对定量称重的分析

科技侑鬼O机械与电子0SCTENCE & TECHNOLOGY INFORMATION2008年第13期对定量称重的分析徐迅成(杭州职业技术学院信息电子系浙江杭州310018)[摘要]实现定量称重任务 ,必须做到能准确快逃地测量巳经通过电磁振动蛤料机的料槽的物料质量,及时控制下料阀门的开闭。本文就是围绕这一中心在已经搭好的实验平台上通过对重量信号进行分析.以寻求称重问题的最佳解决方案。[关键词]定量称重;物料质量;重量信号Weighing qantitative analysisXU XuchengIDepartnent of Electronics iformato,Hangzhou Vocational and Technical ollege,Hanghou,Zhejig.310018,China)[Abstract]Quantitative weighing task to achieve must be able to quickly and accurately measuring electromagnetic vibrating feeder has beendischarging the quality of materials, material under the control of valve opening and closing on timne. This paper is around this center has been built inthe platform adopted on experimental weight signal analysis.Find the best Weighing solution.[Key words]Quntitative weighing; materials quality; weight signal1.定下料过程数学模型的建立不断减少,设b,为料斗内堆积的物料商度(m),它与物料重量的对应关1.1数学模型建立的目的及方法系为b(t)=kW(1),其中,k为比例系數(mkg),在本系统的建模中可以我们在对一个系统的分析之前往往要先建立出系统的数学模型，略看作常数。这样做有助于制订控制系统的设计方案,在一些项目中有时还需婴利由此可以推出从料槽到料斗内物料料面的距离.那么根据自由用系统的数学模型对其进行伤真研究。落体原理,物料从料槽的出料口落到物料面的瞬时速率为:作为数学模型,首先是要求它准确可靠。但在实际生产过程中一V=V2ga(T)=V2glIH-kW()T(1-2)般系统的动态特性足非常复杂的.而且除了特殊场合,大多数用于控，从而,可以得到数学模型如下:dW(t)=BV2glH hW(0J :(1-3)制的数学模型并不要求非常准确，只要能说明问题即可。因此,在建立数学模型时,往往很多地方只做近似化处理,例如线性化、分布参数系该模型的初始条件有:W( )=0统集总化和模型降阶处理等。对上式求解的过程如下:一dW(2) = =BV2gd(1-4)日前建立一个系统的数学模型有两种方法叫:VI-kW(1.机理法建模:根据生产过程中发生的变化机理,写出各种有关，的平衡方程如,从中获得所需的数学模型。根据对模型的要求,合理的1 dlH-kW())V2gd(1-5)RVH-W(O "近似假定总是必不可少的。模型应该尽量简单,同时保证达到合理的两边进行对q到a,时刻的定积分:精度。有时还需考虑实时性的问题。2.测试法建模:用机理法建模的方法有时会出现模型中有某些参1 dH-四1= 1. B√Zd(1-6)数难以确定的情况.这时人们就求助于测试法建模。测试法建模是根k VH-kW() 't据实际过程中的输人和输出的实割数据进行系统辨识后得到的模型。测试法建模又可分为经典辨识法和现代辨识法两大类。H[VT-VHW(G)]=BV√2g (5-.)(1-7)1.2数学模型的推导设在t时刻启动电截振动给料机,在口时刻停止。启振后,物料在√HhW(5)=√百-气B√28 (5-1)(1-8)n时刻第-次接触料斗底，停振后在s时刻留空物料全部落人料斗。.所谓留空物料是指已经离开电礅振动给料机的料槽但尚米落到料斗H-W()[VF一气BV2g (-.)](1-9)上尚处于空中的那部分物料。另设H为从料槽到料斗底部的距离高:w()0 +[VF一号BV公(度(四),定量下料示意图见图1。撕动给料机青+H(H-VTHVS (的以)增自的门=VFB√2g (3.)-一年”2的坛户(1-1)a():Wv e=W()=VTBVZ (-.)-条B27(-1)1.3数学模型的分析料斗通过以上数学模型算式的推导,可以看出,我们所要测量的重量是由H.B.k与-1参数所决定的函数。这里5 1为从物料开始落到料斗底时-直到留空物料完全落完的这个时间过程，因为当前时间为81 定量下料示意圈.t,这个时间段的大小通过对模型和实验数据的分析还是比较容易能考虑到在进料过程中料斗内物料重量的不断增加，在到的时间可以看作分段 函数的性质。而物料的瞬时密度B则难以预先确定,而段内有且会随机做微小变化,因为电磁振动给料机在给料时不可能是绝对均dW()=BV,(1-1) 匀的。