商品混凝土塌落度控制的研究

    混凝土的商品化在我国的推行与发展已有二十多年的历史，商品混凝土产量、质量等各方面都有了长足的进步。但与西方国家和日本相比，我国的商品混凝土仍处于发展的初级阶段，混凝土产品进入市场，参与市场竞争，最关键的就是要看混凝土的质量。而在决定商品混凝土质量的众多的因素中，塌落度是最难控制的一项技术指标，塌落度与混凝土的设计强度、和易性和可施工性有密切的联系。在国内现有的混凝土质量管理系统中很多仍沿用人工经验手动调整塌落度，并未涉及塌落度的自动控制。随着近几年国家的基础设施建设的迅猛发展，我国城市商品混凝土的生产也得到了飞跃发展，北京、上海、大连等大中城市的混凝土商品化率可与发达国家相比，为了适应市场需求，配合质量管理的顺利进行，充分利用现有的计算机资源，我们针对影响塌落度的因素的特点，应用前馈控制和滞后反馈补偿等方法开发了混凝土质量管理系统，用计算机进行数据处理、绘制图表、传递信息迅速可靠，而且能够完成商品混凝土塌落度的计算机自动控制，具有一定的先进性和实用价值。

 

    1 商品混凝土的生产过程

     图1 为商品混凝土的生产过程示意图。

 

    塌落度是混凝土生产的一个重要质量指标，影响商品混凝土的塌落度的确定和不确定因素有很多，其中最为主要的有三点：即搅拌时所加水量、骨料的含水率与水泥湿度的饱和性。

 

    在商品混凝土的生产过程中，骨料的含水率与天气状况直接相关，我们利用微波测湿技术可以通过专门的仪器直接测量骨料的含水率，并作为影响塌落度的确定性因素，采用了前馈补偿控制算法(如图2) ，通过测定骨料的含水率来改变实际的物料配比(增砂减水) 以迎合由大量权威试验得到的配比表。

 

    设某一标号混凝土标准配比表为搅拌每盘混凝土所需的砂量为x ，石量为y ，水泥量为z ，灰量为u ，掺和料量为v ，水量为w ，通过检测得到砂的含水率为a%。则实际所需的砂与水配比量为：x′= x(1 + a %)；w′=w - x ×a %；达到在搅拌前就对塌落度有一个预估，并据此进行预调，这是系统进行粗略注水控制。

 

    由于水泥的特殊性，对于石灰湿度的饱和性，其含水率与其出厂时间及贮藏环境的湿度和温度相关，我们目前还没有方法直接测量得到其饱和程度。我们可以把这种不确定性因素当作影响混凝土塌落度的干扰信号，在工程实际中一般我们通过安装在搅拌机内的电机电流的大小来间接控制混凝土的塌落度，采用传统的闭环反馈控制系统，如图3。根据经验得出的某一标号的混凝土的塌落度可以间接由某一设定电流值作为系统的输入，生产每盘混凝土的原料搅拌所用时间约为40～60s ，可以认为已经搅拌均匀，安装在搅拌机内的电流传感器的测量值为实际混凝土的塌落度大小。

    由于混凝土搅拌过程的特殊性，我们对这种影响应采取不同于以前的措施。当混凝土的需求量为多个立方时，我们可以在第一个立方之前先加预调(即前文所说的前馈控制) ，以后每个立方搅拌至60s 时(认为混凝土搅拌已均匀) 都会有电流表输出一个电流值，相应地根据科学的实验数据，我们可以得到一个塌落度值。不同标号的混凝土的塌落度与电流值的关系并不相同，我们要建立不同标号的水泥的塌落度与电流值的关系数据库。例如标号为C20 的混凝土电流值与塌落度的对比关系表分别如表

1 所示。

    与标准塌落度值相比较我们可以看出当前所使用的不同的水泥标号对混凝土的塌落度的影响，由塌落度的定义及其与电流值的关系，我们可以得到由电流值作参考输入调节混凝土塌落度的方法。

控制器的算法实现：在工程实际中合格混凝土一般要求达到某一塌落度值，如果由实验我们得到了某标号的混凝土搅拌均匀时对应的电流值与期望塌落度对应的电流值有误差，可能导致混凝土偏稀(或偏稠) ，在下一方混凝土搅拌下料之前，在调整含水率配比基础上再进行减水(或增水) 操作。控制器的算法采用模糊控制，由工程实践，电流值偏差增加(或减少) 对应的加水量减少(或增加) 的隶属关系如公式(1) ，系统将进行精细注水，对塌落度进行精确补偿。

 

     式中：K> 0 ———调整用水增益量，由生产实际决定；

     x > 0 ———实际生产检测的表示塌落度的电流值；

     α> 0 ———某标号混凝土塌落度基准值的上限；

     β> 0 ———某标号混凝土塌落度基准值的下限；

     γ> 0 ———递增或衰减的快速控制量，由实际系统调试给出，是一个可变参量。

 

    但是由于检测到的电流值会受到许多扰动的影响，所以我们得到的电流值不是一个精确值。例如搅拌过程中，叶片碰到大石块会增加电机的阻力，从而造成电流值的突起，以及下料时沙粒的大小都会影响电流值的变化。因此我们的每次调节不一定完全反映了对塌落度的正确纠正，但实践证明当搅拌多

 

    根据上面的设计，将该系统在HZS120 型混凝土搅拌站进行试验研究。通过不同标号的混凝土试验生产10 盘所得出的塌落度，可以看出经过开始几盘的调整，塌落度便稳定到要求的值。

 

    针对混凝土搅拌过程中存在的难检测性、难观察性、易受外界因素的干扰等特点，采用了实时监控系统。特别针对影响商品混凝土塌落度的因素进行研究，采用了前馈控制和模糊控制器相结合的方法逐步调整实际物料的配比，使混凝土塌落度逐步逼近到我们所要求的合理范围之内，做到塌落度的自动控制。通过上述讨论和仿真研究，对塌落度的控制算法简单方便且实用，能很快地将塌落度值稳定在要求的范围内，且控制精度较高，控制速度较快，系统安全可靠、运行性能良好。

 

    参考文献：

    [1]马新伟，钮长仁。 商品混凝土全面质量管理系统[J]。混凝土，2000，(5) 。

    [2]何克忠，李伟。 计算机控制系统[M] 。 北京：清华大学出版社，1998。

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    [5]刘鹏， 利用PC 机技术完善BAA - 40 型混凝土搅拌站工业生产自动化[J] 。 混凝土，2000 ， (3) 。