（机械设计及理论专业论文）组合秤组合性能分析及其仿真研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的进步和社会的发展，组合秤在工业生产中应用越来越广泛。 但是在组合秤的研制和应用中，往往没有考虑到各种定量物料之间的特性差异， 一定程度上造成了组合秤称重单元配置的浪费和制造成本的提高，妨碍了组合秤 的进一步应用和推广。 从组合秤的原理出发，对组合数学问题进行概率统计分析，对不同组合方式 的性能进行对比，从理论上分析了影响组合秤合格组合概率的因素：为了研究物 料的加料特性，开发了以p c 为上位机，单片机为下位机构成的组合秤控制实验 系统，系统根据上位机的工作指令，对加料进行控制，对称重传感器进行数据采 集并预处理，处理结果通过r s - 4 8 5 总线传给上位机，由上位机对加料参数的进 行设置和加料性能分析，通过加料试验，得出物料加料特性；根据组合计算模型， 利用v i s u a lb a s i c 开发组合仿真及分析软件，对组合秤组合性能进行仿真分析。 对组合秤组合性能理论分析和仿真研究，结果表明：增加阻尼器、减小加料 目标质量和给料槽上物料厚度等措施可以改善加料性能；针对不同物料的加料性 能，可以找到最佳组合配置和组合计算模型。从而在满足组合准确度和速度的要 求下，最大限度降低组合秤的配置成本，对生产企业和用户具有非常大的经济效 益，有利于组合秤的应用和推广。 关键词：组合秤，单片机，数据采集，电磁振动给料器，仿真 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt i l ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , c o m b i n e dh a l a n t e sa r eu s e dm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e l yi ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n b u t w eh a v en o to f t e nc o n s i d e r e dt h ec h a r a c t e r i s t i cd i f f e r e n c eb e t w e e nv a r i o u sk i n d so f q u a n t i m t i v em a t e r i a li nt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fc o m b i n e db a l a n c e ，h a v e c a u s e dt l l ew a s t eo fd i s p o s i t i o no fw e i g h i n gu n i t so fc o m b i n e db a l a n c ea n de l e v a t i o n o f m a k i n gc o s lh a v eh i n d e r e dt oc o m b i n e dh a l a n c et ot h ef u r t h e ru s ea n dp o p u l a r i z e t h i ss u b j e c ts e t so u tf r o mt h ep r i n c i p l eo f c o m b i n e db a l a n c e ，c a r r yo np r o b a b i l i t y s t a t i s t i c a la n a l y s i st ot h ec o m b i n e dm a t h e m a t i c sq u e s t i o na n dc o m p a r et ot h e p e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tm o d e so fc o m b i n a t i o n , a n a l y z ee a c hf a c t o rt h a ti n f l u e n c e s p r o b a b i l i t yo fe l i g i b l ec o m b i n a t i o no fc o m b i n e db a l a n c ef r o mt h e o r y ；i no r d e rt o s t u d yf e e d i n gc h a r a c t e r i s t i c o fm a t e r i a l s d e v e l o p i n gc o m b i n e db a l a n c ec o n t r o l e x p e r i m e n t a ls y s t e mt h a tr e g a r d sp c a st h eu p p e r - c o m p u t e ra n ds i n g l e - c h i pc o m p u t e r a sl o w e r - e o m p