高精度自動裝料計量系統設計與實現

馬子龍

廣西機電職業技術學院（南寧 530007）

在自動化包裝生產過程中，需要對包裝物料質量進行實時檢測。當前，食品機械工程研究的一個關鍵點和熱門就是如何實現高精度、高效率的動態稱重，這也是生產過程中亟需解決的技術難題[1-3]。總體來說，稱重方式主要包括兩種：動態稱重和靜態稱重。其中，靜態稱重具有精度高等優點，但是稱重過程耗時較長、效率比較低，需要確保物料在稱重傳感器上保持一定時間。相對而言，動態稱重的速度非常快，因此其在食品包裝領域的應用比較廣泛[4-5]。不過與靜態稱重相比，稱重精度比較低。以動態稱重為研究對象，所述系統主要包括機械裝置和控制裝置兩部分[6-10]。其中機械裝置由稱體、傳送裝置、后續處理裝置組成。控制裝置由稱重傳感器、放大電路、濾波電路、模數轉換電路、輸入輸出接口等組成。決定控制系統性能的關鍵在于稱重精度和速度的控制[11-13]。

以顆粒狀物料稱重為研究對象，基于ARM控制器，設計一種自動稱重控制系統。為提高控制精度，采用預測算法實現稱重過程優化。最后，通過試驗驗證所述方法的可行性和有效性。

1 自動計量系統組成

針對顆粒狀物料，其稱重系統主要包括稱重傳感器、控制器、伺服電機、滾珠絲杠等模塊，簡化結構如圖1所示。

稱重傳感器可實時獲取托盤內物料的質量。控制器根據質量偏差控制伺服電機驅動滾珠絲杠作往復直線運動，實現出料口開度控制。此次研究所述出料口配有2個閥門，如果稱重傳感器數值和質量設定值之間偏差大于偏差閾值時，兩個閥門同時開啟，出料口快速出料；如果稱重傳感器數值和質量設定值之間偏差小于偏差閾值時，大閥門迅速關閉，小閥門繼續開啟，此時出料口慢速出料；如果稱重傳感器數值和質量設定值之間偏差滿足計量誤差時，小閥門關閉，稱重結束。

稱重傳感器原理可簡要描述為：當稱重托盤內有物料時，物料質量對傳感器施加一個外力，傳感器內部彈性體發生形變，應變片會將此變形量轉換成電壓或電流信號。考慮到輸出信號強度較弱，故需要放大電路對其進行放大，經濾波、信號處理等操作就可以得到物料實際質量。

圖1 自動稱重系統結構

綜合考慮，選用STM32系列單片機作為主控制器，該芯片內核為ARM Cortex-M3，內部資源比較豐富，集成度較高，如通用定時器、12位ADC、串口、高速存儲器、IO口等，完全可以滿足系統要求。所述稱重控制系統可實現數據采集、信號處理和輸出控制等功能，控制系統結構如圖2所示。

1) 核心單元：即STM32單片機，主要包括微處理器和存儲器。微處理器主要功能有運行狀態顯示、通訊、故障診斷等；另外，還可實現信號處理、輸出控制等。存儲器主要負責程序、數據、運行代碼存儲，其容量決定了控制程序復雜程度。

2) 輸入/輸出接口：輸入接口用于采集數字信號和模擬信號，包括按鍵、開關等數字信號以及電壓、電流等模擬信號。其中模擬信號需要經模數轉換后才能被單片機處理，所有輸入信號必須經過光電隔離后才能輸入到單片機。輸出接口用于控制信號輸出，一般需先經過隔離或繼電器處理。

