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1引言
糧食、化肥等粉粒狀物料在包裝之前需要稱重計量，計量秤是此類物品包裝線中的重要設(shè)備。合理的機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和控制方法是保證計量秤高精度和高效率的基礎(chǔ)。為了提高包裝的效率，要求連續(xù)的動態(tài)稱重‘1|。稱重精度和稱重速度是動態(tài)定量稱重的2個關(guān)鍵問題。動態(tài)稱重過程含有時變、非線性以及隨機干擾等因素。同時實現(xiàn)高精度和高速度的動態(tài)稱重技術(shù)是計量領(lǐng)域的難題之一。動態(tài)稱重過程中，物料對秤體的沖擊、留空物料等都會引起稱重誤差。此外，稱重控制模塊的精度、秤體振動、執(zhí)行機構(gòu)滯后等因素，也會帶來稱重誤差。目前，提高稱重精度的方法主要包括大、中、小三級投料法，動態(tài)測量法[51和先進控制方法中的模糊邏輯法、特征提取因子加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、經(jīng)驗?zāi)７纸夥ǖ?，以上方法各有其?yōu)缺點。
結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)、伺服電機驅(qū)動技術(shù)和智能控制技術(shù)，設(shè)計了一種能夠適用于粉粒狀物料動態(tài)包裝計量需求的計量秤。針對該計量秤，研究影響稱重精度的因素,采用多級投料、自適應(yīng)留空物料補償和RBF（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID）算法提高稱重的精度。
2計量秤設(shè)計
2.1本體結(jié)構(gòu)
設(shè)計計量秤的本體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1一進料連接軟管;2T料倉;3—粒位計;4一進料速度調(diào)節(jié)輪;
5—稱重傳感器;6—伺眼控制落料機構(gòu)；7-投料料斗,8T料控制門（開度由伺服電機控制）;9-稱重料斗懸臂（3條）；1OT料氣缸;11一排料檢測開關(guān);12—稱重料斗；13—排料門;14f體支架；15—落料倉
圖1中,儲料倉2：用于暫存待稱重物料，為利于物料下落，儲料倉壁需進行拋光處理，儲料倉根部設(shè)有料位計3，其信號接入稱重控制器，實現(xiàn)欠料報警。中心式進料調(diào)節(jié)器：目前,計量秤多采用斜插板式進料調(diào)節(jié)機構(gòu)，操作不便。本文設(shè)計了中心式進料調(diào)節(jié)器,通過外部手輪4能方便地調(diào)節(jié)進料速度。伺服驅(qū)動雙門投料機構(gòu):采用單伺服電機驅(qū)動雙投料門8實現(xiàn)投料相比于目前普遍采用的氣缸驅(qū)動的單門投料方式更易于實現(xiàn)多級投料、精確控制，提高稱重的精度和速度。桿6由伺服電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，通過二連桿驅(qū)動投料門開合。稱重機構(gòu):稱重料斗12由3個拉桿9（呈△布置）懸吊，拉桿末端各連接一個稱重傳感器，當稱重料斗水平時，稱重重量為3個傳感器測量值之和。排料機構(gòu):稱重結(jié)束后氣缸驅(qū)動排料門13打開，將物料通過排料倉下落到指定的位置,通常在排料倉15末尾加上自動套袋機構(gòu)和夾帶機構(gòu)，并設(shè)有相應(yīng)的就緒檢測開關(guān),實現(xiàn)自動計量包裝。
2.2控制系統(tǒng)
計量秤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。S7-200PLC與Siwarex_MS稱重模塊構(gòu)成稱重控制器。Siwarex_MS稱重模塊精度為0.05%,軟硬件資源豐富,能夠方便地實現(xiàn)校秤、參數(shù)設(shè)置等，作為S7-200PLC的擴展模塊可以與PLC快速地交換數(shù)據(jù)。3個Siwarex.R稱重傳感器通過接線盒集成后接到稱重模塊。PLC發(fā)出高速脈沖控制伺服電機驅(qū)動投料門，零位開關(guān)用于伺服電機的回零操作。通過觸摸屏可以設(shè)置秤的各種參數(shù)，配合按鈕指示燈實現(xiàn)人機交互。排料氣缸由PLC控制實現(xiàn)排料動作。排料檢測開關(guān)和料位開關(guān)狀態(tài)輸入PLC實現(xiàn)排料門開合狀態(tài)檢測和儲糧倉的料位狀態(tài)檢測。

3計量秤稱重原理分析
為了兼顧稱重的精度和效率，結(jié)合伺服驅(qū)動技
術(shù)的優(yōu)勢采用多級投料的方式,即大投、中投和變流量細投。大投和中投實現(xiàn)快速投料,提高稱重過程的快速性；變流量細投，即由傳感器、稱重模塊、PLC、執(zhí)行機構(gòu)和控制算法組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)細投的精確控制，保證稱重的精度?？刂茣r序如圖3所示，啟動投料:當料斗內(nèi)物料的重量達到大投設(shè)定值時，關(guān)閉大投，延時t1時間（為避免大投過沖、停止采集重量值的時間），進入中投階段;物料重量達到中投設(shè)定值時關(guān)閉中投，延時t2時間（同t1）后進入變流量細投;當物料重量達到目標設(shè)定值時，關(guān)閉閥門，并延時t3時間（克服計量秤抖動，并等待留空物料下落完畢，記錄相關(guān)參數(shù)），排料；以上完成一個稱重循環(huán)。

