（测试计量技术及仪器专业论文）动态粒状物料定量称重技术研究.pdf

中国计量科学研究院硕士学位沦文 摘要 箍着人们生活水平不断提鬻，人们对各秘方便食晶懿需求选夔之增长，闲对 这也拉动了我国食品和包装机械行业的快速发展。未来机械包装业配合着产业自 动化的趋势，在技术羔将朝着控制数字化方氪发鼹。然而目前我鬓机械包装业比 较落后，许多中小型企业在产品最后的定量称熏包装阶段，还是采用人工称重、 人工包装。该方法劳动强度大、工作效率低，对于企业大规模生产、提高劳动生 产率来说已成为一种瓶颈或制约。 在这样的背景下，本文，具体分析了定攫下料问题，以t i 公司的 1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作为微处理器芯片，稠灞其能实时快遽遮实现各季中数字信号处 理算法的特点，对粒状物料的动态称重技术进行了研究。 。 动态褴状物科称熏技术的研究主要包摇以下三个方面戆工作：枧城结掏框絮 的设计、电路板的研制、称重信号的采鬃和处理。在机械结构的设计中，比较了 目前应用鞍普遍的给抖系统的特点及憾畿，并结合本项曰的要求，设计了机娥系 统的总体结构。在电路设计中，首先着手于元器件的比较与选择，然后设计电路、 制板并调试成功，最后编写了通用的控制程序。在数字信号的处理中，先对称重 信号进行f 礞滤波，然后对信号进行分析、建模来得到动态稼重系统鲶解决方案。 本文完成了基于d s p 的粒状物料定量称熏系统的软硬件设训，并取得了较 好的结果。为今后进- 步的研究奠定了基础。 论文最后总结了全文，指出了本系统的一些不足，并提出了下一步改善的一 些设想。 关键谓：动态称葳定蠡下料d s p 中国计量科学研究院碜士学位论文 a b s t r a c t 舢o n gw 曲t l ei m p r 0 v e m e i l to ft l l ep e o p l e si i v i n gs t a n d a r d s ，t l l ed e m a n d so f v 撕o u sc o n v e i l i tf o o d sa r e1 a r g e l y i n 口e a s e d ， 锄d吐l i sa l s o p r o m o t e st h e d e v e l o p m e 工l to fo u rc o u n 仃y sf b o da n dp a c k a g i i l gm a c h i n e r yi n d u s y t h ef u n l r e p a c k a 百n gm a c h i n e r yi i l d u s y w i l lm a r c ht o w a r d d i 西t a l c o m r o l t e c h n i c a u y c 0 i n p l y i n g 晰mi n d u s 廿ya u t o 瑚d o n 仃e n d h o w e v e r 也ep a c l ( a g i i l gm a c i l i n e r ) ， i i l d u s n yi no u rc o i l n 廿yi ss t i r e l a t i v e l yb a c k w a r d ，m a i l ys m a ua n dm e d i u n l - s i z e d e t e 中r i s e ss t i uw e i 曲a n dp a c kt l l e i rp r o d u c t sm a n u a u ya t 也ef i n a u yq u a l l 垃t a t i v e w e i 曲i n ga n dp a c k a g i i l gs t a g eo fp r o d u c 吐o n 啊1 i sw a yi sl a b o r - c o n s u m i i l g ，i n e 衔d t a n dh a sb e c o i n eab o m e i l e c ko rc o n s 仃a i l l tf 研t h e s ee n t e r p r i s e st oi n l p f o v et l l e 打 p r o d u 面v i t i e sa n dr e g i l l a t ep r o d u c t i o n kv i e wo fm ea b o v e 锄e n t i o n e df a c 瓯t l i i s p a p e rm a l ( e sa c o n c r e t ea n a l y s i so ft h e q u a i l t i t a t i