基于模型預測的自動稱重控制系統研究

汪憲政

（揚州德云電氣設備集團有限公司，江蘇 揚州 225100）

高精度稱量是工業生產中影響產品質量的關鍵因素之一，精準稱重技術也符合我國國民經濟各個領域的廣泛迫切需求，具有現實的實際意義。當前我國在高精度、全自動化精準稱重設備方面由于技術功能欠缺等問題尚未大規模普及，因此有必要在現有的稱重裝置方案及控制結構基礎上進行優化設計，研究自動稱重的先進控制策略，開發功能完善的全自動稱重包裝系統能滿足此類需求。

1 全自動稱重系統分析

本文擬研究系統針對顆粒或粉末狀物料進行自動稱重控制。實際最終稱重的精度可能破壞整體產品結構和最終質量，同時稱重的速度決定包裝效率。一般此類系統由料倉下料、稱量倉稱重、機械落料、包裝袋裝料等過程組成，其中現場的稱重控系制單元主要由稱重控制器、稱重傳感器以及下料機構組成，通過稱重過程的閉環控制實現每次稱量。每次稱重結束并裝袋完成后才能進行下一輪稱重過程。

自動稱重系統的關鍵部分為稱重控制器，其稱重控制的精度直接影響性能，一般可由PLC 或其它微處理器構建。在稱重系統開始運行時，一般先自動檢查儲料斗中的物料充足與否，如果料位不足則應動作上級供料系統向儲料斗供料。系統預先在稱重控制器中或通過上位機通訊設定所應稱量物料的稱量值，同時設定快、慢兩種落料閾門的動作參數等，在開始稱重的同時控制準備裝袋機構將包裝袋送至卸料機構下并通過袋口夾緊裝置加緊袋口。動態循環稱重過程中，外部下達系統開始工作信號，預先設定好的相關參數被調用到稱重控制器中，稱重控制器運行于稱重狀態，控制器發出控制指令給控制快、慢兩個落料機構閥門，待一次稱重結束后下料包裝，以實現自動稱重過程。

2 基于模型預測控制的自動稱重系統研究

常規稱重方式下對顆粒狀或粉末狀物料落料結構進行控制，考慮空中落料量進行落差值補償控制，即考慮外界干擾后系統其他因素造成的稱重誤差進行下料機構動作時間校正，盡力使補償后的稱重精度實現預先稱重設定值目標。但在實際落料過程中，下落物料量是不可逆的，動態落料有著明顯的時變性、與非線性，每次落差補償都必須在下一次稱重過程中實現當前值的修改，所以稱重效率和準確度很難同時滿足要求。因此本文準備開展稱重過程優化控制策略，采用計及空中落料量的預測控制方法，對實際落料過程中的空中量進行模型預測，實時計算各落料機構的動作時間來滿足動態稱重的高精度和高效率要求。

一般稱重過程的落料機構可以實現快、慢、停三種方式，對應u（t）三種控制狀態，設定e為稱重目標值與實際稱量值的實時誤差，u是控制器發出的控制信號。設定落料時刻的起始時刻t=0，設定初始動作偏差值，在快落料期間，控制器輸出u=u1；在t=t1時刻，即e=e1時，快落料過程結束，從而進入慢給料進程，控制器發出信號u=u2；在t=t3時刻，即e=e2，落料閥門全部關閉，停止落料，這時稱重控制器輸出信號為u=u0。

受隨機干擾落料過程對象采用受控自回歸積分滑動平均模型來描述：

這里ξ（k）是的隨機序列，表示受落料沖擊等隨機干擾的影響。依據對動態稱重過程的研究，料量預測模型可以表達如下：

當e>e1（k）時，

當e2（k）

當e≤e2（k）時，

根據預測模型，當e>e1（k），第k次模型輸出有

計算u（k）從u1跳變到u2后的ym輸出值，則由

到k+k0有

此時模型輸出變化趨于穩定，也就是到達落料穩定狀態。

由Δe1（k）與Δe2（k）修正到切換系數e1，e2的大小，可以決定控制器輸出的下一個控制量u（k+1）。

3 系統仿真驗證

圖1 外加干擾時預測控制仿真圖

如圖1 表明當存在外加干擾時，采用預測控制方法時稱重系統工作過程曲線圖，設定外部干擾量為正常落料量設定值+20%～-40%范圍波動。從系統時間稱重控制結果來看，系統抗干擾能力較強，在存在干擾波動較大情況下也可以保持穩定可靠稱重的控制效果，表明本文采用的動態稱重模型預測控制策略可行。