高精度自動裝料計量系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

馬子龍

廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院（南寧 530007）

在自動化包裝生產(chǎn)過程中，需要對包裝物料質(zhì)量進(jìn)行實時檢測。當(dāng)前，食品機(jī)械工程研究的一個關(guān)鍵點和熱門就是如何實現(xiàn)高精度、高效率的動態(tài)稱重，這也是生產(chǎn)過程中亟需解決的技術(shù)難題[1-3]?？傮w來說，稱重方式主要包括兩種：動態(tài)稱重和靜態(tài)稱重。其中，靜態(tài)稱重具有精度高等優(yōu)點，但是稱重過程耗時較長、效率比較低，需要確保物料在稱重傳感器上保持一定時間。相對而言，動態(tài)稱重的速度非?？?，因此其在食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用比較廣泛[4-5]。不過與靜態(tài)稱重相比，稱重精度比較低。以動態(tài)稱重為研究對象，所述系統(tǒng)主要包括機(jī)械裝置和控制裝置兩部分[6-10]。其中機(jī)械裝置由稱體、傳送裝置、后續(xù)處理裝置組成。控制裝置由稱重傳感器、放大電路、濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、輸入輸出接口等組成。決定控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵在于稱重精度和速度的控制[11-13]。

以顆粒狀物料稱重為研究對象，基于ARM控制器，設(shè)計一種自動稱重控制系統(tǒng)。為提高控制精度，采用預(yù)測算法實現(xiàn)稱重過程優(yōu)化。最后，通過試驗驗證所述方法的可行性和有效性。

1 自動計量系統(tǒng)組成

針對顆粒狀物料，其稱重系統(tǒng)主要包括稱重傳感器、控制器、伺服電機(jī)、滾珠絲杠等模塊，簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

稱重傳感器可實時獲取托盤內(nèi)物料的質(zhì)量?？刂破鞲鶕?jù)質(zhì)量偏差控制伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠作往復(fù)直線運動，實現(xiàn)出料口開度控制。此次研究所述出料口配有2個閥門，如果稱重傳感器數(shù)值和質(zhì)量設(shè)定值之間偏差大于偏差閾值時，兩個閥門同時開啟，出料口快速出料；如果稱重傳感器數(shù)值和質(zhì)量設(shè)定值之間偏差小于偏差閾值時，大閥門迅速關(guān)閉，小閥門繼續(xù)開啟，此時出料口慢速出料；如果稱重傳感器數(shù)值和質(zhì)量設(shè)定值之間偏差滿足計量誤差時，小閥門關(guān)閉，稱重結(jié)束。

稱重傳感器原理可簡要描述為：當(dāng)稱重托盤內(nèi)有物料時，物料質(zhì)量對傳感器施加一個外力，傳感器內(nèi)部彈性體發(fā)生形變，應(yīng)變片會將此變形量轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號?？紤]到輸出信號強(qiáng)度較弱，故需要放大電路對其進(jìn)行放大，經(jīng)濾波、信號處理等操作就可以得到物料實際質(zhì)量。

圖1 自動稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜合考慮，選用STM32系列單片機(jī)作為主控制器，該芯片內(nèi)核為ARM Cortex-M3，內(nèi)部資源比較豐富，集成度較高，如通用定時器、12位ADC、串口、高速存儲器、IO口等，完全可以滿足系統(tǒng)要求。所述稱重控制系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號處理和輸出控制等功能，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1) 核心單元：即STM32單片機(jī)，主要包括微處理器和存儲器。微處理器主要功能有運行狀態(tài)顯示、通訊、故障診斷等；另外，還可實現(xiàn)信號處理、輸出控制等。存儲器主要負(fù)責(zé)程序、數(shù)據(jù)、運行代碼存儲，其容量決定了控制程序復(fù)雜程度。

2) 輸入/輸出接口：輸入接口用于采集數(shù)字信號和模擬信號，包括按鍵、開關(guān)等數(shù)字信號以及電壓、電流等模擬信號。其中模擬信號需要經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后才能被單片機(jī)處理，所有輸入信號必須經(jīng)過光電隔離后才能輸入到單片機(jī)。輸出接口用于控制信號輸出，一般需先經(jīng)過隔離或繼電器處理。

3) 通訊接口：所采用單片機(jī)支持RS232、RS485以及CAN總線等，此次研究選用串口通信，包括RS232和RS485兩種模式。

4) 電源模塊：外接24 V的直流電源，經(jīng)穩(wěn)壓電路生成3.3 V和5.5 V電壓，給主芯片供電。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 算法設(shè)計

2.1 被控對象數(shù)學(xué)模型

根據(jù)力學(xué)工作原理，此次研究所述稱量斗的數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中：W(t)為托盤內(nèi)物料質(zhì)量；Q(t)為物料下落速率。

