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螺旋加料定量稱重是粉粒物料行業(yè)常見的動(dòng)態(tài)在線計(jì)量設(shè)備.螺旋加料動(dòng)態(tài)定量稱重過程含有時(shí)變、非線性和各種不確定性因素.在工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)過程中,如何同時(shí)提高動(dòng)態(tài)定量稱重精度和稱重速度,一直是企業(yè)和計(jì)量領(lǐng)域亟需解決的難題之一[1].國內(nèi)定量裝料、定量包裝中缺少先進(jìn)的螺旋加料動(dòng)態(tài)定量稱重控制方法,所以動(dòng)態(tài)精度低,速度慢,制約了行業(yè)的發(fā)展.在一些不能快速在線準(zhǔn)確稱重的行業(yè)中,為防止因重量不足而失去信譽(yù),不得不采用稍微超重稱重裝料的方法.本文在研制飼料、面粉動(dòng)態(tài)定量稱重包裝中,通過分析螺旋加料動(dòng)態(tài)在線定量稱重過程,給出了一種新型雙速變徑變距螺旋加料動(dòng)態(tài)定量稱重控制方法.該方法采用/先快后慢、最后點(diǎn)動(dòng)0的控制方式,較好地解決了動(dòng)態(tài)定量稱重過程中精度和速度的矛盾.實(shí)踐證明,該項(xiàng)技術(shù)對飼料、面粉、糧食、化肥、水泥以及小粉粒物料量的定量裝料、定量包裝和稱重配料,效果頗佳.

1螺旋加料動(dòng)態(tài)定量稱重結(jié)構(gòu)原理

螺旋加料是料斗電子秤中最常用的一種動(dòng)態(tài)稱重加料方式.在定量稱重裝置中,將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺旋加料機(jī)電一體化設(shè)備(俗稱絞龍電機(jī))置于料倉與料斗之間,由電子測控裝置實(shí)現(xiàn)粉粒物料的動(dòng)態(tài)定量稱重.啟動(dòng)絞龍電機(jī),則對應(yīng)料倉中的粉粒物料就隨著螺旋加料機(jī)械機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)而進(jìn)入料斗中.料斗和稱架之間裝有3個(gè)應(yīng)變式拉力傳感器,料斗的重量直接由該拉力傳感器組轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入電子測控裝置,達(dá)到設(shè)定重量值時(shí)則關(guān)閉該絞龍電機(jī)停止加料,并控制料斗門開門卸料,即完成一次動(dòng)態(tài)加料定量稱重.

2螺旋加料控制方式的研究

螺旋加料裝置是保證動(dòng)態(tài)定量稱重精度和均勻度的重要環(huán)節(jié).由于螺旋加料機(jī)電一體化裝置的非線性和強(qiáng)無自衡性,以及在加料過程中物料的粒度、濕度和料倉壓力等又會(huì)引起加料流量的不穩(wěn)定性.若加快稱重速度,則物料對料斗的沖擊,將影響稱重的精度和穩(wěn)定性;而若提高稱重精度,就不得不降低加料速度.

為了協(xié)調(diào)稱重精度和稱重速度的矛盾,目前大部分動(dòng)態(tài)在線定量稱重設(shè)備采用兩段加料方式[2].該加料方式只在一定程度上能夠兼顧精度和速度的要求,精度不高,且存在超差.由于螺旋加料的不可逆性,定量稱重超差無法彌補(bǔ),只能重新進(jìn)行.為了提高效率和解決超差問題,采用了/先快后慢、最后點(diǎn)動(dòng)0的加料控制方式,旨在用/快速加料0縮短加料時(shí)間,提高稱重速度;采用/慢速加料0來減小物料沖擊,提高檢測精度;最后/點(diǎn)動(dòng)加料0以補(bǔ)料的方式來保證最終定量稱重的精度.其控制加料過程如下:在稱重開始時(shí)/快速加料0,當(dāng)達(dá)到快速加料預(yù)測給定值Wg1時(shí)開始/慢速加料0;當(dāng)?shù)竭_(dá)慢速加料預(yù)測給定值Wg2時(shí),延遲一段時(shí)間等待空中料落入料斗,如還達(dá)不到物料定量值Ws的系統(tǒng)允許誤差下限值WsL時(shí),則開始慢速/點(diǎn)動(dòng)加料0,直到物料凈重大于WsL時(shí)才開料斗門卸料.由于每次點(diǎn)動(dòng)加料時(shí)間隨著物料差值的減小而減小,所以有效地避免了超差的發(fā)生.

