界面彈窗的測試結果如圖9所示。經過測試，在不同情況下，界面彈窗能夠準確快速地切換。

圖9 界面彈窗報警測試圖Fig.9 Test diagram of interface pop-up alarm

8 結論(Conclusion)

針對針織圓緯機噴霧加油裝置無法精準預測和受控計量問題，基于ARM控制器，結合三次樣條擬合算法和嵌入式控制技術，設計了一種新型噴霧加油裝置系統。該系統可以實時顯示當前油位和油耗信息，幫助使用者直觀地了解機器狀態；通過鍵盤輸入可以調節系統信息參數；在故障發生時能及時停機并報警，保證機器安全運行。

測試結果表明，本設計提出的三次樣條擬合模型能夠進一步提高噴霧加油裝置油耗計算的準確性以及噴油控制的穩定性，人機交互的設計方便了工作人員的使用，在噴霧加油裝置領域具有廣闊的應用前景。目前本設計已經在蘇州某公司得到應用。本文著重研究了機械振動引起的油位波動對系統的影響及應對措施，對于如何減小或消除機械振動的影響是后續需要深入研究的內容。