動態稱量技術在發射藥稱重過程中的應用

伍凌川，李全俊，黃 權

(中國兵器工業第五八研究所彈藥中心，四川 綿陽 621000)

【信息科學與控制工程】

動態稱量技術在發射藥稱重過程中的應用

伍凌川，李全俊，黃 權

(中國兵器工業第五八研究所彈藥中心，四川 綿陽 621000)

為了提高彈藥發射藥裝藥生產過程中發射藥稱量的精度和速度，設計一種改進型的動態稱重系統，采用粗-中-細3級給料方式，建立發射藥動態稱重系統數學模型，通過稱重信號處理和稱重給料控制算法克服現有模式存在的效率低、精度不高等缺陷；200次的發射藥稱量試驗，都穩定在7.0±0.1g范圍內，表明改進后的稱重系統滿足彈藥生產過程中發射藥快速精確稱量的需求。

動態稱量；發射藥稱重；彈藥生產

在彈藥自動裝藥裝配生產中的發射藥稱裝是保證彈藥產品生產品質和效率的關鍵工序，高效、高精的稱量過程是彈藥產品發射藥稱裝環節的最基本要求。如何采用電子信息、自動控制以及計算機分析等技術提高稱量系統的精度和速度是實現提高發射藥稱量過程工藝的關鍵所在。在實際彈藥生產線上，操作人員希望發射藥稱量與產品壓制同步進行，壓彈過程中同時完成，即與壓彈過程同步，實現零停機。因此，必須在保證正常生產的同時完成發射藥的連續和快速稱量；通過動態稱重技術可以基本實現稱量與壓制的同步工作，滿足這一要求，其主要特征：

1) 稱量物品不是靜止狀態。測量時，被稱重的彈藥發射藥處于某種運動或持續振動等情況，并處于帶有沖擊力的狀態下；

2) 稱量的外部環境也處于運動狀態，即稱重衡器放置于自身處于運動或振動的機床臺面或機架等支撐體上；

3) 稱重數據讀取時間短而快，時間一般低于稱重衡器的穩定時間。

要實現快速連續、準確的裝藥稱量，得到稱量的穩態值，就需要對由稱重傳感器、信號采集與處理系統組成的動態稱重系統進行正確的描述和分析，同時減小動態稱量的不穩定性，降低稱量響應時間，對耦合分量間進行解耦，實現發射藥的動態補償。

發射藥動態稱重系統的難點是稱量精度和速度相互匹配和兼顧；系統同時受到時變、非線性、不確定性以及隨機干擾等因素影響。當發射藥輸送速度較快時，發射藥顆粒對稱量衡器產生沖擊并形成振動，影響稱量的精度。為滿足稱量精度，就需要降低傳輸的速度。彈藥生產時發射藥高精度和高速度的動態稱量是彈藥生產領域的一大難題。為此，研究在彈藥裝藥中將動態控制與測量方法相互融合，實現優勢互補，從而在較高的效率中實現發射藥稱重過程的動態高精度稱量。

1 發射藥動態稱重系統組成及原理

彈藥發射藥稱重過程有其特殊性，需要為其專門制定動態稱量方案。發射藥動態稱量的特殊性主要體現在以下幾個方面：

1) 稱量物體為發射藥，屬于一種不規則的顆粒狀物體，對精度要求高，系統絕對精度要達到0.1 g左右；

2) 對安全性的要求相當高，系統設計必須符合安全性要求；

3) 要求系統響應速度迅速，必須滿足生產節拍要求，盡量提高生產效率。

由于以上特殊性，對發射藥動態稱量高精度給料的實現造成極大的困難。因此，必須設計一套高效率的響應快速、測量精度高的控制系統，對生產線上的稱量系統和給料系統進行協調控制，其組成如圖1所示。

圖1 組合式發射藥稱量系統示意圖

相對以往采用的粗-細兩級給料方式，作者采用粗-中-細3級給料；兩級給料采用的是傳統的快加藥和慢加藥相結合的加藥原理。由于在實現過程中發現：快速過程給料沖擊大，慢速過程給料速度慢，直接導致發射藥稱重精度和效率無法提高，成為彈藥生產過程中影響效率和品質的瓶頸環節。而3級給料采用的是組合式加藥原理和機理，通過增加一次中速加藥降低了粗加藥時的物料沖擊，減少了細加藥的時間，從而提高了發射藥稱重加藥控制精度，降低了發射藥裝填加藥時間。