v ed u h l p i i l gq u e s t i o n ， a n dc h o o s e st i1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2a sm e 删c r o p r o c e s s o rc h i pw h i c bc a nr e a l i z ev 撕o u sd s pa l g o r i t h 脚f a s ta n dr e a lt i m e l yt o u n d e n a k eas t u d yo ft l ed y n a i n i cw e i g u n gl e c m q u ef o rg r 獭ym a t e r i a l i 飞er e s e a r c hi n c l u d e sm a i n l yt 1 1 ef 0 1 1 0 w i n gt h r e ea s p e c t s ：t h ed e s i g no ft 1 1 e m e c h a i l i c a ls m l c m r e ，t h ed “e l o p m 铋to fm ec i r c u i tb o 盯d ，t h e c o u e c t i n ga n d p r o c e s s i n go ft l 】ew e i g h i 玎gs i g n a l h lm ed e s i g no f 由em e c h 枷c a is 仇j c t i l r e ，m e a u t l l o rc o m p a r e ss e v e r a lc u r r e n tc o n t i n u o u sf 的d i l l g s y s t e r n s c h a r a c t 嘶s 石c s ，a n d d e s i g n sm em e c h 觚i c a ls y s t e ma r c l i t e c t i l r e 协b 曲to f 幽ed e m a n df 研t l ep r o j e c t m 吐l e d e s i g i l0 fm eh a r d w a r ec i r c u i t 订1 ea u 也o rs e t sa b o u tc o n l p a r i n ga 堇l dc h o o s i n g e l e c 廿o i l i cc o n l p o n 髓t s 丘r s n y ，a n dt | l e nm a k e sac i r c u i tb o a r d ，d e b u g si t ，矗n a l l yw n t e s ag 髓e r a lc o n 仃o lp r 0 彤吼i i l ef o rt l ep r o j e c lbt i l ep r o c e s so fd 蟛t a ls i g i l a l ，1 e tt h e s i g n a l 吐d u g ht 1 1 ef 取d i g i t a lf i 】t n l e i la r i a l y z ea i l d b u i l dm o d e l st 0g e tm es 0 1 u t i o n f 出m ed ”疵cw e i g h m gs y s t 眦 t h ep a p e re s t a _ b l i s h e daq u a l l t i 谢v e w e i g l l i n gs y s t e mf o r 舯m ym a t e n a lb y d e s i g n i n gs o r w a r ea n dh a r d w a r eb a s e d0 nd s pa n d0 b t a i n e d 由eb e n e rd l s c e m m e i l t r e s u l t s s o ，f o u n d 撕o nw o r k sh a v e b e e ne s t a b l i s h e df o rn l ef a n h e rr e s e a r c h a t m e e n do f t l l i s p a p 吐1 e w o t k so f d e s i g na r es u 砌【i l a r i z e da j l d o u t l i n eo fs o m e i m p r 0 v 锄朋t sa r ep u tf o n a r d 证t 1 e 如m r e k e yw o r d s lq l l a n 廿t a t i v ed 唧p i i i g ；d y n a m i cw e i g h i l l g ；d s p 2 第一章绪论 第一章。