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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(jì)量，計(jì)量秤是此類物品包裝線中的重要設(shè)備。合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和控制方法是保證計(jì)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(dòng)態(tài)稱重‘1|。稱重精度和稱重速度是動(dòng)態(tài)定量稱重的2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。動(dòng)態(tài)稱重過(guò)程含有時(shí)變、非線性以及隨機(jī)干擾等因素。同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度和高速度的動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)是計(jì)量領(lǐng)域的難題之一。動(dòng)態(tài)稱重過(guò)程中，物料對(duì)秤體的沖擊、留空物料等都會(huì)引起稱重誤差。此外，稱重控制模塊的精度、秤體振動(dòng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)滯后等因素，也會(huì)帶來(lái)稱重誤差。目前，提高稱重精度的方法主要包括大、中、小三級(jí)投料法，動(dòng)態(tài)測(cè)量法[51和先進(jìn)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(yàn)?zāi)７纸夥ǖ?，以上方法各有其?yōu)缺點(diǎn)。
結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和智能控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種能夠適用于粉粒狀物料動(dòng)態(tài)包裝計(jì)量需求的計(jì)量秤。針對(duì)該計(jì)量秤，研究影響稱重精度的因素,采用多級(jí)投料、自適應(yīng)留空物料補(bǔ)償和RBF（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID）算法提高稱重的精度。
2計(jì)量秤設(shè)計(jì)
2.1本體結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)計(jì)量秤的本體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1一進(jìn)料連接軟管;2T料倉(cāng);3—粒位計(jì);4一進(jìn)料速度調(diào)節(jié)輪;
5—稱重傳感器;6—伺眼控制落料機(jī)構(gòu)；7-投料料斗,8T料控制門（開(kāi)度由伺服電機(jī)控制）;9-稱重料斗懸臂（3條）；1OT料氣缸;11一排料檢測(cè)開(kāi)關(guān);12—稱重料斗；13—排料門;14f體支架；15—落料倉(cāng)
圖1中,儲(chǔ)料倉(cāng)2：用于暫存待稱重物料，為利于物料下落，儲(chǔ)料倉(cāng)壁需進(jìn)行拋光處理，儲(chǔ)料倉(cāng)根部設(shè)有料位計(jì)3，其信號(hào)接入稱重控制器，實(shí)現(xiàn)欠料報(bào)警。中心式進(jìn)料調(diào)節(jié)器：目前,計(jì)量秤多采用斜插板式進(jìn)料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，操作不便。本文設(shè)計(jì)了中心式進(jìn)料調(diào)節(jié)器,通過(guò)外部手輪4能方便地調(diào)節(jié)進(jìn)料速度。伺服驅(qū)動(dòng)雙門投料機(jī)構(gòu):采用單伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙投料門8實(shí)現(xiàn)投料相比于目前普遍采用的氣缸驅(qū)動(dòng)的單門投料方式更易于實(shí)現(xiàn)多級(jí)投料、精確控制，提高稱重的精度和速度。桿6由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)二連桿驅(qū)動(dòng)投料門開(kāi)合。稱重機(jī)構(gòu):稱重料斗12由3個(gè)拉桿9（呈△布置）懸吊，拉桿末端各連接一個(gè)稱重傳感器，當(dāng)稱重料斗水平時(shí)，稱重重量為3個(gè)傳感器測(cè)量值之和。排料機(jī)構(gòu):稱重結(jié)束后氣缸驅(qū)動(dòng)排料門13打開(kāi)，將物料通過(guò)排料倉(cāng)下落到指定的位置,通常在排料倉(cāng)15末尾加上自動(dòng)套袋機(jī)構(gòu)和夾帶機(jī)構(gòu)，并設(shè)有相應(yīng)的就緒檢測(cè)開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)量包裝。
2.2控制系統(tǒng)
計(jì)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(shí)現(xiàn)校秤、參數(shù)設(shè)置等，作為S7-200PLC的擴(kuò)展模塊可以與PLC快速地交換數(shù)據(jù)。3個(gè)Siwarex.R稱重傳感器通過(guò)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(jī)驅(qū)動(dòng)投料門，零位開(kāi)關(guān)用于伺服電機(jī)的回零操作。通過(guò)觸摸屏可以設(shè)置秤的各種參數(shù)，配合按鈕指示燈實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。排料氣缸由PLC控制實(shí)現(xiàn)排料動(dòng)作。排料檢測(cè)開(kāi)關(guān)和料位開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸入PLC實(shí)現(xiàn)排料門開(kāi)合狀態(tài)檢測(cè)和儲(chǔ)糧倉(cāng)的料位狀態(tài)檢測(cè)。