3級給料工作過程如下：控制系統發送指令，發射藥按粗-中-細3個速度依次向計量藥斗投料，控制系統實時讀取計量藥斗的重量和發射藥的重量，控制粗-中-細3個裝藥料斗的開關，具體過程如下：

1) 發射藥重量遠小于所設定的重量時(一般為小于70%)，粗藥斗打開快速下料，其余藥斗關閉；

2) 發射藥重量在設定重量的70%～90%時，中藥斗以中間速度下料，其余藥斗關閉；

3) 發射藥重量達到設定重量90%以上時，細藥斗打開，下料速度緩慢，保證最終的稱量精度。

4) 發射藥重量快達到設定重量時，細藥斗馬上關閉。因為空中還有一部分發射藥的重量，以及執行機構電磁閥有延時，一般需要一個提前關閉的落差量，即對加藥時間進行預估。

其理想狀態給料曲線如圖2所示，大、中投量決定稱量的速度，小投量決定稱量的精度。

圖2 理想狀態給料曲線

2 發射藥動態稱量技術

建立的數學模型和控制算法同時適用于兩級和3級給料稱量方式，但是3級給料的控制原理和信號計算過程更復雜，參數取樣更豐富，模型更加接近于實際，稱量精度更高，同時兼顧了稱量效率。

2.1 發射藥動態稱重系統數學模型的建立

典型的發射藥動態稱重系統模型如圖3所示，可以等效為一個二階系統，模型由質量塊、彈簧和阻尼器構成，其動態模型為

(1)

式(1)中：m為稱重藥斗質量，K為彈簧彈性系數，C為等效阻尼常數，f(t)為被稱發射藥的重量，g(t)為發射藥的沖擊力，x(t) 稱重藥斗相對于參考零點的位移。

在式(1)中，g(t)物料沖力受發射藥下落的高度和速度影響，而發射藥動態稱量系統實際稱量時在剛開始開啟粗給料斗時沖擊力較大，但是粗給料加藥的精度對最終的稱量精度不產生影響，同時沖擊力造成的稱量過沖量在稱量后期可通過稱量系統自動調整過來，至此g(t)可以忽略，從而式(1)能簡化變化為

(2)

式(2)中，當稱重藥斗質量m不發生改變時，此模型為典型的二階時變非線性系統，在此對其進行拉氏變換并轉換成標準形式，可得到系統的傳遞函數為[1]

(3)

圖3 發射藥稱重系統模型

2.2 發射藥動態稱重系統控制原理

根據上述分析，發射藥動態稱重系統為在線實時稱量，控制系統讀取的發射藥重量實時變化。而在實際彈藥發射藥稱量過程中，下料的振動、發射藥對衡器的沖擊等隨機干擾會對發射藥的稱重精度產生較大影響。在發射藥稱量非線性模型內，所形成的動態稱重數學模型與實際稱量會有一定的偏差，從而需要校正，而校正的實現仍較困難；由于模型的阻尼不斷變化，這也導致校正或配置極點實施難度較大。為實現發射藥的動態定量稱量，需要快速并準確的稱量出通過給料閥門的發射藥質量，及時關閉給料閥門，并且預估已通過給料閥門，尚未落到稱重傳感器上而處于空中的那部分發射藥質量。

在稱重信號處理部分，對系統建立含有未知參數的數學模型，根據在線參數估計的基本思想，即系統數學模型結構確定后，實時讀取稱重系統的輸入輸出數據，同時按照某種固定的算法連續通過讀取的數據去修正模型中的參數估計值，即一邊測量數據，一邊修正模型[2]。

考慮實際稱量中的干擾，僅用式(3)進行模型計算后，其計算值與實際值之間會有很大的誤差。為了更加接近實際的稱重系統，從而構建了一套含有擾動噪聲v(t)的動態校準試驗，實現稱量系統數學模型盡量接近實際稱量系統。擾動噪聲主要是觀測噪聲，沒有明顯的相關性，可以近似看成是隨機噪聲[3]。系統控制結構如圖4所示。

圖4 發射藥動態稱重控制系統結構

2.3 稱重信號算法

發射藥動態稱重控制系統為PLC，其傳遞函數以差分方程實現為最佳，這樣便于應用遞推表達式[4]。輸入隨機噪聲后的系統結構如圖5所示。

圖5 輸出端加入噪聲后的結構

根據隨機信號處理理論，假設v(k)為隨機噪聲，其均值為0、方差為σ2并服從正態分布，輸入變量為u(k)、輸出變量為z(k)，系統為

(4)

