科技侑鬼O機(jī)械與電子0SCTENCE & TECHNOLOGY INFORMATION2008年第13期對(duì)定量稱重的分析徐迅成(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(xiàn)定量稱重任務(wù) ,必須做到能準(zhǔn)確快逃地測量巳經(jīng)通過電磁振動(dòng)蛤料機(jī)的料槽的物料質(zhì)量,及時(shí)控制下料閥門的開閉。本文就是圍繞這一中心在已經(jīng)搭好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上通過對(duì)重量信號(hào)進(jìn)行分析.以尋求稱重問題的最佳解決方案。[關(guān)鍵詞]定量稱重;物料質(zhì)量;重量信號(hào)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.定下料過程數(shù)學(xué)模型的建立不斷減少,設(shè)b,為料斗內(nèi)堆積的物料商度(m),它與物料重量的對(duì)應(yīng)關(guān)1.1數(shù)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(shù)(mkg),在本系統(tǒng)的建模中可以我們?cè)趯?duì)一個(gè)系統(tǒng)的分析之前往往要先建立出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，略看作常數(shù)。這樣做有助于制訂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,在一些項(xiàng)目中有時(shí)還需嬰利由此可以推出從料槽到料斗內(nèi)物料料面的距離.那么根據(jù)自由用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)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(shù)學(xué)模型,首先是要求它準(zhǔn)確可靠。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中一V=V2ga(T)=V2glIH-kW()T(1-2)般系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性足非常復(fù)雜的.而且除了特殊場合,大多數(shù)用于控，從而,可以得到數(shù)學(xué)模型如下:dW(t)=BV2glH hW(0J :(1-3)制的數(shù)學(xué)模型并不要求非常準(zhǔn)確，只要能說明問題即可。因此,在建立數(shù)學(xué)模型時(shí),往往很多地方只做近似化處理,例如線性化、分布參數(shù)系該模型的初始條件有:W( )=0統(tǒng)集總化和模型降階處理等。對(duì)上式求解的過程如下:一dW(2) = =BV2gd(1-4)日前建立一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有兩種方法叫:VI-kW(1.機(jī)理法建模:根據(jù)生產(chǎn)過程中發(fā)生的變化機(jī)理,寫出各種有關(guān)，的平衡方程如,從中獲得所需的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)對(duì)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(yīng)該盡量簡單,同時(shí)保證達(dá)到合理的兩邊進(jìn)行對(duì)q到a,時(shí)刻的定積分:精度。有時(shí)還需考慮實(shí)時(shí)性的問題。2.測試法建模:用機(jī)理法建模的方法有時(shí)會(huì)出現(xiàn)模型中有某些參1 dH-四1= 1. B√Zd(1-6)數(shù)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(jù)實(shí)際過程中的輸人和輸出的實(shí)割數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)后得到的模型。測試法建模又可分為經(jīng)典辨識(shí)法和現(xiàn)代辨識(shí)法兩大類。H[VT-VHW(G)]=BV√2g (5-.)(1-7)1.2數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)設(shè)在t時(shí)刻啟動(dòng)電截振動(dòng)給料機(jī),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)離開電礅振動(dòng)給料機(jī)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(shè)H為從料槽到料斗底部的距離高:w()0 +[VF一號(hào)BV公(度(四),定量下料示意圖見圖1。撕動(dòng)給料機(jī)青+H(H-VTHVS (的以)增自的門=VFB√2g (3.)-一年”2的壇戶(1-1)a():Wv e=W()=VTBVZ (-.)-條B27(-1)1.3數(shù)學(xué)模型的分析料斗通過以上數(shù)學(xué)模型算式的推導(dǎo),可以看出,我們所要測量的重量是由H.B.k與-1參數(shù)所決定的函數(shù)。這里5 1為從物料開始落到料斗底時(shí)-直到留空物料完全落完的這個(gè)時(shí)間過程，因?yàn)楫?dāng)前時(shí)間為81 定量下料示意圈.t,這個(gè)時(shí)間段的大小通過對(duì)模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析還是比較容易能考慮到在進(jìn)料過程中料斗內(nèi)物料重量的不斷增加，在到的時(shí)間可以看作分段 函數(shù)的性質(zhì)。而物料的瞬時(shí)密度B則難以預(yù)先確定,而段內(nèi)有且會(huì)隨機(jī)做微小變化,因?yàn)殡姶耪駝?dòng)給料機(jī)在給料時(shí)不可能是絕對(duì)均dW()=BV,(1-1) 勻的。但中國煤化工白影響。