绪论 1 1 引言 我国作为一个入口大国，是世界第一大食品生产国。近年来随着人们膳食结 构的调整和饮食习惯的改变，促进了食品加工业的快速发展，需要大量高品质的 包装机械和食品加工机械。未来几年食品和包装机械的需求量将会大幅度增加。 据有关方面预计，到2 0 0 8 年，我国食品机械及包装工业产值将达到4 4 0 亿元， 年均增长率可达1 0 。目前食品机械和包装设备销售势头都比较好。到2 0 0 8 年， 国内市场食品机械和包装设备的总需求应为6 5 0 亿元左右，即每年保持1 2 以 上的增长率才能满足市场需求i l 】。 再次，国外市场对食品包装机械的需求大大增加：世界第二大食品生产国印 度，食品工业规模却相对较小，随着人们生活水平的提高，对精加工食品、快速 方便食品需求增多，因此，对食品包装机械、方便食品加工机械等需求旺盛。而 中国的食品包装机械，虽然质量一般，但由于价格低廉，仍然深受欢迎。除了印 度，阿联酋还非常需要中国的包装机械和食品机械，这里的市场潜力很大，前景 看好。中国产品，尤其是中、小型包装机械和食品加工机械，比较适合阿联酋乃 至整个中东地区的市场需求。究其原因，一是因为阿联酋的包装机械制造业尚未 真正起步，而市场对包装机械需求量却与日俱增。二是阿联酋工业基础薄弱，国 民存在重商轻工观念。这为中国包装和食品加工机械进入阿联酋市场进行产品销 售和生产制造，提供了难得的机遇和巨大的潜在市场【z 】。 国内的大力发展与国际市场的适时开拓与进入，势必给食品包装机械市场带 来更好的利润发展空间。我国的食品和包装机械行业近些年来所取得的成绩是显 著的，但与西方发达国家的产品相比仍存在2 0 年的技术差距。我国现有的一些 包装机械产品技术含量不高，特别是在定量称重环节上，无论是速度还是精麦都 无法与欧美国家的同类产品相抗衡，对我国食品和包装机械行业的整体发展已经 造成了一定的阻碍。因此。在快速自动称量中如何提高动态称量准确度，一直是 包装机械企业急需解决的难题p 】。 1 2 国内外研究动态 国内外生产定量称重包装设备的企业大体可以分为两类，一类是包装机械制 造企业，如我国的华夏包装机械有限公司、仅一包装设备有限公司，德国的w b l f 第一章 绪论 v j r p a c k u n g s 燃c h j n 锄b h 、日本的t o y om a c 咖鼬g 等公司；另一类是衡器 制造企业，如我国的金钟电子衡器股份有限公司、大和衡器有限公司，瑞士的 m e 髓* t o l 甜o 、德国的p 丘即n d t 等公司。国内企业生产的定量称重包装设备大约 速度为1 5 3 0 包分，精度为0 5 f s ，价格大约在1 0 3 0 万元，台；国外企业生 产的定量称重包装设备的速度为3 0 一7 0 包，分，精度为0 4 - o 5 f s ，价格约为 5 0 1 9 0 万元台。仅从纯包装机械的包装速度看，国内生产的包装机的包装速度 与国外生产的包装机的包装速度相比，几乎没有什么差别，国内的多家公司( 如 仅一公司、上海安可公司等) 生产的包装机包装速度可达9 0 1 2 0 包分，国外企 业生产的包装机大体上也是这个水平。可以这么说，目前国内的定量称重包装设 备的速度上不去的关键是在动态称重的速度上，即在保证一定精度要求的前提 下，动态物流定量称重的速度上不去。因而当前国内企业要解决的关键问题是动 态物流高速定量称重，而这也正是国际上一些对定量称重包装颇有研究的著名高 校( 如美国的u i l i v e r s 蚵o fw a s h i n g t o n 、加拿大的m c g i 玎u n i v e r s 蚵、芬兰的 h e l s i n bu n i v e r s 竹o f t k h n 0 1 0 9 y ) 正在追逐的方向一。 随着科学技术的不断发展以及一些新技术的应用，人们为了解决因动态定量 称重而带来的精度问题对相应的定量称重设备的研究和改造也在不断地进行中 情j 。目前市场上的定量称重设备按工作原理可分为两类：电脑组合秤、定量自动 秤： 电脑组合秤又称选择组合衡器，是衡器行业中新近发展起来的一种智能组 合型定量自动包装衡器。它是由多个具有独立的进料出料结构的称重单元组成， 一般电脑组合秤由8 3 2 个称重单元组成。电脑利用排列组合原理将各称重单元 的载荷量进行自动优选组合计算，得出最佳、最接近定量值的组合进行包装。 2 第一章绪论 圈 1 2 。 图1 1电脑组合秤的结构图 如图1 1 所示，一开始物料通过提升式输送机或斗式升降机送到暂存斗，当 物料加到预先设置的水平位置时，置于暂存斗上方的水平光电检测器通过检测发 出信号，使提升输送机构停止进料。