4稱重精度控制
影響稱重精度的主要因素包括留空物料、物料下落的沖擊力、傳感器動態(tài)測量誤差等⑸。另外,秤體振動、環(huán)境溫度變化等干擾因素及執(zhí)行機構(gòu)滯后、采樣時間等因素也會帶來稱重誤差，且這些誤差難以估計和補償,需要使用智能控制算法對其進行校正控制。
4.1稱重過程分析
大投和中投時，稱重料斗中物料的重量和設(shè)定值尚有較大差距，此過程中稱重抖動、留空物料、下落沖擊、執(zhí)行機構(gòu)滯后等干擾因素對最終稱重精度影響較小。但是，細投過程中這些因素不能忽略。采用自適應(yīng)策略對留空物料的補償值進行自動調(diào)整并采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法對細投過程中其他干擾信號產(chǎn)生的誤差進行校正。
4.2留空物料的自適應(yīng)補償
由于物料下落的非線性、物料粘結(jié)、執(zhí)行機構(gòu)磨損等原因，留空物料可能隨著時間的推移在不斷變化。因此，對留空物料的補償也應(yīng)該隨時間自動調(diào)整。具體方法為:每次稱重結(jié)束時記錄測量的實際值和目標值之間的差值E,并記錄提前量M（PLC控制伺服電機關(guān)閉投料門時稱重料斗內(nèi)物料的重量，理想情況下M加上留空量等于目標重量）。用前N次的差值E的平均值的一半來修正本次提前量,N可通過觸摸屏設(shè)定。
通過修正，留空物料總能趨于合理值。為了克服物料粘結(jié)于秤體引起的誤差，多次排料后還應(yīng)進行自動校零（Siwarex_MS模塊支持該功能）。
4.3基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的細投控制
采用經(jīng)典PID控制和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，對細投過程進行控制。一方面可以發(fā)揮PID算法簡單、魯棒性好和可靠性高的優(yōu)點;另一方面可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的任意非線性表達能力，通過對系統(tǒng)性能的學(xué)習來實現(xiàn)具有自適應(yīng)能力的智能PID控制器。基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制系統(tǒng)由2部分組成：
（1）經(jīng)典的PID控制器:直接對被控對象過程閉環(huán)控制,并且3個參數(shù)Kp，Ki，Kd為在線整定。
（2）RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò):根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，達到某種性能指標的最優(yōu)化。
RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)采用文獻［13］的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，具有口個輸入和一個輸出，為3層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

5樣機稱重試驗
實驗中，使用砥碼對載荷誤差、偏差等進行校正(校秤)，并用水平儀對稱重料斗進行水平校正。稱
重物料為化肥，稱重值為25kg。
RBF網(wǎng)絡(luò)選取3-6-1結(jié)構(gòu)；算法的學(xué)習效率=0.32,動量因子=0.05；RBF網(wǎng)絡(luò)基函數(shù)半b=0.65,加權(quán)系數(shù)初值w1=0.01,w2=0.02,w3=0.01；學(xué)習效率p=0.5、學(xué)習效率i=0.45、學(xué)習效率d=0.4。留空物料自適應(yīng)算法參數(shù)N=3。防過沖延時時間t1=100ms,t2=90ms,t3=70ms0大投設(shè)定值為19kg,中投設(shè)定值為23.5kg,初始目標設(shè)定值為24.91kg,初始留空物料補償值為0.09kg0
分別進行三級投料+固定留空物料（經(jīng)過多次測量調(diào)整）補償，三級投料+留空物料自適應(yīng)補償調(diào)整,多級投料+細投PID控制，多級投料+RBF-PID細投控制4組實驗。每種方法稱重40次。采用高精度靜止秤校核稱重的物料，得到各種控制方法稱重結(jié)果指標如表1所示,得到各次稱重的誤差曲線，如圖5~圖8所示。
表1中，“三投”表示三級投料；“固定留空”表示固定的留空物料補償;“適應(yīng)留空”表示適應(yīng)性的留空物料補償策略;“多投”表示大投、中投和變流量細投；“RBF-PID”表示RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器。
 

從各個控制方法的稱重性能對比表和誤差圖可以看岀：“三投+固定留空”控制方法稱重精度和合

格率都較低，且稱重誤差波動較大；“三投+適應(yīng)留空”控制方法稱重精度和稱重的合格率都有所提高，開始時誤差較大，后來誤差有收斂的趨勢。由此,可以看出留空物料是引起稱重誤差的重要因素之一,通過自適應(yīng)的留空物料補償，能夠提高稱重的精度；“多投+PID細投+適應(yīng)留空”控制方法稱重精度和合格率都較高，但是稱重精度的波動仍較大;“多投+RBF-PID細投+適應(yīng)留空”控制方法稱重精度和合格率都最高，且單次稱重的質(zhì)量也較高。因此，采用智能控制方法和留空物料自適應(yīng)補償方法能夠提高稱重的精度。為了考察釆用本文研究方法,伺服秤工作的快速性，連續(xù)稱重20次,共用時66秒,最大稱重速度達到了1100次/11。因此，該秤能夠?qū)崿F(xiàn)較高的稱重效率，算法的執(zhí)行效率能夠滿足實時性要求。
6結(jié)論
設(shè)計了一種典型的計量秤機械結(jié)構(gòu)，采用伺服電機驅(qū)動排料門實現(xiàn)投料，相比于氣缸驅(qū)動更利于實現(xiàn)多級投料，有助于提高稱重精度。采用大投、中投保證稱重的效率,采用變流量細投保證稱重的精度；為了克服細投過程中外界非線性不確定干擾因素對稱重精度的影響，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID對細投過程進行控制。設(shè)計留空物料自適應(yīng)控制策略，使得留空物料的補償趨于合理值。實驗表明，多級投料、RBF-PID細投控制和留空物料自適應(yīng)控制三者結(jié)合能夠有效提高系統(tǒng)的稱重精度和稱重效率。

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