對定量稱(chēng)重的分析

科技侑鬼O機械與電子0SCTENCE & TECHNOLOGY INFORMATION2008年第13期對定量稱(chēng)重的分析徐迅成(杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息電子系浙江杭州310018)[摘要]實(shí)現定量稱(chēng)重任務(wù) ,必須做到能準確快逃地測量巳經(jīng)通過(guò)電磁振動(dòng)蛤料機的料槽的物料質(zhì)量,及時(shí)控制下料閥門(mén)的開(kāi)閉。本文就是圍繞這一中心在已經(jīng)搭好的實(shí)驗平臺上通過(guò)對重量信號進(jìn)行分析.以尋求稱(chēng)重問(wèn)題的最佳解決方案。[關(guān)鍵詞]定量稱(chēng)重;物料質(zhì)量;重量信號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.定下料過(guò)程數學(xué)模型的建立不斷減少,設b,為料斗內堆積的物料商度(m),它與物料重量的對應關(guān)1.1數學(xué)模型建立的目的及方法系為b(t)=kW(1),其中,k為比例系數(mkg),在本系統的建模中可以我們在對一個(gè)系統的分析之前往往要先建立出系統的數學(xué)模型，略看作常數。這樣做有助于制訂控制系統的設計方案,在一些項目中有時(shí)還需嬰利由此可以推出從料槽到料斗內物料料面的距離.那么根據自由用系統的數學(xué)模型對其進(jìn)行傷真研究。落體原理,物料從料槽的出料口落到物料面的瞬時(shí)速率為:作為數學(xué)模型,首先是要求它準確可靠。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中一V=V2ga(T)=V2glIH-kW()T(1-2)般系統的動(dòng)態(tài)特性足非常復雜的.而且除了特殊場(chǎng)合,大多數用于控，從而,可以得到數學(xué)模型如下:dW(t)=BV2glH hW(0J :(1-3)制的數學(xué)模型并不要求非常準確，只要能說(shuō)明問(wèn)題即可。因此,在建立數學(xué)模型時(shí),往往很多地方只做近似化處理,例如線(xiàn)性化、分布參數系該模型的初始條件有:W( )=0統集總化和模型降階處理等。對上式求解的過(guò)程如下:一dW(2) = =BV2gd(1-4)日前建立一個(gè)系統的數學(xué)模型有兩種方法叫:VI-kW(1.機理法建模:根據生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生的變化機理,寫(xiě)出各種有關(guān)，的平衡方程如,從中獲得所需的數學(xué)模型。根據對模型的要求,合理的1 dlH-kW())V2gd(1-5)RVH-W(O "近似假定總是必不可少的。模型應該盡量簡(jiǎn)單,同時(shí)保證達到合理的兩邊進(jìn)行對q到a,時(shí)刻的定積分:精度。有時(shí)還需考慮實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。2.測試法建模:用機理法建模的方法有時(shí)會(huì )出現模型中有某些參1 dH-四1= 1. B√Zd(1-6)數難以確定的情況.這時(shí)人們就求助于測試法建模。測試法建模是根k VH-kW() 't據實(shí)際過(guò)程中的輸人和輸出的實(shí)割數據進(jìn)行系統辨識后得到的模型。測試法建模又可分為經(jīng)典辨識法和現代辨識法兩大類(lèi)。H[VT-VHW(G)]=BV√2g (5-.)(1-7)1.2數學(xué)模型的推導設在t時(shí)刻啟動(dòng)電截振動(dòng)給料機,在口時(shí)刻停止。啟振后,物料在√HhW(5)=√百-氣B√28 (5-1)(1-8)n時(shí)刻第-次接觸料斗底，停振后在s時(shí)刻留空物料全部落人料斗。.所謂留空物料是指已經(jīng)離開(kāi)電礅振動(dòng)給料機的料槽但尚米落到料斗H-W()[VF一氣BV2g (-.)](1-9)上尚處于空中的那部分物料。