由于螺旋加料機(jī)械裝置的時(shí)變性.當(dāng)發(fā)出加料信號(hào)后,螺旋機(jī)械總要滯后一段時(shí)間才開始加料;當(dāng)停止加料時(shí),螺旋加料機(jī)械慣性又要延遲一段時(shí)間才能停止;螺旋加料停止后,空中還有尚未落入料斗的空間料(稱為落差B,也稱為提前停機(jī)量),使稱量值增加,其增加量的大小與停止加料前的流量有關(guān).慢速加料時(shí)間越長,Qg2越穩(wěn)定,相應(yīng)預(yù)測的B越準(zhǔn)確,但降低了稱重速度.若從定量稱重速度上考慮,Wg1越大越好,但Wg1越大則慢速加料時(shí)間越短,又會(huì)影響定量稱重精度.因此,如何正確預(yù)測B并如何動(dòng)態(tài)在線修正Wg1和Wg2,是同時(shí)實(shí)現(xiàn)定量稱重精度和速度的關(guān)鍵問題.

3落差的補(bǔ)償算法

影響動(dòng)態(tài)定量稱重精度的不確定性,主要是停止加料后空中落料的隨機(jī)性和不可測性,無法用一個(gè)固定的參數(shù)加以補(bǔ)償.落差可以用如下二階預(yù)報(bào)模型予以補(bǔ)償:

y(k+1)=B0u(k)+θXTk,

其中參數(shù)向量H和數(shù)據(jù)向量Xk分別為

θT=[α1,α2,β1,β2],

XTk=[y(k),y(k-1),u(k-1),u(k-2)].

式中:y(k)是第k次落差補(bǔ)償量,u(k)是第k次定量稱重誤差.因此是基于第k次及以前的落差補(bǔ)償量和稱重誤差,預(yù)報(bào)第(k+1)次的落差補(bǔ)償量.其控制目標(biāo)是選擇一個(gè)合適的u(k),使控制目標(biāo)

J=E[y(k+1)-yr]2

為最小.根據(jù)自校正調(diào)節(jié)[3],有控制方程

u(k)=1/β0[yr-XTkθk],

當(dāng)取到數(shù)據(jù)y(k+1)時(shí),對參數(shù)向量θ,采用帶遺忘因子λ的在線遞推最小二乘法,

θ(k+1)=θ(k)+P(k)Xk-1[λ+XTk-1P(k)Xk-1]-1·[y(k)-β0u(k)-θ(k)Xk-1],

P(k+1)=1/λ{P(k)-P(k)Xk-1·[λ+XTk-1P(k)Xk-1]-1XTk-1P(k)}.

在線估計(jì)θ(k+1),并用估計(jì)參數(shù)來代替真實(shí)參數(shù)θ,而得到最小方差自校正調(diào)節(jié)器.

在實(shí)際控制過程中,β0一次取定為0.9,不參與估計(jì)運(yùn)算;遺忘因子λ取值0.99;遞推初始值θ(0)取在線辨識(shí)的一組定常參數(shù);y(0)由實(shí)驗(yàn)選定;取u(0)=0,經(jīng)過3~4次稱重,就可使落差補(bǔ)償預(yù)測值逼近真值.

4Wg1的自動(dòng)修正

快速加料給定值的修正原理是根據(jù)慢速加料的時(shí)間長短來調(diào)節(jié)Wg1,即用如下一階預(yù)測模型

Wg1(k+1)=Wg1(k)+[Wg2(k)-Wg1(k)][T2(k)-T2]/T2

式中:Wg1(k)和Wg2(k)分別是第k次快速加料與慢速加料預(yù)測給定值;[Wg2(k)-Wg1(k)]為第k次慢速加料重量;T2(k)是第k次慢速加料時(shí)間;T2是常數(shù),它是由實(shí)驗(yàn)整定的最佳慢速加料時(shí)間;Wg1(k+1)是第(k+1)次快速加料預(yù)測給定值.

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)比較

在飼料動(dòng)態(tài)定量稱重生產(chǎn)現(xiàn)場,用同樣的設(shè)備,分別采用上述控制算法和常規(guī)經(jīng)驗(yàn)固定設(shè)定法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn).共抽測5次,每次連續(xù)抽測10包,取平均值.結(jié)果如表1所示.

由表1可知,精度由經(jīng)驗(yàn)固定設(shè)定法的不足0.2%提高到預(yù)測算法的優(yōu)于0.1%,并且點(diǎn)動(dòng)次數(shù)減少.

6結(jié)論

(1)本文給出的動(dòng)態(tài)定量稱重螺旋加料控制方法采用/先快后慢、最后點(diǎn)動(dòng)0并引入控制算法,較好地解決了動(dòng)態(tài)定量稱重精度和速度的矛盾.

(2)本項(xiàng)研究從過程對象的實(shí)際出發(fā),采用兩種簡單的預(yù)測方程,對于定量稱重25kg,其實(shí)測精度優(yōu)于0.1%,速度為8包Pmin,分辨力為10g.

(3)該項(xiàng)技術(shù)對糧食、面粉、化肥、水泥以及小粉粒物料量的定量包裝有較大的應(yīng)用潛力和推廣價(jià)值.

 

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