式(4)中A(q-1)=1+a1q-1+…+anq-n,B(q-1)=1+b1q-1+…+bnq-n。

通過總體分布類型，為了對其中一個或多個未知參數進行較好的估計，采用極大似然法。目的在于：只要此數學模型輸出正確，其稱量系統參數一定是得到準確值的最大概率參數，確保系統得到確定參數。為此，本文選用極大似然法對系統模型參數進行估計，構造一個隨機觀測數據和自變量的似然函數為未知參數θ，當似然函數在某一個參數達到極大時，就得到有關參數的估計值[5]。

輸入變量u(k)與輸出變量z(k)是相對獨立的，依據極大似然法原理，對數據ZN=[z(0),z(2),…,z(N-1)]T尋找似然函數為

(5)

式(5)中，θ=[a1,a2,…,an,b1,b2,…,bn]T，uN=[u(1),u(2),…,u(N)]T。

由式(5)可得，在ZN-1，uN和θ已知條件下，似然函數L(ZN/un,θ)的值取決于v(k)的概率分布，似然函數式(5)進一步轉化為

(6)

v(k)為擾動均值為0、方差為σ2、服從正態分布的不相關隨機噪聲，式(6)可改寫為

(7)

為使式(7)的值達到最大，即有

(8)

(9)

將式(9)代入式(6)可得

(10)

(11)

的值取得最大。

通過分析，隨機噪聲v(k)以觀測噪聲的形式出現，即使v(k)不服從正態分布，只要θ的估計值滿足式(11)，都可以取得較滿意的效果[1]?；谙到y模型的通用性，并加入了動態振蕩和沖擊力干擾，同時過濾了噪聲、尖峰干擾等，再進行參數估計并利用結果相互校正。

2.4 稱重系統給料控制算法

在對稱重信號進行預估處理的基礎上，當系統秒重到接近給定值時，控制系統需要提前動作以達到當電磁閥完全關閉時所得到的質量正好等于或者接近于設定的質量。

假設經過預估處理的稱量值為P時，停止輸送發射藥，則最終實際質量為：

Pm=P-Pg+P1

(12)

其中：Pm為稱重實際值；P為下料停止時讀數；Pg為發射藥沖擊力；P1為下料停止時滯留在空中的發射藥重量。

發射藥比重和速度等將影響Pg和P1的數值；當發射藥類型和下落速度固定時，Pg和P1的值是基本穩定的。為了使Pm等于或接近設定的目標值，采用逐次逼近法調節P進行逼近[7]。如果A為設定稱量值，An是第n次下料停止后實際重量值，Bn是第n次下料停止后稱重傳感器讀數，則第n+1次下料應在稱重傳感器讀為B(n+1)時停止下料：

B(n+1)=Bn+δ1(A-An)+δ2(A-A(n-1))2+

δ3(A-A(n-2))3+…

(13)

δ2,δ3,…，δn近似于0，在實際編程時采用一次逼近算法并省略2次以后的運算，從而簡化了計算機的運行。

如果第n次稱量稱重傳感器讀數為Cn時，停止下料，經過時間t后，計量藥斗基本穩定，讀數為Dn，將其視為計量藥斗內發射藥的實際重量，則第n+1次粗下料停止時C(n+1)為

C(n+1)=Cn+K1×(D-Dn)

(14)

其中：D為粗加藥的最佳值，根據實際經驗選定；K1為修正系數，根據經驗K1=0.5，初始值C1=設定值[8]。

一樣的方法，在精加藥時對稱量值進行修正，從而保證系統稱量的最高精度。如果第n次稱量，當稱重傳感器讀數為Pn時，精加下料停止，經過時間t后，計量藥斗穩定時讀數為Qn，將其視為計量藥斗內發射藥的實際重量，則第n+1次精加藥停止時P(n+1)為

P(n+1)=Pn+K2×(Q-Qn)

(15)