另設H為從料槽到料斗底部的距離高:w()0 +[VF一號BV公(度(四),定量下料示意圖見(jiàn)圖1。撕動(dòng)給料機青+H(H-VTHVS (的以)增自的門(mén)=VFB√2g (3.)-一年”2的壇戶(hù)(1-1)a():Wv e=W()=VTBVZ (-.)-條B27(-1)1.3數學(xué)模型的分析料斗通過(guò)以上數學(xué)模型算式的推導,可以看出,我們所要測量的重量是由H.B.k與-1參數所決定的函數。這里5 1為從物料開(kāi)始落到料斗底時(shí)-直到留空物料完全落完的這個(gè)時(shí)間過(guò)程，因為當前時(shí)間為81 定量下料示意圈.t,這個(gè)時(shí)間段的大小通過(guò)對模型和實(shí)驗數據的分析還是比較容易能考慮到在進(jìn)料過(guò)程中料斗內物料重量的不斷增加，在到的時(shí)間可以看作分段 函數的性質(zhì)。而物料的瞬時(shí)密度B則難以預先確定,而段內有且會(huì )隨機做微小變化,因為電磁振動(dòng)給料機在給料時(shí)不可能是絕對均dW()=BV,(1-1) 勻的。但中國煤化工白影響。由此可見(jiàn),參數B既然無(wú),估計地準確與否將直式中,W(1)為料斗內的堆積物料的重量(kg),B為物料落到料斗內換影明村料面(的瞬時(shí)每單位長(cháng)度的質(zhì)量(kg/m),由于下落高度不大,可以略看作MH.CNM H G。島模型是一個(gè)時(shí)變非線(xiàn).常數,V,為物料落到料斗內料面的瞬時(shí)速率(n/s)。性系統，傳統的控制理論難于對它進(jìn)行控制,目前也沒(méi)有比較成熟而物料落人料斗的同時(shí)會(huì )不斷向上堆積,從而導致物料的下落高度且較實(shí)用的新處理分析 方法。所以我們只能?chē)L試著(zhù)在大量實(shí)驗的基科技信息O機械與電子0SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION2008年第13期礎.上通過(guò)對實(shí)驗數據的分析系統的特性,找到其中規律,從而達到準由以上這些實(shí)驗數據可以看出.進(jìn)料流速的增加，會(huì )導致在同一確控制的目的。個(gè)闕值停止喂料的情況下所得到的稱(chēng)重結果越重。此外.速度快也使2.初步的實(shí)驗分析得測量時(shí)候次與次之間的標準差的增加.這主要是由于留空物料所引為了能更好地進(jìn)行分析。我們先看看實(shí)驗中AD采過(guò)來(lái)的信號是起的。 在進(jìn)料過(guò)程中,物料從給料裝置下落到料斗里,只有到達料斗的.什么樣的,外界參數的改變對實(shí)驗信丹的改變會(huì )有什么樣的影響網(wǎng)。實(shí)那部分傳感器才能檢測得到,而空中的余料傳感器是測不到的,但是驗過(guò)程如下:先將程序下載到DSP控制板中并使其運行,初步設定閾當排料門(mén)打 開(kāi)后,最后所得到的物料實(shí)際重量卻包括這部分留空物料值為16158300g),開(kāi)門(mén)的延時(shí)為1s,打開(kāi)電磁振動(dòng)機控制箱電源,然的。 下料速度越快，留空物料就越多,兩者基本成正比關(guān)系。而且物料后開(kāi)始收集數據。在實(shí)驗中通過(guò)調節配備的控制箱的輸出電流來(lái)查看流速還具有不穩定因素 ,這種不穩定因素還隨著(zhù)喂料速度的加快而加不同下料速度而引起稱(chēng)料效果的不同，在記錄數據時(shí)將速度分為高、劇。中、低三檔,每檔分測兩組,稱(chēng)得的重量及實(shí)驗曲線(xiàn)如下:(注:以下表按理論上來(lái)說(shuō),要精確地計算出已經(jīng)邇過(guò)給料槽的物料質(zhì)量的方格標準差是指N個(gè)元素與這些元素平均值之差的平方和除以N-1再法是利用稱(chēng)重 傳感器輸出信號的采樣值去加上一個(gè)補償值。這個(gè)補償開(kāi)方。)值的計算關(guān)系式是留空物料質(zhì)量.加上系統對輸入斜坡信號的跟蹤誤表1稱(chēng)重數據表(稱(chēng)速度約為2.65秒/包)差,再減去物料下落的沖擊力。