u t e r , t h es y s t e mi sb a s e do nt h ew o r k i n go r d e ro fu p p e r - c o m p u t e rt o c o n t r o lf e e d i n ga n dg a t h e rd a t at ow e i g h i n gs e n s o ra n dp r e t r e a t m e r a 1 1 1 er e s u l ti ss e n t u p p e r - c o m p u t e rt h r o u g hr s - 4 8 5b u s ，t h eu p p e r - c o m p u t e ri su s e dt h ep a r a m e t e r e s t a b l i s h m e n ta n df e e d i n gc h a r a c t e r i s t i ea n a l y s i s ，t h r o u g hf e e d i n ge x p e r i m e n tt o o b t a i nf e e d i n gc h a r a c t e r i s t i co fm a t e r i a l s ；a c c o r d i n gt om o d e lo fc o m b i n a t i o n c a l c u l a t i o n , u s ev i s u a lb a s i ct od e s i g nt h es i m u l a t i o na n da n a l y s i ss o f t w a r et op u tu p c o m b i n a t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i so f c o m b i n e db a l a n c e t h r o u g ht h e o r ya n a l y z i n gt oc o m b i n a t i o np e r f o r m a n c ea n ds t u d y i n gt o s i m u l a t i o n ，t h e r e s u l t i n d i c a t e s ：p u t t i n g f o r w a r dt h em e a s u r eo fi m p r o v i n g p e r f o r m a n c e ，e g i n c r e a s i n gd a m p e r , m i n i s h i n go b j e c tm a s so ff e e d i n ga n dm a t e r i a l t h i n k n e s so nt h ef e e d i n gs l o te t c ；a i m i n ga tf e e d i n g p e r f o r m a n c e o f d i f f e r e n tm a t e r i a l ， m a yf i n dt h eb e s tc o m b i n a t i o nd i s p o s i t i o na n dm o d e io fc o m b i n a t i o nc a l c u l a t i o n t h e nu n d e rm e e t i n gt h ed e m a n d so fa c c u r a c ya n ds p e e d ，t h e b i g g e s tr e d u c i n g d i s p o s i t i o nc o s to ft h ec o m b i n e db a l a n c e ，h a v i n gv e r yg r e a te c o n o m i cb e n e f i t st o m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sa n du s e r s ，h e l p i n gt oc o m b i n e db a l a n c et ou s ea n d p o p u l a r i z e k e yw o r d s ：c o m b i n e db a l a n c e ，s i n g l e - c h i pc o m p u t e r , d a t ac o l l e c t i o n ， e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o nf e e d e r ，s i m u l a t i o n， i l ，j； 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 不保密函 学位论文作者签名：爱陟、之辉指导教师签名：姆易p 弘每年j 2 月i j ) 日州，年，明夕日 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：鼬弓走雄 砖年j 明抽 l j 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 几乎所有的商品在出厂前都要根据不同的要求进行相应的包装，尤其是散状 物料( 如食品、药物等) ，将散状物料分成质量相同的个体并包装后，有利于商 品的流通、储存、运输和使用，还具有可避免或减缓在销售过程中的失效和变质、 防止污染及其它有害影响的优点。