高精度自动装料计量系统设计与实现

马子龙

广西机电职业技术学院（南宁 530007）

在自动化包装生产过程中，需要对包装物料质量进行实时检测。当前，食品机械工程研究的一个关键点和热门就是如何实现高精度、高效率的动态称重，这也是生产过程中亟需解决的技术难题[1-3]。总体来说，称重方式主要包括两种：动态称重和静态称重。其中，静态称重具有精度高等优点，但是称重过程耗时较长、效率比较低，需要确保物料在称重传感器上保持一定时间。相对而言，动态称重的速度非常快，因此其在食品包装领域的应用比较广泛[4-5]。不过与静态称重相比，称重精度比较低。以动态称重为研究对象，所述系统主要包括机械装置和控制装置两部分[6-10]。其中机械装置由称体、传送装置、后续处理装置组成。控制装置由称重传感器、放大电路、滤波电路、模数转换电路、输入输出接口等组成。决定控制系统性能的关键在于称重精度和速度的控制[11-13]。

以颗粒状物料称重为研究对象，基于ARM控制器，设计一种自动称重控制系统。为提高控制精度，采用预测算法实现称重过程优化。最后，通过试验验证所述方法的可行性和有效性。

1 自动计量系统组成

针对颗粒状物料，其称重系统主要包括称重传感器、控制器、伺服电机、滚珠丝杠等模块，简化结构如图1所示。

称重传感器可实时获取托盘内物料的质量。控制器根据质量偏差控制伺服电机驱动滚珠丝杠作往复直线运动，实现出料口开度控制。此次研究所述出料口配有2个阀门，如果称重传感器数值和质量设定值之间偏差大于偏差阈值时，两个阀门同时开启，出料口快速出料；如果称重传感器数值和质量设定值之间偏差小于偏差阈值时，大阀门迅速关闭，小阀门继续开启，此时出料口慢速出料；如果称重传感器数值和质量设定值之间偏差满足计量误差时，小阀门关闭，称重结束。

称重传感器原理可简要描述为：当称重托盘内有物料时，物料质量对传感器施加一个外力，传感器内部弹性体发生形变，应变片会将此变形量转换成电压或电流信号。考虑到输出信号强度较弱，故需要放大电路对其进行放大，经滤波、信号处理等操作就可以得到物料实际质量。

图1 自动称重系统结构

综合考虑，选用STM32系列单片机作为主控制器，该芯片内核为ARM Cortex-M3，内部资源比较丰富，集成度较高，如通用定时器、12位ADC、串口、高速存储器、IO口等，完全可以满足系统要求。所述称重控制系统可实现数据采集、信号处理和输出控制等功能，控制系统结构如图2所示。

1) 核心单元：即STM32单片机，主要包括微处理器和存储器。微处理器主要功能有运行状态显示、通讯、故障诊断等；另外，还可实现信号处理、输出控制等。存储器主要负责程序、数据、运行代码存储，其容量决定了控制程序复杂程度。

2) 输入/输出接口：输入接口用于采集数字信号和模拟信号，包括按键、开关等数字信号以及电压、电流等模拟信号。其中模拟信号需要经模数转换后才能被单片机处理，所有输入信号必须经过光电隔离后才能输入到单片机。输出接口用于控制信号输出，一般需先经过隔离或继电器处理。