但是無(wú)論是下料沖擊力的大小還是系12_3.45」平均值|標準差統對輸.人斜坡信號的跟蹤誤差、以及留空物料質(zhì)量的多少歸根結底都第- -組重量(園485.31 483.86 472.11| 469.36 490.01| 480.13| 8.9257取決于兩個(gè)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機械結構是固定的，物料的下料高度|第二組重量(g 466.23 492.51 481.32 473.55 476.67 478.056 | 9.7679 只會(huì )隨著(zhù)物料在料斗里的堆積而緩慢減少， 面且高度差所影響的留空物料質(zhì)量與物料的沖擊力的因素之間的關(guān)系是相域的,從而總體對補償值的影響很小,這一-點(diǎn)在對多次實(shí)驗結果的分析也得到了充分地證明。逍過(guò)前面的實(shí)驗可以看出.下料速度對補償值的影響很大,它的快慢可以以AD信號上升的趨勢即斜率來(lái)量化。因此,筆者嘗試用斜率作為修改補償值的依據,并取得了良好的效果。3.物料下落的補償計算設信號上:升的斜率為p ,我們希望能找到- -個(gè)函數y=(p)來(lái)確定補償值使最后的稱(chēng)重結果與預定值有可能的最大誤差最小化四。但是實(shí)際中存在著(zhù)以下兩個(gè)特點(diǎn):①無(wú)論p值如何定義,也存在著(zhù)即使在同一個(gè)p條件下所稱(chēng)到的最后重最也有可能不一樣,這是由于預測算法本身的不確定性所造成的。②整個(gè)系統是時(shí)變非線(xiàn)性的,要想直接圖22.65秒/包的稱(chēng) 速度對應的樣本曲線(xiàn)求得這個(gè)函數的表達式非常困難。因此.我們采取的辦法是在大量的實(shí)驗的基礎上用最小二乘法來(lái)擬和所求函數f(p)。表2稱(chēng)1敷據表(稱(chēng)速度約為3.92秒/包)考慮到編程的易實(shí)現性以及數值的可靠性,斜率的計算方法采用.平均值標準差 了延伸插值法:梅ADC最新采樣的著(zhù)干點(diǎn)按采樣先后順序分成數目| 第一組重最() I 396.21 I 391.17 381.76 | 386.21 399.96 | 391.062 | 7.3443相等的兩組.設自變量編號分別為對.x和y，小.-然后第二組重量的40.9 39894 397.95 385.1 39761 ]962 6.4096 平均斜率的公式為:=(2*- 2x)m”.這種方法實(shí)質(zhì)上是將高、低值組中的相應兩點(diǎn)聯(lián)成直線(xiàn),然后求出這些直線(xiàn)的平均斜率,這樣就避免了平均斜率只取決于數據首.尾兩點(diǎn)的缺點(diǎn)。通過(guò)多次實(shí)驗結果比較,m取5效果稍好。定好斜率的計算方式后,接下來(lái)是做大量的實(shí)驗對補償值進(jìn)行標定:在實(shí)驗中設置不同的閾值并不斷調整進(jìn)料速度,然后在程序中做修改使得達到閾值之后不開(kāi)門(mén)卸料,得到的曲線(xiàn)大致如圖5。設當前實(shí)驗閾值為d,算出閾值前卜點(diǎn)的平均斜事p ,然后再計算出閾值d與曲線(xiàn)平穩后終值f的差值fd。那么這個(gè)說(shuō)明了當AD采樣值為d且當前的上升斜率為p時(shí),此時(shí)切斷料流,稱(chēng)出來(lái)的重最為fo換句話(huà)說(shuō)，我們如果定大小為f的敢最.我們只需在當前采樣值補償上f-d(隨斜圈33.92 秒/包的稱(chēng)量速度對應的樣本曲線(xiàn)率系數變化面變化)再與f作比較即可。衰3稱(chēng)]數據表(稱(chēng)速度約為6.81秒/包)0日BA7/B901234..5平均值標準差110°I第一組重量(國| 302.05 302.67 296.75 297.13 I 295.94 298.784 3.3029|第二組重量園| 303.73 302.11 303.16 301.85 302.08 302.586 |0.8159中國煤化工則波形MHCN M H G正,根據前面所說(shuō)的一種種因素并不非?？煽?