考慮到W(t)的初始值為零，那么其拉氏變換可表示為：

為便于分析，可將動態(tài)稱量看作一階線性模型，那么快速（式3）和慢速（式4）下料過程運動方程可分別表示為：

式中：a1、a0、b1、b0為可控參數(shù)；Q1(t)、Q2(t)為物料下落速率；u1(t)、u2(t)為開關(guān)量控制信號。

與上述兩式對應(yīng)的傳遞函數(shù)可分別表示為：

式中：Q(s)為物料下落速率Q(t)的拉氏變換；U(s)為開關(guān)量控制信號u(t)的拉氏變換。

由于只有一個下料口，可統(tǒng)一用一個方程表示，即：

式中：ai、bi和ki(i=1～3)均為可控參數(shù)。

相應(yīng)的拉氏變換可表示為：

式中：a、b、Ku均為可控參數(shù)；Kξ為噪聲幅度系數(shù)；ξ(s)為噪聲；Q(s)為含噪物流量。

2.2 控制器設(shè)計

對于常規(guī)稱重模式，往往通過落差補(bǔ)償提高稱重精度，進(jìn)而實現(xiàn)預(yù)先稱重設(shè)定值目標(biāo)。但是，在實際稱重過程中，下料過程具有不可逆性、時變性、非線性，很難同時保證稱重效率和準(zhǔn)確度。為解決此問題，此次研究提出了一種迭代自學(xué)習(xí)算法，對空中余量進(jìn)行動態(tài)跟蹤并自動修正，實現(xiàn)稱重過程優(yōu)化控制。

可定義目標(biāo)稱重值為Gs，第k次配料時稱重實際值為Gk，關(guān)門時刻的動態(tài)稱重值為GT。假設(shè)關(guān)門提前量為Δu，其初始值為u0。第一次稱重實際值和設(shè)定值之間的誤差為：

同式（9）對應(yīng)的關(guān)門提前量可表示為：

式中：q為加權(quán)預(yù)測因子。

依次類推，第k+1次稱重時，控制量可表示為：

根據(jù)偏差不同，q可取不同參數(shù)值，其滿足0＜q≤1。在迭代訓(xùn)練過程中，如果ek＜0，此時為負(fù)向迭代預(yù)測，結(jié)果就是使uk變??；如果ek≥0，此時為正向迭代，結(jié)果就是使uk變大。由式（11）可以看出：負(fù)向迭代時，控制量雖然會變小，但始終大于零；正向迭代時，需要進(jìn)行邊界檢查，避免出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。

當(dāng)重復(fù)訓(xùn)練次數(shù)足夠多時，可實現(xiàn)實際輸出無限逼近期望值。綜上，在每次稱重時，利用上次預(yù)測修正后的提前關(guān)門量來提前控制閥門的關(guān)閉和開啟。如此反復(fù)訓(xùn)練預(yù)測，可以使關(guān)門提前量不斷優(yōu)化，減小誤差，從而實現(xiàn)關(guān)門后托盤內(nèi)物料質(zhì)量逼近給定值。

3 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

第一步，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，通過人機(jī)交互界面設(shè)定相關(guān)工藝參數(shù)，包括質(zhì)量、偏差閾值、稱重速度等。

第二步，判斷系統(tǒng)是否準(zhǔn)備就緒。如果系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)備好則進(jìn)行稱重操作；否則，繼續(xù)等待或報錯。

第三步，粗稱階段。此時兩個閥門均打開，通過稱重傳感器實時獲取托盤內(nèi)物料質(zhì)量。根據(jù)迭代控制，不斷更新閥門關(guān)閉提前量。如果滿足精稱條件，則關(guān)閉一個閥門。

第四步，精稱階段。此時只有一個閥門開啟，通過稱重傳感器實時獲取托盤內(nèi)物料質(zhì)量。根據(jù)迭代控制更新閥門關(guān)閉提前量。如果質(zhì)量偏差在允許范圍內(nèi)，則關(guān)閉所有閥門，停止下料。

最后，卸料，進(jìn)行下一步工序。

圖3 軟件設(shè)計流程

4 試驗研究

為驗證所述自動稱重系統(tǒng)的有效性，試制樣機(jī)并進(jìn)行試驗。試驗過程中，分別設(shè)定質(zhì)量值為200，400，600和800 g，每組試驗分別進(jìn)行100次，計算平均值，試驗結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯捍舜窝芯克鲎詣臃Q重系統(tǒng)精度比較高，最大偏差只有0.3 g，稱重精度能夠達(dá)到99.9%，可滿足包裝等行業(yè)對稱重裝置的要求。另外，自動稱重系統(tǒng)效率比較高，每分鐘稱重次數(shù)可以達(dá)到160次，同樣滿足相關(guān)行業(yè)要求，因此所述自動稱重系統(tǒng)具有高效、高精度等特點。

表1 試驗結(jié)果

5 結(jié)語

以顆粒狀物料稱重為研究對象，設(shè)計了一種自動稱重控制系統(tǒng)。根據(jù)顆粒狀物料稱重的特點，基于迭代控制，提出了“提前關(guān)門”的控制策略，解決了空中余料問題。基于ARM，給出了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖以及軟件設(shè)計方法。結(jié)果表明：此次研究所述自動稱重系統(tǒng)精度比較高，最大偏差只有0.3 g，稱重精度能夠達(dá)到99.9%，可滿足包裝等行業(yè)對稱重裝置的要求。