进入暂存斗的物料由线振盘送到缓冲料斗， 再由缓冲料斗送至称重料斗进行称量。这些称量斗称量之后把各自的重量数据输 入电脑，由电脑进行巡回检测组合，并根据这些组合电脑从中选出最接近目标重 量值的组合。选中组合的称重料斗内物料由控制机构打开，物料卸下，并通过集 合滑槽到达集料斗，再进入到下面的自动包装机中。这样上述工作反复进行，从 而达到高速、高准确度的定量称重。 电脑组合秤完全不同于只有一个称重斗称重的传统式定量包装秤系统，机构 更为复杂，但它称重速度快、精度高，在欧美国家的市场占有率正在逐年上升。 目前我国该类产品一般主要以进口或外资企业生产为主，价格较为昂贵，用户也 是具有较大生产规模的定量包装企业，未得到广泛普及与应用瑙】。 定量自动秤是传统的自动定量称重设备，在结构上主要是由称量料斗、称 重传感器、供料输送装置以及称重显示控制器等组成。它的一般工作原理为：首 先由供料输送装置将大批散状物料连续地输向称量料斗里，同时称量料斗把当前 所受到的重量信息传递给称重传感器，然后称重传感器将输出信号由称重显示控 制器进行信号测量和处理，然后再反过来控制输送装置，从而形成一个闭环测控 系统，以达到准确的定量称重的目的。定量自动秤一般价格比较便宜、机构简单、 易于维修，目前在我国应用最为广泛。因此，本文主要针对定量自动秤的定量称 重过程控制进行研究。这种装置的缺点就是在速度提高的情况下精度难以得到保 3 第一章绪论 证，这也是本文所要解决的问题的关键所在。 1 3 国内物料称重机械的应用现状及发展方向 9 尽管近年来我国食品的定量称重包装机械行业的自动化水平有了明显的提 高，但是由于在我国此行业的形成仅经过了2 0 年时间，而这2 0 年又是世界先进， 技术发展最快的时期，国外己将很多先进技术应用在定量称重包装机械上，如远 距离遥控技术( 包括监控) 、自适应误差补偿技术、信息处理技术咿1 等。 再者，我国食品和包装机械行业不顾行业发展要求，重复生产那些成本低、 工艺水平比较落后、易于制造的机械产品的现象十分普遍【lo 】。这种低水平重复 现象如果不加以控制，就会造成低水平、低档次的产品不断生产出来，对资源造 成极大浪费；同时大量这类产品充斥市场，供大于求，造成机械市场的混乱，使 合法的知识产权得不到有效的保护，阻碍行业产品的不断升级换代和创新，最终 阻碍社会经济向前发展。 此外，根据不完全统计，以巧克力糖果为例，如果按1 5 0 袋，售价1 5 元， 袋来计。为了保障消费者的合法权益，企业用车间工人人工包装的话平均每袋会 多装2 9 ，而用进口的包装机械则只会多装o 8 9 ，那么每袋就节省1 2 9 ，从而节 省金额o 1 2 元。一台进口的包装机械的包装速度一般可达7 0 袋，分，假如一天开 8 小时，一年有3 0 0 天在运做，那么年产量就为l 0 0 8 万袋，通过计算光原料即 可节省1 2 0 9 6 万元，年。如果以节省劳动力计算，节省的成本就更加可观了“”。 而目前我国许多中小企业却还在用人工称重、人工包装，或是自动称重后再人工 包装，这大大制约了现阶段我国社会劳动生产率的提高，造成了人力资源和物力 资源的巨大浪费。出现这类情况的主要原因是现有的定量称重包装设备要么是称 重过程速度慢( 国内制造) ，要么就是价格高( 国外制造) 。“速度慢”不能满足 一些企业的生产要求，而价格高又使这些中小企业无力购买。当前我国劳动力成 本低使得这些企业暂时得到了一些生存的空间，但从长远来看，这种状况的存在 必然会制约了我国产业的结构升级和技术进步。同时劳动者所得太低，必然导致 整个社会收入结构不合理，进而导致市场和生产结构的扭曲和畸形化，使社会生 产资源得不到合理有效的分配。 随着我国加入wto 步伐的加快，投资和贸易环境不断改善，一个必然趋势 是国际知名称重包装企业将进一步加大在华的投资和生产力度，对我国国内的企 业势必带来定的冲击，因此全面提升我国称重包装制造业的技术含量刻不容 缓。鉴于我国的现状以及考虑到目前出口的对象主要是东南亚、中东及非洲市场， 在未来一段时间里我国定量包装机械制造业应以注重开发快速、成本较低的包装 设备为主，使设备往更小型、更灵活机动、多用途、高效率方向发展1 2 1 。 4 第一章绪论 1 4 项目简介与设计思想概述 1 毛l 课题来源 本文研究的内容来源于浙江省科技计划纵向项目。该项目要求设计并完成包 括物流自动上料、高速动态物流定量称重、物流自动下科包装在内的整个系统装 置；物流定量称重范围为5 0 9 一2 始；称重误差要求小于o 5 f s ；物流定量称重 包装速度大于8 0 一9 0 包，分；系统工作环境温度：1 0 枷；发表研究论文3 5 篇；给出系统的整套设计、制造的技术资料、方案；系统的正常生产制造价格要 求小于1 0 万元。