由此可見,參數(shù)B既然無,估計(jì)地準(zhǔn)確與否將直式中,W(1)為料斗內(nèi)的堆積物料的重量(kg),B為物料落到料斗內(nèi)換影明村料面(的瞬時(shí)每單位長度的質(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.常數(shù),V,為物料落到料斗內(nèi)料面的瞬時(shí)速率(n/s)。性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制理論難于對(duì)它進(jìn)行控制,目前也沒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(dǎo)致物料的下落高度且較實(shí)用的新處理分析 方法。所以我們只能嘗試著在大量實(shí)驗(yàn)的基科技信息O機(jī)械與電子0SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION2008年第13期礎(chǔ).上通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析系統(tǒng)的特性,找到其中規(guī)律,從而達(dá)到準(zhǔn)由以上這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出.進(jìn)料流速的增加，會(huì)導(dǎo)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重結(jié)果越重。此外.速度快也使2.初步的實(shí)驗(yàn)分析得測量時(shí)候次與次之間的標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)中AD采過來的信號(hào)是起的。 在進(jìn)料過程中,物料從給料裝置下落到料斗里,只有到達(dá)料斗的.什么樣的,外界參數(shù)的改變對(duì)實(shí)驗(yàn)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(yàn)過程如下:先將程序下載到DSP控制板中并使其運(yùn)行,初步設(shè)定閾當(dāng)排料門打 開后,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),開門的延時(shí)為1s,打開電磁振動(dòng)機(jī)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。而且物料后開始收集數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)配備的控制箱的輸出電流來查看流速還具有不穩(wěn)定因素 ,這種不穩(wěn)定因素還隨著喂料速度的加快而加不同下料速度而引起稱料效果的不同，在記錄數(shù)據(jù)時(shí)將速度分為高、劇。中、低三檔,每檔分測兩組,稱得的重量及實(shí)驗(yàn)曲線如下:(注:以下表按理論上來說,要精確地計(jì)算出已經(jīng)邇過給料槽的物料質(zhì)量的方格標(biāo)準(zhǔn)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再法是利用稱重 傳感器輸出信號(hào)的采樣值去加上一個(gè)補(bǔ)償值。這個(gè)補(bǔ)償開方。)值的計(jì)算關(guān)系式是留空物料質(zhì)量.加上系統(tǒng)對(duì)輸入斜坡信號(hào)的跟蹤誤表1稱重?cái)?shù)據(jù)表(稱速度約為2.65秒/包)差,再減去物料下落的沖擊力。但是無論是下料沖擊力的大小還是系12_3.45」平均值|標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)對(duì)輸.人斜坡信號(hào)的跟蹤誤差、以及留空物料質(zhì)量的多少歸根結(jié)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(jī)械結(jié)構(gòu)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(duì)補(bǔ)償值的影響很小,這一-點(diǎn)在對(duì)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析也得到了充分地證明。逍過前面的實(shí)驗(yàn)可以看出.下料速度對(duì)補(bǔ)償值的影響很大,它的快慢可以以AD信號(hào)上升的趨勢(shì)即斜率來量化。因此,筆者嘗試用斜率作為修改補(bǔ)償值的依據(jù),并取得了良好的效果。3.物料下落的補(bǔ)償計(jì)算設(shè)信號(hào)上:升的斜率為p ,我們希望能找到- -個(gè)函數(shù)y=(p)來確定補(bǔ)償值使最后的稱重結(jié)果與預(yù)定值有可能的最大誤差最小化四。但是實(shí)際中存在著以下兩個(gè)特點(diǎn):①無論p值如何定義,也存在著即使在同一個(gè)p條件下所稱到的最后重最也有可能不一樣,這是由于預(yù)測算法本身的不確定性所造成的。②整個(gè)系統(tǒng)是時(shí)變非線性的,要想直接圖22.65秒/包的稱 速度對(duì)應(yīng)的樣本曲線求得這個(gè)函數(shù)的表達(dá)式非常困難。因此.我們采取的辦法是在大量的實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上用最小二乘法來擬和所求函數(shù)f(p)。表2稱1敷據(jù)表(稱速度約為3.92秒/包)考慮到編程的易實(shí)現(xiàn)性以及數(shù)值的可靠性,斜率的計(jì)算方法采用.平均值標(biāo)準(zhǔn)差 了延伸插值法:梅ADC最新采樣的著干點(diǎn)按采樣先后順序分成數(shù)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(shè)自變量編號(hào)分別為對(duì).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(yīng)兩點(diǎn)聯(lián)成直線,然后求出這些直線的平均斜率,這樣就避免了平均斜率只取決于數(shù)據(jù)首.尾兩點(diǎn)的缺點(diǎn)。通過多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,m取5效果稍好。