因此我們最后對補償值的標定要建立在大量圈46.81 秒/包的稱(chēng)速度對應的樣本曲線(xiàn)的實(shí)驗基礎上。本項目一共做了477組的實(shí)驗,描點(diǎn)曲線(xiàn)如圖6。6:科技信息O機械與電子OSCIENCE & TECHNOLOGY NFORMATION2008年第13期4.實(shí)驗結果分析最后進(jìn)行了實(shí)驗測量，定量下料設定值分別為100g、200g、300g、50400g. 500g,具體實(shí)驗數據見(jiàn)表5.表6、表7。(往:以下表格標準差是指N個(gè)元素與當前設定值之差的平方和除以N-1再開(kāi)方。)表5稱(chēng)量速度較快時(shí)實(shí)驗數據衰(單位:9)m6|7|標準差差100g 94.3| 101.6 102.5 | 104.8 100.7| 107.1 101.1| 4.4055 7.1團6實(shí)驗數據曲線(xiàn)200g | 196.1 206.1| 193 207.8 202.8 | 198.3207| 6.0826 7.8 .表4其中的12組敷據斜率0.2)20.32300g | 298.7 303.7| 292 307.7 | 298.1 295.8 293| 5.9008補償值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稱(chēng)量速度中等時(shí)實(shí)驗數據表(單位:9)從圖6和細查數據可以發(fā)現,斜率k與補償值的增長(cháng)基本成線(xiàn)性關(guān)系。不過(guò)后半段的補償值的上升趨勢會(huì )比前半段略微增加，這主要|設定 1 2| 3| 4| s| 6| 7| 標雅 |是由于系統對斜坡輸入的跟蹤誤差在小速度范圍內不明顯以及回彈的機械特性所引起的。此外,隨著(zhù)斜率k的增加,補償值不穩定的因素106.8 | 101.4 983 104.2| 99.5| 106.6 95.9 4.6431 6.8也隨之加劇,這主要是隨著(zhù)下料速度的提高,電磁振動(dòng)給料機的功率200g 203.7 195.8 203.3 | 204.7| 195.7| 205.5 | 196.94.5214 5.加大振動(dòng)也更加激烈,預測帶來(lái)的不確定性也自然增加了。.通過(guò)以上分析,我-共分了三段對以上數據進(jìn)行最小二乘的一-次300g300.9 302.6305.6 | 295.7| 301.4 298.295.8 3.6109 |5.線(xiàn)性擬和,具體的分段函數為: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稱(chēng)量速度較慢時(shí)實(shí)驗數據表(單位: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.圖7擬合出來(lái)的曲線(xiàn)形狀500g| 501.5 497.2 498.4 | 504.8 495.3| 496 495.2 I 4.017 4.8根據.上述的控制方案,編成程序嵌到定時(shí)中斷子程序里去,其流以上實(shí)驗結果表明,本文提出的通過(guò)斜率來(lái)預測補償值的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重程圖如圖8所示。方法是可行的。在提高了定量稱(chēng)重的速度的條件下也能保證其準確度，在經(jīng)過(guò)多次重復實(shí)驗,定量下料的絕對誤差能控制在10g以?xún)?。巴AD采樣[參考文獻]計算出斜[1]韓中庚.敷學(xué)建模方法及其應用[M.北京:高等教育出版杜,2005.[2]王書(shū)鶴,王寧.粉狀物料計控-體化裝咒的設計與實(shí)現幾，工業(yè)計量2003.[3]任國勛.成琳.王金國.提高包裝秤的稱(chēng)重精度和速度的探討[]糧食與何料工' K=167業(yè),1997.[責任編輯:田瑞鑫}-017705*|停止暴動(dòng)給50m打開(kāi)軒門(mén)中國煤化工畬料機MYHCNMHG圈8動(dòng)態(tài)稱(chēng)量控制流程示意圉