笔者主要负责该系统的硬件部分的设计与控制模块的软件编程 等。 1 4 2 课题研究的主要内容 本课题正是基于以上我国定量称重包装机械的市场情况和发展趋势所提出 的，它利用了数字信号处理器( d s p ) 其独特的结构和快速实现各种数字信号处 理算法的突出优点，对如何提高包装机的速度和精度提出了改进方案。本文为该 项目核心部分的工作，主要是定量称重平台的软硬件设计。其设计基本框架如下 图1 2 所示： 图1 2 系统的原理框图 如图所示，称料斗受到的力大小由称重传感器转换成与之相应的电压信号， 该电压信号经o p 0 7 放大器放大后再a d 转换成离散的数字信号，将此数字信号 送入d s p 进行处理并换算成一个判断值。把判断值和参考值做比较，当达到或 超过时，d s p 停止电磁振动给料器下料，触发料斗开门装置打开排料门卸料，物 料落入包装容器中，完成一个充填周期。 在硬件电路设计上，我查阅了相关电路的英文手册，完成对硬件电路部分的 第一章绪论 调试工作，在设计调试过程中，要兼顾考虑温度和时间等因素变化引起的零漂、 温漂、时漂和失调电压，以及称重传感器、信号放大器和a d 转换器中任何一 个性能不佳对精度和速度产生的影响。因为本项目的称重信号是随时间变化而变 化的，属于动态称重过程。对于动态称重过程要想提高动态计量精度，必须首先 保证数据采集系统的静态精度和稳态性。此外，为了使整个系统具有一定的抗干 扰能力，对采样信号的软、硬件滤波也是一个必不可少的重要环节。 有了好的硬件平台之后，在经过对大量实验数据的分析，运用了数字信号处 理等相关理论，依据信号上升的斜率来对系统的动态误差进行补偿，从而对控制 开关的掐断点进行准确预测，来达到精确计量的目的，这一点也是本次研究工作 的难点以及创新点所在。 综上所述，本课题用d s p 作为动态重量计量测控装置的核心器件，为的是 希望通过在硬件和软件设计中采用一些措施和动态控制方法，能较好地兼顾粒状 物料重量计量精度和速度的矛盾，实现了粒状物料连续生产过程中动态计量的 包装要求，这对改进我国当前粒状物料称重技术，提高企业的生产率、降低企业 的生产成本有积极意义。 1 5 论文的主要工作 本课题是基于d s p 的动态粒状物料定量称重系统的研究，论文的后面主要 章节安排如下： 第二章介绍了机械结构的设计过程，并分析和对比了目前市场上流行的几种 供料机构，阐述了选用电磁振动机构的原因。 第三章阐述了以d s p 为核心的测控系统的硬件电路部分设计，包括a d c 与 d s p 的接口连接和c p l d 完成的相关功能等细节。 第四章介绍了基于d s p 的测控系统的软件设计过程，并对测控系统采来的 数据做了初步的滤波预处理。 第五章通过对实验数据的分析，建立了系统的数学模型，详细分析了各种因 素对最后称重结果的影响，并提出了改进的算法，最后给出了实验结果。 第六章进行了全文的总结以及对不足之处的分析和下一步工作的探讨。 6 第二章定量衬重系统机械结构的设计 第：章定量称重系统机械结构的设计 机械机构是定量称重系统的主要工作机构，其设计得当、性能优劣直接影响 到系统的成本、算法实现的难易以及最后的计量效果。它的主要任务是把待包装 的物料从存料器( 料箱) 中分离出来，按照一定的要求，定量、定向、快速地送 到称重位置【l ” 一 本课题研究的称重对象是颗粒料( 大米) ，其机械结构如图2 1 所示，主要是 由称量料斗、重力传感器与供料输送装置组成。称料斗的容积为物料体积设定量 的1 3 1 4 倍。称重传感器安放在称料斗的下端，其中称料斗的排料门，是在舵 机的作用下打开为排料，关闭为进料和称量。下面将对以上各个部件做详细介绍， 并讨论供料系统设计与选择的实际问题。 图2 1 本项目设计的整体机械结构图 7 第二章定量静重系统机械结构的设计 2 1 料斗的设计 颗粒物料的下落过程主要与料斗形状和倾斜角度有关，料斗形状一般设计成 圆锥形和锲形两大类，本项目所设计的是锲形料斗，其机械设计图见图2 。2 。 图2 2 料斗机械设计图 对于倾斜角度的设计现分析如下： 如图2 3 ，设料斗斜面长度为，倾角为口，细颗粒的质量为m ，其重力为g ， g = ”2 9 ，细颗粒和料斗材料表面的摩擦系数为，则g 1 = g s i n 口，g 2 = g c o s 盯。 摩擦力 。，= g 2 = m g c o s 口 根据牛顿第二定律 g l 一，= m g s i n 口一声研g c o s 口= 打搬 口= ( s i i l 口一c o s 功g ( 2 1 ) ( 2 2 ( 2 3 ) 8 第二室定量静重系统机械结构的设计 得 图2 3 料斗斜面分析 式中，d 为细颗粒沿斜面下滑时的加速度。 