3) 通訊接口：所采用單片機支持RS232、RS485以及CAN總線等，此次研究選用串口通信，包括RS232和RS485兩種模式。

4) 電源模塊：外接24 V的直流電源，經穩壓電路生成3.3 V和5.5 V電壓，給主芯片供電。

圖2 控制系統結構

2 算法設計

2.1 被控對象數學模型

根據力學工作原理，此次研究所述稱量斗的數學模型可表示為：

式中：W(t)為托盤內物料質量；Q(t)為物料下落速率。

考慮到W(t)的初始值為零，那么其拉氏變換可表示為：

為便于分析，可將動態稱量看作一階線性模型，那么快速（式3）和慢速（式4）下料過程運動方程可分別表示為：

式中：a1、a0、b1、b0為可控參數；Q1(t)、Q2(t)為物料下落速率；u1(t)、u2(t)為開關量控制信號。

與上述兩式對應的傳遞函數可分別表示為：

式中：Q(s)為物料下落速率Q(t)的拉氏變換；U(s)為開關量控制信號u(t)的拉氏變換。

由于只有一個下料口，可統一用一個方程表示，即：

式中：ai、bi和ki(i=1～3)均為可控參數。

相應的拉氏變換可表示為：

式中：a、b、Ku均為可控參數；Kξ為噪聲幅度系數；ξ(s)為噪聲；Q(s)為含噪物流量。

2.2 控制器設計

對于常規稱重模式，往往通過落差補償提高稱重精度，進而實現預先稱重設定值目標。但是，在實際稱重過程中，下料過程具有不可逆性、時變性、非線性，很難同時保證稱重效率和準確度。為解決此問題，此次研究提出了一種迭代自學習算法，對空中余量進行動態跟蹤并自動修正，實現稱重過程優化控制。

可定義目標稱重值為Gs，第k次配料時稱重實際值為Gk，關門時刻的動態稱重值為GT。假設關門提前量為Δu，其初始值為u0。第一次稱重實際值和設定值之間的誤差為：

同式（9）對應的關門提前量可表示為：

式中：q為加權預測因子。

依次類推，第k+1次稱重時，控制量可表示為：

根據偏差不同，q可取不同參數值，其滿足0＜q≤1。在迭代訓練過程中，如果ek＜0，此時為負向迭代預測，結果就是使uk變小；如果ek≥0，此時為正向迭代，結果就是使uk變大。由式（11）可以看出：負向迭代時，控制量雖然會變小，但始終大于零；正向迭代時，需要進行邊界檢查，避免出現超調現象。

當重復訓練次數足夠多時，可實現實際輸出無限逼近期望值。綜上，在每次稱重時，利用上次預測修正后的提前關門量來提前控制閥門的關閉和開啟。如此反復訓練預測，可以使關門提前量不斷優化，減小誤差，從而實現關門后托盤內物料質量逼近給定值。

3 軟件設計

控制系統軟件流程如圖3所示。

第一步，進行系統初始化，通過人機交互界面設定相關工藝參數，包括質量、偏差閾值、稱重速度等。

第二步，判斷系統是否準備就緒。如果系統已經準備好則進行稱重操作；否則，繼續等待或報錯。

第三步，粗稱階段。此時兩個閥門均打開，通過稱重傳感器實時獲取托盤內物料質量。根據迭代控制，不斷更新閥門關閉提前量。如果滿足精稱條件，則關閉一個閥門。

第四步，精稱階段。此時只有一個閥門開啟，通過稱重傳感器實時獲取托盤內物料質量。根據迭代控制更新閥門關閉提前量。如果質量偏差在允許范圍內，則關閉所有閥門，停止下料。

最后，卸料，進行下一步工序。

圖3 軟件設計流程

4 試驗研究

為驗證所述自動稱重系統的有效性，試制樣機并進行試驗。試驗過程中，分別設定質量值為200，400，600和800 g，每組試驗分別進行100次，計算平均值，試驗結果如表1所示。可以看出：此次研究所述自動稱重系統精度比較高，最大偏差只有0.3 g，稱重精度能夠達到99.9%，可滿足包裝等行業對稱重裝置的要求。另外，自動稱重系統效率比較高，每分鐘稱重次數可以達到160次，同樣滿足相關行業要求，因此所述自動稱重系統具有高效、高精度等特點。

表1 試驗結果

5 結語

以顆粒狀物料稱重為研究對象，設計了一種自動稱重控制系統。根據顆粒狀物料稱重的特點，基于迭代控制，提出了“提前關門”的控制策略，解決了空中余料問題。基于ARM，給出了控制系統結構框圖以及軟件設計方法。結果表明：此次研究所述自動稱重系統精度比較高，最大偏差只有0.3 g，稱重精度能夠達到99.9%，可滿足包裝等行業對稱重裝置的要求。