基于模型預(yù)測(cè)的自動(dòng)稱(chēng)重控制系統(tǒng)研究

汪憲政

（揚(yáng)州德云電氣設(shè)備集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225100）

高精度稱(chēng)量是工業(yè)生產(chǎn)中影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，精準(zhǔn)稱(chēng)重技術(shù)也符合我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域的廣泛迫切需求，具有現(xiàn)實(shí)的實(shí)際意義。當(dāng)前我國(guó)在高精度、全自動(dòng)化精準(zhǔn)稱(chēng)重設(shè)備方面由于技術(shù)功能欠缺等問(wèn)題尚未大規(guī)模普及，因此有必要在現(xiàn)有的稱(chēng)重裝置方案及控制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究自動(dòng)稱(chēng)重的先進(jìn)控制策略，開(kāi)發(fā)功能完善的全自動(dòng)稱(chēng)重包裝系統(tǒng)能滿(mǎn)足此類(lèi)需求。

1 全自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)分析

本文擬研究系統(tǒng)針對(duì)顆?；蚍勰钗锪线M(jìn)行自動(dòng)稱(chēng)重控制。實(shí)際最終稱(chēng)重的精度可能破壞整體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和最終質(zhì)量，同時(shí)稱(chēng)重的速度決定包裝效率。一般此類(lèi)系統(tǒng)由料倉(cāng)下料、稱(chēng)量倉(cāng)稱(chēng)重、機(jī)械落料、包裝袋裝料等過(guò)程組成，其中現(xiàn)場(chǎng)的稱(chēng)重控系制單元主要由稱(chēng)重控制器、稱(chēng)重傳感器以及下料機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)稱(chēng)重過(guò)程的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)每次稱(chēng)量。每次稱(chēng)重結(jié)束并裝袋完成后才能進(jìn)行下一輪稱(chēng)重過(guò)程。

自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)的關(guān)鍵部分為稱(chēng)重控制器，其稱(chēng)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(gòu)建。在稱(chēng)重系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，一般先自動(dòng)檢查儲(chǔ)料斗中的物料充足與否，如果料位不足則應(yīng)動(dòng)作上級(jí)供料系統(tǒng)向儲(chǔ)料斗供料。系統(tǒng)預(yù)先在稱(chēng)重控制器中或通過(guò)上位機(jī)通訊設(shè)定所應(yīng)稱(chēng)量物料的稱(chēng)量值，同時(shí)設(shè)定快、慢兩種落料閾門(mén)的動(dòng)作參數(shù)等，在開(kāi)始稱(chēng)重的同時(shí)控制準(zhǔn)備裝袋機(jī)構(gòu)將包裝袋送至卸料機(jī)構(gòu)下并通過(guò)袋口夾緊裝置加緊袋口。動(dòng)態(tài)循環(huán)稱(chēng)重過(guò)程中，外部下達(dá)系統(tǒng)開(kāi)始工作信號(hào)，預(yù)先設(shè)定好的相關(guān)參數(shù)被調(diào)用到稱(chēng)重控制器中，稱(chēng)重控制器運(yùn)行于稱(chēng)重狀態(tài)，控制器發(fā)出控制指令給控制快、慢兩個(gè)落料機(jī)構(gòu)閥門(mén)，待一次稱(chēng)重結(jié)束后下料包裝，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)稱(chēng)重過(guò)程。

2 基于模型預(yù)測(cè)控制的自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)研究

常規(guī)稱(chēng)重方式下對(duì)顆粒狀或粉末狀物料落料結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，考慮空中落料量進(jìn)行落差值補(bǔ)償控制，即考慮外界干擾后系統(tǒng)其他因素造成的稱(chēng)重誤差進(jìn)行下料機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間校正，盡力使補(bǔ)償后的稱(chēng)重精度實(shí)現(xiàn)預(yù)先稱(chēng)重設(shè)定值目標(biāo)。但在實(shí)際落料過(guò)程中，下落物料量是不可逆的，動(dòng)態(tài)落料有著明顯的時(shí)變性、與非線(xiàn)性，每次落差補(bǔ)償都必須在下一次稱(chēng)重過(guò)程中實(shí)現(xiàn)當(dāng)前值的修改，所以稱(chēng)重效率和準(zhǔn)確度很難同時(shí)滿(mǎn)足要求。因此本文準(zhǔn)備開(kāi)展稱(chēng)重過(guò)程優(yōu)化控制策略，采用計(jì)及空中落料量的預(yù)測(cè)控制方法，對(duì)實(shí)際落料過(guò)程中的空中量進(jìn)行模型預(yù)測(cè)，實(shí)時(shí)計(jì)算各落料機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間來(lái)滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的高精度和高效率要求。

一般稱(chēng)重過(guò)程的落料機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)快、慢、停三種方式，對(duì)應(yīng)u（t）三種控制狀態(tài)，設(shè)定e為稱(chēng)重目標(biāo)值與實(shí)際稱(chēng)量值的實(shí)時(shí)誤差，u是控制器發(fā)出的控制信號(hào)。設(shè)定落料時(shí)刻的起始時(shí)刻t=0，設(shè)定初始動(dòng)作偏差值，在快落料期間，控制器輸出u=u1；在t=t1時(shí)刻，即e=e1時(shí)，快落料過(guò)程結(jié)束，從而進(jìn)入慢給料進(jìn)程，控制器發(fā)出信號(hào)u=u2；在t=t3時(shí)刻，即e=e2，落料閥門(mén)全部關(guān)閉，停止落料，這時(shí)稱(chēng)重控制器輸出信號(hào)為u=u0。

受隨機(jī)干擾落料過(guò)程對(duì)象采用受控自回歸積分滑動(dòng)平均模型來(lái)描述：

這里ξ（k）是的隨機(jī)序列，表示受落料沖擊等隨機(jī)干擾的影響。依據(jù)對(duì)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重過(guò)程的研究，料量預(yù)測(cè)模型可以表達(dá)如下：

當(dāng)e>e1（k）時(shí)，

當(dāng)e2（k）

當(dāng)e≤e2（k）時(shí)，

根據(jù)預(yù)測(cè)模型，當(dāng)e>e1（k），第k次模型輸出有

計(jì)算u（k）從u1跳變到u2后的ym輸出值，則由

到k+k0有

此時(shí)模型輸出變化趨于穩(wěn)定，也就是到達(dá)落料穩(wěn)定狀態(tài)。

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

3 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

圖1 外加干擾時(shí)預(yù)測(cè)控制仿真圖

如圖1 表明當(dāng)存在外加干擾時(shí)，采用預(yù)測(cè)控制方法時(shí)稱(chēng)重系統(tǒng)工作過(guò)程曲線(xiàn)圖，設(shè)定外部干擾量為正常落料量設(shè)定值+20%～-40%范圍波動(dòng)。從系統(tǒng)時(shí)間稱(chēng)重控制結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)抗干擾能力較強(qiáng)，在存在干擾波動(dòng)較大情況下也可以保持穩(wěn)定可靠稱(chēng)重的控制效果，表明本文采用的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重模型預(yù)測(cè)控制策略可行。