若取v b = o ，则 l ：委甜2 ：委( s i n 口一c o s 盯) g r 2 2 2 、 7 。 因为l = d ，c o s 醇 ， 贝o d c o s 口= 去( s i n 口一c o s 口) g f 2 ，2d ( s i n 口c o s 口一c o s ：口) g 设铲肌则c o s 舻南“眦。寿1 + =l + = 式中，工为细颗粒与料斗表面的摩擦角，代入上式化简 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) f 2 ：1 鼍垒_ 一 ( 2 8 ) 【1 + 2s i n ( 2 口一工) 一】g 肚以g 均为常量，要使r 很小，即下料很快，必须使蛳2 口一x ) 极大，即 ( 2 口一工) = 9 0 6( 2 9 ) 9 第二章定量称重系统机械结构的设计 口= 竿粕“+ 半 ( 2 1 0 ) 由此可见，为了使细颗粒能快速滑落至料斗底部，在设计时倾斜角口要大予 4 5 。；。但是另一方面，口不能太大，太大则会使料斗容积变小，若要保持容积不 变，则需增加料斗高度或者进料口的入口面积。增加高度会使机器高度增加，会 加大给料阶段细颗粒冲力对料斗的影响，而加大进料口的面积就会增加整个称量 装置的占地面积，而且在加工过程中容易形成单摆结构，致使负荷测量与传递装 置难以测出准确数据”。为此，按照一般经验来说取口 7 5 。较为适宜。综合考 虑摩擦角，料斗振动，加料方便等因素，取铝。 口 一c t h a 州晒啦卿4 盈6雨亡= 卜等# 4 0 ，t 1 4 图4 l 电路原理图 一二”5 m 嵇e a v m o b 7 c 2 t _ m 鲋 ( j “m l 自 p m 图4 2 工作时序图 如图所示，c l k 是外部1 0 m 时钟在c p l d 内部1 0 0 0 分频后的时钟信号， 用来作为状态机的驱动时钟。基本原理是：程序一开始对玳t d 置”l ”，在不断扫 描过程中当读到有键按下后并去读出该键值，然后对矾1 o 置”o ”，置位相应的键 值给双向口o h d 3 ( 例如，当是3 号键时候h d 3 一 玎) o 为”0 0 1 l ”) ，在下个状 第四童d s p 铡控系统软件设计 态时再把烈t d 重新置”l ”；与之同时d s p 产生中断并去读 玎) o h d 3 口，再转 入相应的子程序中，相应的d l 代码编写如下； 一 一 b 船】哼i e e e ； 二一 u s ei e e e 啾i - l o 百c _ 1 1 6 4 a u ； 、 ， 、 u s e i e s t d j o 垂c - i l l l s i g n e d a 1 1 ； e 埘哆k e y b o 牡di s 4 p o n ( c 0 ，c l ，c 2 ，c 3 ，c l k ：i ns - l o 舀c ； ” ， 一， r 0 ，r 1 也o ，h o j n 仰，h 1 ，1 1 2 ，h 3 ：o u ts 通j o 垂c ) ； e n d ： a r c l l i t e m r e0 n eo fk e v b o a r di s ， ” s i 印a lc o m s t d - l o g i c - v e c 衄( 3d o w n t oo ) ； 聊p es 咖i s ( s o ，s l ，s 2 ，s 3 ) ； +- 、 s i g l l a ln o 、，t l l a t ：s n i l ：= 咄 一s i 印a is 诅t e ：s t a c e s ：= s o ；，一 b e 咖 c o m = 3 & c 2 & c 1 c o ： 。 a a a ：p r o c e s s ( c l l ( ) b e 垂n 。 i fc m = 1 a 玎dc l l ( e v e n tt h e l l ” n o w m = 0 ；r 1 1 f ：r 2 _ l ；r 3 _ l ；i 1 1 t t o h o = 0 ；h 1 = 0 ；1 1 2 = 0 ；h 3 = o ：i i l t c o h o = o ；h 1 = 0 ；h 2 = 。o ；h 3 = 1 徊n o ( = o ；t l l a t = s o ； w h e n ”1 0 1 1 ”= h 0 = o ；h l = o ；b 2 t l ；h 3 ( = 0 ；i i l t c o = 0 ：血a t = s o ： w h e n ”0 1 11 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：h 1 - f l ；h 2 = 1 ：h 3 = o 面t t o = 0 ；t 1 a t b o = 。