但中国煤化工白影响。由此可见,参数B既然无,估计地准确与否将直式中,W(1)为料斗内的堆积物料的重量(kg),B为物料落到料斗内换影明村料面(的瞬时每单位长度的质量(kg/m),由于下落高度不大,可以略看作MH.CNM H G。岛模型是一个时变非线.常数,V,为物料落到料斗内料面的瞬时速率(n/s)。性系统，传统的控制理论难于对它进行控制,目前也没有比较成熟而物料落人料斗的同时会不断向上堆积,从而导致物料的下落高度且较实用的新处理分析 方法。所以我们只能尝试着在大量实验的基科技信息O机械与电子0SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION2008年第13期础.上通过对实验数据的分析系统的特性,找到其中规律,从而达到准由以上这些实验数据可以看出.进料流速的增加，会导致在同一确控制的目的。个阙值停止喂料的情况下所得到的称重结果越重。此外.速度快也使2.初步的实验分析得测量时候次与次之间的标准差的增加.这主要是由于留空物料所引为了能更好地进行分析。我们先看看实验中AD采过来的信号是起的。 在进料过程中,物料从给料装置下落到料斗里,只有到达料斗的.什么样的,外界参数的改变对实验信丹的改变会有什么样的影响网。实那部分传感器才能检测得到,而空中的余料传感器是测不到的,但是验过程如下:先将程序下载到DSP控制板中并使其运行,初步设定阈当排料门打 开后,最后所得到的物料实际重量却包括这部分留空物料值为16158300g),开门的延时为1s,打开电磁振动机控制箱电源,然的。 下料速度越快，留空物料就越多,两者基本成正比关系。而且物料后开始收集数据。在实验中通过调节配备的控制箱的输出电流来查看流速还具有不稳定因素 ,这种不稳定因素还随着喂料速度的加快而加不同下料速度而引起称料效果的不同，在记录数据时将速度分为高、剧。中、低三档,每档分测两组,称得的重量及实验曲线如下:(注:以下表按理论上来说,要精确地计算出已经邇过给料槽的物料质量的方格标准差是指N个元素与这些元素平均值之差的平方和除以N-1再法是利用称重 传感器输出信号的采样值去加上一个补偿值。这个补偿开方。)值的计算关系式是留空物料质量.加上系统对输入斜坡信号的跟踪误表1称重数据表(称速度约为2.65秒/包)差,再减去物料下落的冲击力。但是无论是下料冲击力的大小还是系12_3.45」平均值|标准差统对输.人斜坡信号的跟踪误差、以及留空物料质量的多少归根结底都第- -组重量(园485.31 483.86 472.11| 469.36 490.01| 480.13| 8.9257取决于两个因素:下料的速度和物料下落的高度差。其中物料下落的高度差由于机械结构是固定的，物料的下料高度|第二组重量(g 466.23 492.51 481.32 473.55 476.67 478.056 | 9.7679 只会随着物料在料斗里的堆积而缓慢减少， 面且高度差所影响的留空物料质量与物料的冲击力的因素之间的关系是相域的,从而总体对补偿值的影响很小,这一-点在对多次实验结果的分析也得到了充分地证明。逍过前面的实验可以看出.下料速度对补偿值的影响很大,它的快慢可以以AD信号上升的趋势即斜率来量化。因此,笔者尝试用斜率作为修改补偿值的依据,并取得了良好的效果。3.物料下落的补偿计算设信号上:升的斜率为p ,我们希望能找到- -个函數y=(p)来确定补偿值使最后的称重结果与预定值有可能的最大误差最小化四。但是实际中存在着以下两个特点:①无论p值如何定义,也存在着即使在同一个p条件下所称到的最后重最也有可能不一样,这是由于预测算法本身的不确定性所造成的。②整个系统是时变非线性的,要想直接图22.65秒/包的称 速度对应的样本曲线求得这个函数的表达式非常困难。因此.我们采取的办法是在大量的实验的基础上用最小二乘法来拟和所求函数f(p)。表2称1敷据表(称速度约为3.92秒/包)考虑到编程的易实现性以及数值的可靠性,斜率的计算方法采用.平均值标准差 了延伸插值法:梅ADC最新采样的著干点按采样先后顺序分成数目| 第一组重最() I 396.21 I 391.17 381.76 | 386.21 399.96 | 391.062 | 7.3443相等的两组.设自变量编号分别为对.x和y，小.-然后第二组重量的40.9 39894 397.95 385.1 39761 ]962 6.4096 平均斜率的公式为:=(2*- 2x)m”.这种方法实质上是将高、低值组中的相应两点联成直线,然后求出这些直线的平均斜率,这样就避免了平均斜率只取决于数据首.尾两点的缺点。通过多次实验结果比较,m取5效果稍好。定好斜率的计算方式后,接下来是做大量的实验对补偿值进行标定:在实验中设置不同的阈值并不断调整进料速度,然后在程序中做修改使得达到阈值之后不开门卸料,得到的曲线大致如图5。设当前实验阈值为d,算出阈值前卜点的平均斜事p ,然后再计算出阈值d与曲线平稳后终值f的差值fd。那么这个说明了当AD采样值为d且当前的上升斜率为p时,此时切断料流,称出来的重最为fo换句话说，我们如果定大小为f的敢最.