定好斜率的計(jì)算方式后,接下來是做大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)補(bǔ)償值進(jìn)行標(biāo)定:在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置不同的閾值并不斷調(diào)整進(jìn)料速度,然后在程序中做修改使得達(dá)到閾值之后不開門卸料,得到的曲線大致如圖5。設(shè)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)閾值為d,算出閾值前卜點(diǎn)的平均斜事p ,然后再計(jì)算出閾值d與曲線平穩(wěn)后終值f的差值fd。那么這個(gè)說明了當(dāng)AD采樣值為d且當(dāng)前的上升斜率為p時(shí),此時(shí)切斷料流,稱出來的重最為fo換句話說，我們?nèi)绻ù笮閒的敢最.我們只需在當(dāng)前采樣值補(bǔ)償上f-d(隨斜圈33.92 秒/包的稱量速度對(duì)應(yīng)的樣本曲線率系數(shù)變化面變化)再與f作比較即可。衰3稱]數(shù)據(jù)表(稱速度約為6.81秒/包)0日BA7/B901234..5平均值標(biāo)準(zhǔn)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(jù)前面所說的一種種因素并不非?？煽?因此我們最后對(duì)補(bǔ)償值的標(biāo)定要建立在大量圈46.81 秒/包的稱速度對(duì)應(yīng)的樣本曲線的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上。本項(xiàng)目一共做了477組的實(shí)驗(yàn),描點(diǎn)曲線如圖6。6:科技信息O機(jī)械與電子OSCIENCE & TECHNOLOGY NFORMATION2008年第13期4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，定量下料設(shè)定值分別為100g、200g、300g、50400g. 500g,具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5.表6、表7。(往:以下表格標(biāo)準(zhǔn)差是指N個(gè)元素與當(dāng)前設(shè)定值之差的平方和除以N-1再開方。)表5稱量速度較快時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)衰(單位:9)m6|7|標(biāo)準(zhǔn)差差100g 94.3| 101.6 102.5 | 104.8 100.7| 107.1 101.1| 4.4055 7.1團(tuán)6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線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(jù)斜率0.2)20.32300g | 298.7 303.7| 292 307.7 | 298.1 295.8 293| 5.9008補(bǔ)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稱量速度中等時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表(單位:9)從圖6和細(xì)查數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),斜率k與補(bǔ)償值的增長基本成線性關(guān)系。不過后半段的補(bǔ)償值的上升趨勢(shì)會(huì)比前半段略微增加，這主要|設(shè)定 1 2| 3| 4| s| 6| 7| 標(biāo)雅 |是由于系統(tǒng)對(duì)斜坡輸入的跟蹤誤差在小速度范圍內(nèi)不明顯以及回彈的機(jī)械特性所引起的。此外,隨著斜率k的增加,補(bǔ)償值不穩(wěn)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,這主要是隨著下料速度的提高,電磁振動(dòng)給料機(jī)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(yù)測帶來的不確定性也自然增加了。.通過以上分析,我-共分了三段對(duì)以上數(shù)據(jù)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.線性擬和,具體的分段函數(shù)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稱量速度較慢時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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擬合出來的曲線形狀500g| 501.5 497.2 498.4 | 504.8 495.3| 496 495.2 I 4.017 4.8根據(jù).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(yàn)結(jié)果表明,本文提出的通過斜率來預(yù)測補(bǔ)償值的動(dòng)態(tài)稱重程圖如圖8所示。方法是可行的。在提高了定量稱重的速度的條件下也能保證其準(zhǔn)確度，在經(jīng)過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn),定量下料的絕對(duì)誤差能控制在10g以內(nèi)。巴AD采樣[參考文獻(xiàn)]計(jì)算出斜[1]韓中庚.敷學(xué)建模方法及其應(yīng)用[M.北京:高等教育出版杜,2005.[2]王書鶴,王寧.粉狀物料計(jì)控-體化裝咒的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)幾，工業(yè)計(jì)量2003.[3]任國勛.成琳.王金國.提高包裝秤的稱重精度和速度的探討[]糧食與何料工' K=167業(yè),1997.[責(zé)任編輯:田瑞鑫}-017705*|停止暴動(dòng)給50m打開軒門中國煤化工畬料機(jī)MYHCNMHG圈8動(dòng)態(tài)稱量控制流程示意圉