1 ：h 1 = 1 ；h 2 - 1 ；h 3 = 1 ；i ! l t c 0 i n t 【o = 。l 油a t i n t c o _ 1 ：t h a l j = s o ： e n dc a s e ： e n dc a s e ： e n d p r o c e s s ； ， 第四章d s p 测控系统软件设计 “ 4 1 2 基于凹l d 的舵机控制部分设计 一c p l d 除了用于实现d s p 对外部存储器的控制和键盘扫描之外，还用于产 生控制舵机所需要的p w m 信号，其电路原理图为国4 3 。舵机是本测控系统的 控制机构，用来开关排料门的，它的工作原理：由输入方波( 固定频率为5 0 h z ) 的占空比来确定它开启的角度，主要是一个周期内高电平的宽度从0 5 m s 到 2 5 n l s 对应开启角度从o 。变化到1 8 0 。 图4 3p w m 的控制电路图 在程序中，1 0 m 的时钟信号先被5 0 0 分频，再调制成占空比分别为7 ，2 0 0 和 1 8 2 0 0 的p w m 信号，最后由p 矾c h o o s e 模块对其进行选择切换进而控制排料 门的开关，其p 玳c h 0 0 s e 模块的l 代码编写如下： h b m r y i e e e ； u s ei e e e s t d j o g i c - 1 1 6 4 a n ； u s ei e e e s t d j o g i c - 1 l i l s i g n e d a 1 1 ； 吼n t yp i n c h o o s ei s p 讲( c m 7 ：i i ls t d j o 舀c ； c l k l 8 ：i 1 1s t n l o 毋c ； ：i ns t d _ l o g i c ； c h 0 0 s e ：i i ls t d - j o 酉c ； d o u t ：o u t 吼d l o 垂c ) ； e n d ：， a r c k t e 阻腓o n eo fp i n c h o o s ei s b e 西n p f o c e s s ( ，c 断，绌1 8 ，c h o o 嘞 b e 百n i f n = l ) 吐l e nd o u t = 0 ； e l s i f ( c h o o s 归。0 a l l de n = 。o ) t h e l ld o u t = c n c 7 ： e l s i f ( c h o o s 学l a i l d = o ) l e i ld o u t 3 图5 7 拟合出来的曲线形状 根据上述的控制方案，编成程序嵌到定时中断子程序里去，其流程图如图 5 8 所示。 第五蕈测控方事及实验分析 图5 8 动态称量控制程序流程图 5 4 实验结果分析 最后进行了实验测量，定量下料设定值分别为1 0 0 9 、2 0 0 9 、3 0 0 9 、4 0 0 9 、 5 0 0 9 ( 由于本论文所做的工作只是属于研究的初级阶段，实验用的电磁振动给料 装置和称量料斗偏小，只能满足小剂量称重的研究) ，具体实验数据见表5 5 、表 5 6 、表5 7 。( 注：以下表格标准差是指n 个元素与当前设定值之差的平方和除 以n 一1 再开方。) 第五章铡控方案夏安验分析 设定值l23456 7 标准差最大绝对误差j 1 0 0 9 9 4 31 0 1 61 0 2 5】0 4 81 0 0 71 0 7 11 0 1 14 4 0 5 57 1 2 0 0 9 1 9 6 12 0 6 1 1 9 32 0 7 82 0 2 81 9 8 3 2 0 7 6 0 8 2 6 7 8 3 0 0 9 2 9 8 7 3 0 3 72 9 23 0 7 72 9 8 12 9 5 82 9 359 0 0 88 4 0 0 9 4 0 2 64 0 4 64 0 73 9 6 94 l d 7 53 9 6 44 0 5 55 5 6 7 67 5 5 0 0 9 5 0 05 0 3 25 0 1 75 0 64 9 74 9 2 74 9 5 14 7 5 l7 3 表5 6 称量速度中等时实验数据表( 单位：g ) 设定值l2 34567标准差最大绝对误差 1 0 0 9 1 0 6 81 0 1 49 8 31 0 4 29 9 51 0 6 69 5 94 6 4 3 l6 8 2 0 0 9 2 0 3 71 9 5 82 0 3 32 0 4 71 9 5 72 0 5 51 9 6 94 ，5 2 1 45 5 3 0 0 9 3 0 0 9 3 0 2 63 0 5 62 9 5 73 0 142 9 892 9 5 83 6 1 0 95 