其中：Q為設定值；K2為修正系數。

通過實際的大量的稱量試驗數據和稱量后復檢數據得出，Qn在允許稱量偏差內時，K2=0.2，超標時K2=0.8，初始值P1=設定值。

3 實驗分析與驗證

在常溫條件下，稱量7.00 g的粒狀發射藥，按照系統1 s/次 采集的稱重控制器重量，其單次稱量的發射藥重量曲線如圖6所示。

圖6 單次稱量重量曲線

經過200次的發射藥稱量試驗，從結果中隨機抽取20發已稱量的發射藥，在經過校準的精度為0.001 g電子天平上重新稱量并記錄重量數據，其稱量結果取樣柱狀對比圖如圖7。

圖7 稱量結果取樣對比

從以上實驗數據中得出，圖6中的單次發射藥重量曲線與圖2中的理想給料曲線十分逼近，且稱量的發射藥重量全都穩定在7.0±0.1g范圍內，滿足高精度稱量的要求。造成波動的原因主要是稱量過程中滯空發射藥以及發射藥下落的高度差所引起的。首先，在進料過程中，發射藥從給料裝置下落到料斗里，只有到達料斗里的那部分稱重傳感器才能檢測到，而空中的余料是檢測不到的，但當排料口打開后，最終得到的發射藥實際重量卻包括滯空的發射藥；其次，發射藥下落的高度差由于機械結構是固定的，物料下落的高度隨著物料在料斗里的堆積而逐漸減少，造成發射藥下落的沖擊力產生變化；與此同時，發射藥給料速度與下落高度差變化還具有不穩定因素，不能完全精確控制，只能通過稱重信號處理算法與給料控制算法逼近真實稱量過程。

4 結語

改進型的發射藥動態稱重系統采用粗-中-細三級給料方式，建立發射藥動態稱重系統數學模型，通過稱重信號處理和稱重給料控制算法克服現有模式存在的缺陷。實驗結果表明：改進后的稱重系統滿足彈藥生產過程中發射藥快速精確稱量的需求，但如何精確控制發射藥給料速度與預測估計滯空物料重量需要進一步研究。

[1] 楊光偉.定量包裝稱重控制器的設計與實現[D].大連:大連理工大學,2007.

[2] HALIMIC M,BALACHANDRAN W.Performance Improvement of Dynamic Weighing Systems using Linear Quadratic Gaussian Controller[C]//IMTC 2003-Instrumentation and Measurement Technology Conference,2003:1537-1540.

[3] 吳向峰.動態粒狀物料定量稱重技術研究[D].北京:中國計量科學研究院,2006.

[4] 胡春海,陳靜.用于動態稱重的模型參數估計方法[J].自動化儀表,2005,20(4):23-25.

[5] 殳偉群.基于參數估計的動態稱重新方法[J].計量學報,1993,14(2):149-153.

[6] GAO Z,MAO J.Dynamic Weighing Technology Combining Parameter Identification[C]//Proceedings of the Third International Symposium on Instrumentation Science and Technology,2004(1):367-371.

[7] 張海青,李寶安.定量下料問題的動態稱重解決方案[J].計量學報,1998,19(3):221-224.

[8] 王書鶴.螺旋加料動態定量稱重控制方法的研究[J].山東大學學報(自然科學版),2003,38(1):83-85.

(責任編輯 楊繼森)

Application of Dynamic Weighing Technology in Propellant Powder Weighing

WU Ling-chuan, LI Quan-jun, HUANG Quan

(Center of Ammunition, No.58 Research Institute of China Ordnance Industries, Mianyang 621000, China)

To improve propellant powder weighing precision and velocity in munition production, we proposed an improved dynamic weighing system, using a III level loading method--coarse powder first, then the medium size and last the fines to establish a mathematical model of dynamic weighing system for propellant powder. The weighing signal processing and loading control algorithm can work against limitations of existing patterns, and in the propellant powder weighing tests for 200 times, the vaule is within 7.0±0.1g, and experiment result shows the improved weighing system can meet the requirement of rapidly precise weighing of propellant in the process of ammunition production.

dynamic weighing; propellant powder weighing; munition production

2016-09-22；

2016-10-29

國家高技術研究發展863計劃項目(2014AA041604)

伍凌川(1978—)，男，高級工程師，主要從事彈藥裝藥裝配工藝技術研究。

10.11809/scbgxb2017.02.017

伍凌川，李全俊，黃權.動態稱量技術在發射藥稱重過程中的應用[J].兵器裝備工程學報，2017(2):70-74.

format:WU Ling-chuan, LI Quan-jun, HUANG Quan.Application of Dynamic Weighing Technology in Propellant Powder Weighing[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(2):70-74.

TP273

A

2096-2304(2017)02-0070-05