3) 通讯接口：所采用单片机支持RS232、RS485以及CAN总线等，此次研究选用串口通信，包括RS232和RS485两种模式。

4) 电源模块：外接24 V的直流电源，经稳压电路生成3.3 V和5.5 V电压，给主芯片供电。

图2 控制系统结构

2 算法设计

2.1 被控对象数学模型

根据力学工作原理，此次研究所述称量斗的数学模型可表示为：

式中：W(t)为托盘内物料质量；Q(t)为物料下落速率。

考虑到W(t)的初始值为零，那么其拉氏变换可表示为：

为便于分析，可将动态称量看作一阶线性模型，那么快速（式3）和慢速（式4）下料过程运动方程可分别表示为：

式中：a1、a0、b1、b0为可控参数；Q1(t)、Q2(t)为物料下落速率；u1(t)、u2(t)为开关量控制信号。

与上述两式对应的传递函数可分别表示为：

式中：Q(s)为物料下落速率Q(t)的拉氏变换；U(s)为开关量控制信号u(t)的拉氏变换。

由于只有一个下料口，可统一用一个方程表示，即：

式中：ai、bi和ki(i=1～3)均为可控参数。

相应的拉氏变换可表示为：

式中：a、b、Ku均为可控参数；Kξ为噪声幅度系数；ξ(s)为噪声；Q(s)为含噪物流量。

2.2 控制器设计

对于常规称重模式，往往通过落差补偿提高称重精度，进而实现预先称重设定值目标。但是，在实际称重过程中，下料过程具有不可逆性、时变性、非线性，很难同时保证称重效率和准确度。为解决此问题，此次研究提出了一种迭代自学习算法，对空中余量进行动态跟踪并自动修正，实现称重过程优化控制。

可定义目标称重值为Gs，第k次配料时称重实际值为Gk，关门时刻的动态称重值为GT。假设关门提前量为Δu，其初始值为u0。第一次称重实际值和设定值之间的误差为：

同式（9）对应的关门提前量可表示为：

式中：q为加权预测因子。

依次类推，第k+1次称重时，控制量可表示为：

根据偏差不同，q可取不同参数值，其满足0＜q≤1。在迭代训练过程中，如果ek＜0，此时为负向迭代预测，结果就是使uk变小；如果ek≥0，此时为正向迭代，结果就是使uk变大。由式（11）可以看出：负向迭代时，控制量虽然会变小，但始终大于零；正向迭代时，需要进行边界检查，避免出现超调现象。

当重复训练次数足够多时，可实现实际输出无限逼近期望值。综上，在每次称重时，利用上次预测修正后的提前关门量来提前控制阀门的关闭和开启。如此反复训练预测，可以使关门提前量不断优化，减小误差，从而实现关门后托盘内物料质量逼近给定值。

3 软件设计

控制系统软件流程如图3所示。

第一步，进行系统初始化，通过人机交互界面设定相关工艺参数，包括质量、偏差阈值、称重速度等。

第二步，判断系统是否准备就绪。如果系统已经准备好则进行称重操作；否则，继续等待或报错。

第三步，粗称阶段。此时两个阀门均打开，通过称重传感器实时获取托盘内物料质量。根据迭代控制，不断更新阀门关闭提前量。如果满足精称条件，则关闭一个阀门。

第四步，精称阶段。此时只有一个阀门开启，通过称重传感器实时获取托盘内物料质量。根据迭代控制更新阀门关闭提前量。如果质量偏差在允许范围内，则关闭所有阀门，停止下料。

最后，卸料，进行下一步工序。

图3 软件设计流程

4 试验研究

为验证所述自动称重系统的有效性，试制样机并进行试验。试验过程中，分别设定质量值为200，400，600和800 g，每组试验分别进行100次，计算平均值，试验结果如表1所示。可以看出：此次研究所述自动称重系统精度比较高，最大偏差只有0.3 g，称重精度能够达到99.9%，可满足包装等行业对称重装置的要求。另外，自动称重系统效率比较高，每分钟称重次数可以达到160次，同样满足相关行业要求，因此所述自动称重系统具有高效、高精度等特点。

表1 试验结果

5 结语

以颗粒状物料称重为研究对象，设计了一种自动称重控制系统。根据颗粒状物料称重的特点，基于迭代控制，提出了“提前关门”的控制策略，解决了空中余料问题。基于ARM，给出了控制系统结构框图以及软件设计方法。结果表明：此次研究所述自动称重系统精度比较高，最大偏差只有0.3 g，称重精度能够达到99.9%，可满足包装等行业对称重装置的要求。