我们只需在当前采样值补偿上f-d(随斜圈33.92 秒/包的称量速度对应的样本曲线率系数变化面变化)再与f作比较即可。衰3称]数据表(称速度约为6.81秒/包)0日BA7/B901234..5平均值标准差110°I第一组重量(国| 302.05 302.67 296.75 297.13 I 295.94 298.784 3.3029|第二组重量园| 303.73 302.11 303.16 301.85 302.08 302.586 |0.8159中国煤化工则波形MHCN M H G正,根据前面所说的一种种因素并不非常可靠.因此我们最后对补偿值的标定要建立在大量圈46.81 秒/包的称速度对应的样本曲线的实验基础上。本项目一共做了477组的实验,描点曲线如图6。6:科技信息O机械与电子OSCIENCE & TECHNOLOGY NFORMATION2008年第13期4.实验结果分析最后进行了实验测量，定量下料设定值分别为100g、200g、300g、50400g. 500g,具体实验数据见表5.表6、表7。(往:以下表格标准差是指N个元素与当前设定值之差的平方和除以N-1再开方。)表5称量速度较快时实验数据衰(单位:9)m6|7|标准差差100g 94.3| 101.6 102.5 | 104.8 100.7| 107.1 101.1| 4.4055 7.1團6实验数据曲线200g | 196.1 206.1| 193 207.8 202.8 | 198.3207| 6.0826 7.8 .表4其中的12组敷据斜率0.2)20.32300g | 298.7 303.7| 292 307.7 | 298.1 295.8 293| 5.9008补偿值20334083132400g| 402.6 404.6 407 396.9 I 407.5 | 396.4 | 405.5 | 5.5676 7.58.648.68 8.728.72500g | s00 | 503.2 | 501.7 506| 497 492.7 495.1 | 4.751 7.327822751278528132845表6称量速度中等时实验数据表(单位:9)从图6和细查数据可以发现,斜率k与补偿值的增长基本成线性关系。不过后半段的补偿值的上升趋势会比前半段略微增加，这主要|设定 1 2| 3| 4| s| 6| 7| 标雅 |是由于系统对斜坡输入的跟踪误差在小速度范围内不明显以及回弹的机械特性所引起的。此外,随着斜率k的增加,补偿值不稳定的因素106.8 | 101.4 983 104.2| 99.5| 106.6 95.9 4.6431 6.8也随之加剧,这主要是随着下料速度的提高,电磁振动给料机的功率200g 203.7 195.8 203.3 | 204.7| 195.7| 205.5 | 196.94.5214 5.加大振动也更加激烈,预测带来的不确定性也自然增加了。.通过以上分析,我-共分了三段对以上数据进行最小二乘的一-次300g300.9 302.6305.6 | 295.7| 301.4 298.295.8 3.6109 |5.线性拟和,具体的分段函数为:400g | 398.5394.1 394 404.2 396.2 399.1 402 4.2808 6(195.869x+268.6845 0.2≤x≤1.6(1-12)「 500g 504.4 497.7 505.1 498.8 500.2 50.9 497.6 3.1281 5.1y=263.7705x+178.0483 1.6≤x≤3(3128427*+71.3392 x>3囊7称量速度较慢时实验数据表(单位:g)2|3|s|6|7理|200100g 97.1 104.3 I 100.8 I 95.3 94.7 1026 97.2 3.7725 5.3200g 195.3 | 195.8 | 202.8 195.7 203.8 195.5 200.4 4.101 4.10300g | 304.7 303 297.1| 295.5 305.6 297.1 295.9 4.4032 5.400g | 396.4 405.2 400.7 395.9 400.7 405.6 402.9 | 4.0342 5.图7拟合出来的曲线形状500g| 501.5 497.2 498.4 | 504.8 495.3| 496 495.2 I 4.017 4.8根据.上述的控制方案,编成程序嵌到定时中断子程序里去,其流以上实验结果表明,本文提出的通过斜率来预测补偿值的动态称重程图如图8所示。方法是可行的。在提高了定量称重的速度的条件下也能保证其准确度，在经过多次重复实验,定量下料的绝对误差能控制在10g以内。巴AD采样[参考文献]计算出斜[1]韩中庚.敷学建模方法及其应用[M.北京:高等教育出版杜,2005.[2]王书鹤,王宁.粉状物料计控-体化装咒的设计与实现几，工业计量2003.[3]任国勋.成琳.王金国.提高包装秤的称重精度和速度的探讨[]粮食与何料工' K=167业,1997.[责任编辑:田瑞鑫}-017705*|停止暴动给50m打开轩门中国煤化工畲料机MYHCNMHG圈8动态称量控制流程示意圉