6 4 0 0 9 3 9 8 53 9 4 13 9 44 0 4 23 9 6 23 9 9 14 0 24 2 8 0 86 5 0 0 9 5 0 4 44 9 7 75 0 5 i4 9 8 85 0 0 25 0 094 9 7 63 1 2 8 15 1 表5 - 7 称量速度较慢时实验数据表( 单位：g ) 设定值 12 34567标准差最大绝对误差 l o o g 9 7 11 0 43 1 0 0 89 539 471 0 2 69 7 23 7 7 2 553 2 0 0 9 1 9 5 31 9 5 82 0 2 81 9 572 0 381 9 5 52 0 044 1 0 l4 7 3 0 0 9 3 0 4 73 0 32 9 7 12 9 5 53 0 5 62 9 7 12 9 594 4 0 3 256 4 0 0 9 3 9 6 44 0 5 2 4 0 0 73 9 5 94 0 0 74 0 5 64 0 294 0 3 4 256 5 0 0 9 5 0 154 9 7 24 9 8 45 0 4 84 9 5 34 9 64 9 5 24 0 1 74 8 以上实验结果表明，本文提出的通过斜率来预测补偿值的动态称重方法是可 行的。在提高了定量称重的速度的条件下也能保证其准确度，在经过多次重复实 验，定量下料的绝对误差能控制在1 0 9 以内。 5 l 第六童 总结与旺望 第六章总结与展望 综上所述。课题针对机械结构的设计、称重信号的采集与放大、数字信号的 处理进行了深入、细致的研究，在通过大量调研、资料检索、理论分析的基础上， 对现有各种方案、算法进行了比较，并做了相应的m 砒l 曲仿真实验。为了能完 成对数据的实时处理，采用d s p 技术作为实现方案，并根据需求搭建了硬件平 台，进而在大量试验和测试数据分析的基础上，选择了用斜率来预测补偿值的动 态称重方法，并取得了良好的效果，完成了对动态粒状物料定量称重技术的初步 研究。 动态定量称重系统在当今工业生产中有着重要的应用，如何能在提高其称量 速度的条件下保证其精度是定量称重系统需要不断解决的关键问题，也是一大难 点。虽然本文在测控方案的研究上取得了一些成果，为进一步研究作了重要的尝 试和探索工作，但还不够完善。从论文最后所得出的实验数据来看，目前的研究 成果能达到的定量包装秤的准确度等级为x ( 5 ) ，这个指标离项目结题的要求还 有一定的距离。此外，本课题搭建的定量称重的平台是一个应用于实验室环境下 的系统，在工厂较大的环境噪声下，控制的精度能否得到保证还需要实践的检验。 因此，对于想要进一步提高动态称重的精度，以及实现一个工程的实际应用还要 在以下几个方面作进一步的改进： 1 、笔者在研究了大量实验数据后认为当前1 0 9 左右的绝对误差是不可避免 的，这是由于空中料其实是处于整个系统的控制盲区，是无法检测到的，而只凭 借当前a d 所采的样值是不足以更加准确地其进行补偿的。想要进一步提高精 度，笔者认为需要安放更多的传感器去检测出系统的其他参数，例如下落冲击力、 物料流量以及物料的当前高度，结合信息融合技术来解决速度加快而带来的精度 问题。 2 、以目前的工作来说，识别的算法只适用于当前的机械系统，不具有通用 性，因此进一步的开发工作可以围绕自学习控制展开。在新的系统搭建完后采用 自学习控制算法对不同斜率下的补偿值自动进行样值收集，再自我拟合曲线，建 立新系统控制算法的参数。考虑到自学习算法本身的复杂性，在硬件结构上需要 更大的存储空间，而5 4 0 2 所能扩展的存储空间比较小，在实际应用中可考虑5 5 x 系列的d s p 。 3 、对于系统的抗噪声的能力在后期设计需要进一步加强，特别是电磁方面 的干扰。 总结本次论文设计，通过深入地专业理论学习和对信号处理技术、d s p 应用 第六章詹结与展望 技术、微弱信号的检测技术的全面了解，使自己的专业理论水平和实际科研能力 都有了很大提高。尤其是通过机械结构与软硬件电路的设计、试验调试、数据分 析，使自己积累了一定的经验，锻炼了实践技能，提高了解决工程实际问题的能 力，对自己未来从事专业技术工作具有指导意义，同时也为自己今后继续在检测 技术与自动化控制应用领域深入开展研究工作，打下了很好的基础。 中国计量手j 学研究骁硕士掌位论文 参考文献 1 奚英中国食品包装机械业看涨十年 j 】机械制造，2 0 0 6 ，4 4 ( 4 9 8 ) ：7 2 中国食品和包装机械工业协会专家委员会未来十年中国食品和包装机械发 展趋势 m 】北京：轻工业出版社，1 9 9 9 4 3 杜振清国产包装机械还要继续“热身”中国包装机械，2 0 0 3 ，2 5 ( 3 ) ：4 5 卅9 4 彭国勋，刘筱霞国内外包装新技术的发展动向【j 包装