可见商品的包装对国民经济的发展以及人民身 体健康、卫生条件的提高都有着深远的影响和意义。 定量称重设备是包装生产线的重要组成部分，据统计，在美国零售市场中， 定量包装商品的销售量占9 5 以上，顾客购买只有不到5 的现场称重商品。在 我国零售市场中定量包装商品的销售量也已经达到7 0 左右。所以定量称重设 备性能的好坏直接决定着整条生产线的功能，而我国在这方面还比较落后，这一 方面是由于我国国情决定的，我国人口众多，在定量称重这道工序以前多用人力， 以解决就业问题。另一方面也和国家和人们的认识程度有关。 对定量称重设备的要求是：既要与包装系统的速度协调一致，又要保证定量 准确度在允许范围内。所以，定量称重设备的技术含量很高，无论是在机械部分 还是在功能控制部分，人们都日益将这两个领域研究的最新成果用于其中，形成 新的机型，用于生产，所以设备价格昂贵，生产厂家利润较高【l l 。从定量原理来 看传统固体物料的定量充填包装主要有两种方式：容积式和称重式。 容积式定量充填是基于容积来计量充填物料的质量，由于不需要称重装置， 结构简单，成本低，充填速度高。但定量充填准确度依赖于物料视比重的稳定性， 受物料松散程度、颗粒大小、均匀程度、吸湿性、溶解性等物理化学性质的影响 较大。目前我国容积式定量充填可以分为两种类型：( 1 ) 控制充填物料的流量或时 间来控制充填容积，如控制电磁振动给料器的振动时间实现定量充填，控制螺旋 充填机的旋转时间实现定量充填等；( 2 ) 用相同的定量容器量取物料来保证充填 容积，如用量杯、量筒或柱塞的定量充填机等【2 】。 称重式定量充填是以称重来计量充填物料的质量，与容积式定量充填相比。 结构复杂，成本高，充填速度慢，但充填准确度高。目前称重式定量充填采用的主 要有机械式杠杆秤、电子秤等；从给料方式来看，有单级给料、多级给料等【3 】。 总的相对而言，流动性好、比重变化小的物料比较容易实现定量。然而对某 江苏大学硕士学位论文 些特殊物料如糖果、牛肉干、小食品等不规则物体的定量包装，由于其个体不可 再分割，质量上的差别又不能以计数的方式来定量，采用传统的定量设备和原理 很难达到要求。既便能够完成定量，却很难实现自动化，且工作速度低，无法与 包装机配套使用。组合定量方式是解决其问题的一个很好的方法之一，它成功的 解决了普通电子称重系统准确度高时速度慢的矛盾，达到称重既快又准的目的。 组合秤就是应用组合定量原理制造的一种定量设备。 目前，在国内外组合秤的研制和应用中，人们往往没有考虑到各种定量物料 之间的特性差异，对于不同的定量物料，都采用尽量增加组合秤称重单元数量的 方法来提高其准确度，这就在一定程度上造成了组合秤称重单元配置的浪费和制 造成本的提高，妨碍了组合秤的进一步应用和推广。 因此本课题研究的目的是在满足物料定量准确度和定量速度的前提下，改善 组合性能，针对不同物料的给料特性，确定组合秤的称重单元总数和组合计算模 型，在尽可能低的配置成本下实现组合定量。 随着人们生活水平的提高，人们对商品各方面的质量要求越来越高，尤其我 国加入w t 0 以后，为了提高我国产品的国际竞争力，在产品的规范上要求和国际 接轨。企业在大批定量包装中都在追求“称平量准”，降低企业包装成本，改善 工人工作环境，所以给组合秤设备带来巨大的发展机遇，其商机无限，前景光明! 本课题的通过对组合秤组合性能的分析与仿真的研究，为组合秤的制造商针 对不同物料的定量，应该选用的最少的称重单元总数以及适合的组合计算模型提 供决策的依据，从而大大降低生产成本，提高了企业的竞争力，具有巨大经济效 益和社会效益，组合定量相关技术研究成果在包装自动化上具有非常大的应用推 广价值和学术价值。 1 2 国内外的研究现状 组合称重技术是国际上8 0 年代中期发展起来的，目前只有日本，德国，美 国，法国，英国等少数几个国家掌握，其中又以日，德实力最为雄厚。如目前称 重单元最多的如德国b o s c h 公司生产的4 5 称重单元组合秤，品种规格最全的 要数日本大和衡器公司8 3 2 称重单元系列化组合秤，它们的电控系统是由著名 的西门子公司和o r m o n ( 立石) 公司研制开发的，据有关资料表明，其称重准 确度达到0 2 ，速度达到1 0 0 包分，但是由于称重单元数目多，机构复杂，价 江苏大学硕士学位论文 格也非常昂贵。 我国还处于研制的起步阶段，有少数单位已经研制出样机，如顺德科迪生产 的多头电脑组合秤，中国正员机械电子有限公司生产的c j s 2 0 0 0 z h l 0 电脑组合 秤等，它们的准确度大约在1 5 9 左右，称重速度在6 0 次分左右，定量准确度、 速度都没有达到应有的水平，与国际先进技术还存在一定的差距。