3計(jì)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(dòng)技
術(shù)的優(yōu)勢(shì)采用多級(jí)投料的方式,即大投、中投和變流量細(xì)投。大投和中投實(shí)現(xiàn)快速投料,提高稱重過(guò)程的快速性；變流量細(xì)投，即由傳感器、稱重模塊、PLC、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制算法組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)細(xì)投的精確控制，保證稱重的精度?？刂茣r(shí)序如圖3所示，啟動(dòng)投料:當(dāng)料斗內(nèi)物料的重量達(dá)到大投設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉大投，延時(shí)t1時(shí)間（為避免大投過(guò)沖、停止采集重量值的時(shí)間），進(jìn)入中投階段;物料重量達(dá)到中投設(shè)定值時(shí)關(guān)閉中投，延時(shí)t2時(shí)間（同t1）后進(jìn)入變流量細(xì)投;當(dāng)物料重量達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉閥門，并延時(shí)t3時(shí)間（克服計(jì)量秤抖動(dòng)，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(gè)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(dòng)態(tài)測(cè)量誤差等⑸。另外,秤體振動(dòng)、環(huán)境溫度變化等干擾因素及執(zhí)行機(jī)構(gòu)滯后、采樣時(shí)間等因素也會(huì)帶來(lái)稱重誤差，且這些誤差難以估計(jì)和補(bǔ)償,需要使用智能控制算法對(duì)其進(jìn)行校正控制。
4.1稱重過(guò)程分析
大投和中投時(shí)，稱重料斗中物料的重量和設(shè)定值尚有較大差距，此過(guò)程中稱重抖動(dòng)、留空物料、下落沖擊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)滯后等干擾因素對(duì)最終稱重精度影響較小。但是，細(xì)投過(guò)程中這些因素不能忽略。采用自適應(yīng)策略對(duì)留空物料的補(bǔ)償值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整并采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法對(duì)細(xì)投過(guò)程中其他干擾信號(hào)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行校正。
4.2留空物料的自適應(yīng)補(bǔ)償
由于物料下落的非線性、物料粘結(jié)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)磨損等原因，留空物料可能隨著時(shí)間的推移在不斷變化。因此，對(duì)留空物料的補(bǔ)償也應(yīng)該隨時(shí)間自動(dòng)調(diào)整。具體方法為:每次稱重結(jié)束時(shí)記錄測(cè)量的實(shí)際值和目標(biāo)值之間的差值E,并記錄提前量M（PLC控制伺服電機(jī)關(guān)閉投料門時(shí)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(biāo)重量）。用前N次的差值E的平均值的一半來(lái)修正本次提前量,N可通過(guò)觸摸屏設(shè)定。
通過(guò)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(jìn)行自動(dòng)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(xì)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(duì)細(xì)投過(guò)程進(jìn)行控制。一方面可以發(fā)揮PID算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高的優(yōu)點(diǎn);另一方面可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的任意非線性表達(dá)能力，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)性能的學(xué)習(xí)來(lái)實(shí)現(xiàn)具有自適應(yīng)能力的智能PID控制器?；赗BF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(duì)被控對(duì)象過(guò)程閉環(huán)控制,并且3個(gè)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(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，達(dá)到某種性能指標(biāo)的最優(yōu)化。
RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)采用文獻(xiàn)［13］的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，具有口個(gè)輸入和一個(gè)輸出，為3層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

5樣機(jī)稱重試驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)中，使用砥碼對(duì)載荷誤差、偏差等進(jìn)行校正(校秤)，并用水平儀對(duì)稱重料斗進(jìn)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(xí)效率=0.32,動(dòng)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(xí)效率p=0.5、學(xué)習(xí)效率i=0.45、學(xué)習(xí)效率d=0.4。留空物料自適應(yīng)算法參數(shù)N=3。防過(guò)沖延時(shí)時(shí)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(biāo)設(shè)定值為24.91kg,初始留空物料補(bǔ)償值為0.09kg0
分別進(jìn)行三級(jí)投料+固定留空物料（經(jīng)過(guò)多次測(cè)量調(diào)整）補(bǔ)償，三級(jí)投料+留空物料自適應(yīng)補(bǔ)償調(diào)整,多級(jí)投料+細(xì)投PID控制，多級(jí)投料+RBF-PID細(xì)投控制4組實(shí)驗(yàn)。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(biāo)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(jí)投料；“固定留空”表示固定的留空物料補(bǔ)償;“適應(yīng)留空”表示適應(yīng)性的留空物料補(bǔ)償策略;“多投”表示大投、中投和變流量細(xì)投；“RBF-PID”表示RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器。
 

從各個(gè)控制方法的稱重性能對(duì)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(dòng)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(kāi)始時(shí)誤差較大，后來(lái)誤差有收斂的趨勢(shì)。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(guò)自適應(yīng)的留空物料補(bǔ)償，能夠提高稱重的精度；“多投+PID細(xì)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(dòng)仍較大;“多投+RBF-PID細(xì)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(bǔ)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(shí)66秒,最大稱重速度達(dá)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(shí)時(shí)性要求。
6結(jié)論
設(shè)計(jì)了一種典型的計(jì)量秤機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)排料門實(shí)現(xiàn)投料，相比于氣缸驅(qū)動(dòng)更利于實(shí)現(xiàn)多級(jí)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(xì)投保證稱重的精度；為了克服細(xì)投過(guò)程中外界非線性不確定干擾因素對(duì)稱重精度的影響，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID對(duì)細(xì)投過(guò)程進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)留空物料自適應(yīng)控制策略，使得留空物料的補(bǔ)償趨于合理值。實(shí)驗(yàn)表明，多級(jí)投料、RBF-PID細(xì)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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