造成我国组合 秤技术落后的原因一方面是由于我国制造工艺技术落后，另一方面是组合计算模 型的建立不当，如在给组合秤各个称重单元加料时采用随机加料的方法，即各个 单元的加料总时间不相同，各个单元物料之间的质量偏差很大，而在组合时，把 所有的情况都进行组合，即组合的单元数依次为1 、2 、3 直到单元总数，显 然前者导致有合格组合的概率降低，影响了组合秤的准确度；后者导致组合计算 量偏大，影响了组合秤的运行速度。 广东工业大学唐志祥对组合秤组合原理进行了初步研究，每次采用固定数目 的单元来组合，从而减小组合运算量，提高组合速度，但是没有考虑到加料时的 各单元物料的质量分布，所以获得的每次有合格组合的概率非常低。其它关于组 合秤理论分析与仿真研究的资料目前还没有i “4 1 。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题研究的内容主要有三个方面： 1 组合秤组合性能理论分析 根据加料质量的分布，通过概率统计的方法从理论上分析在各种组合计算模 型，漏斗总数和物料质量分布下有合格组合概率，得出合格组合概率与加料质量 分布、漏斗总数、组合计算模型的关系。 2 组合秤控制实验系统的硬件和软件的开发 组合秤控制实验系统有上位机( - r 业控制计算机) 和下位机( 单片机) 组成 主从式控制系统。单片机完成电磁振动给料器数字控制以及称重数据的采集和预 处理等，上位机完成对加料时参数的设定以及加料性能分析。硬件开发主要任务 是根据系统要求选择芯片、布线、制作电路板等。实施过程一般分三步：首先， 绘制原理图、布线；然后，生产厂家制作电路板；最后，使用示波器、电压表等 工具测试电路板，检验它是否满足系统设计的要求。软件开发主要任务是根据系 统的功能要求，遵循模块化设计的原则，设计上、下位机的软件。其中，软件调 江苏大学硕士学位论文 试是非常重要的环节之一，一般遵循由点到面、由局部到整体的原则。首先，对 上、下位机的软件按功能模块分别进行模块内调试，通常通过单步跟踪或设置断 点，改正软件设计中存在的错误；然后，借助仿真器并结合硬件进行下位机软件 的调试，检测执行机构能否按照下位机的命令执行相应的动作；最后，通过现场 总线连接上，下位机，进行整个控制系统软件的调试，如上位机能否正确接收到 下位机的信号、下位机能否按上位机的工作命令控制执行机构完成正确的动作 等。 3 组合秤仿真系统的设计及仿真结果分析 利用前面设计的组合秤控制实验系统，对不同的物料进行定量加料试验，根 据试验获得的实际加料时各种物料质量的分布规律，通过计算机使用v i s u a l b a s i c 语言编写程序，对整个组合秤的工作过程进行仿真。然后对仿真结果进行 分析，从而找到影响组合秤有合格组合概率的因素，得出改善性能的措施，使组 合秤在最低配置成本的情况下满足准确度和速度的要求 根据上面所要研究的主要内容，分析在研究过程中的遇到的关键问题，以及 解决的方法和措施如下： 1 组合秤性能理论分析的依据 根据前人的研究结果，给料装置每次加料的质量是呈正态分布的。然后采用 正态分布的概率公式来进行理论推导。 2 电磁振动给料器的性能分析 应用系统动力学和运动学原理，分析电磁振动给料器结构、振动和工作特性， 研究影响电磁振动给料器性能因素，探索提高给料器性能措施，满足组合定量包 装的加料要求。 3 仿真程序中正态分布数组的产生 基于接受拒绝法提出呈正态分布的随机数。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章组合秤组合性能理论分析 2 1 块粒状物品定量的特点和组合定量基本原理 块粒状物品的质量( 即单块或单粒物品的质量) 一般变化很大，使包装定量 严重超差。通常，块重的变化是按正态分布的。 假设a 为物品平均块重，矾为标准差。若包装的目标质量为彳，则每包应该 包装物品的块数为： 挖：一a ( 2 1 ) 口 一般自动电子秤的称量结果同样呈正态分布，并且以包装目标质量彳为平均 值。由于单块物品之间的质量是互不影响的，故含n 块物品包装的标准质量偏差 吒可以按下式计算： 吒= ，z q ( 2 - 2 ) 例如，某商品的平均块重a = 1 0 9 ，最大偏差2 9 ，要求每包装1 0 0 9 ，不允 许质量不足。 首先可取q 为最大偏差的1 3 ，即q = o 6 7 9 。由上述可以知道，每包装入平 均块数为1 0 。用普通电子秤计量的标准偏差为2 1 2 9 ，于是可以知道最大偏差为 6 3 6 9 ，这种称量准确度是很低的。由于不允许质量不足，5 0 少于1 0 0 9 的各次 称量均需要再添一块，最大超重约1 0 9 左右，所以产品的出厂损失是相当严重的。 表2 1 是一些常见物品的块重测量值。 表2 1 常见物品的平均块重和标准偏差 品名平均块重( g )最大偏差( g )标准偏差( g ) 胶质软糖2 o 9o 3 饼干 8士1 5o 5 硬糖6 51 8 0 6 土豆片 4 o 90 3 膨化食品 2 50 9o 3 冻虾 1 7 52 1o 7 此外，由于产品块头形状差异很大，传统电子秤的加料装詈在接到“停止 江苏大学硕士学位论文 加料”信号停止振动后，物料由于惯性，下料不能立即停止，而这部分又无法准 确控制，进一步加大定量误差。 下面是另一种称量方法。用j 把秤同时称量，每把秤称出1 i 的包装目标量， 然后将j 份质量加到一起完成一次包装定量。 假设各把秤的性能相同，即称量结果的统计特征值相同。每份平均质量一， 和平均块数n 1 分别为： a ，= a i疗= n i ( 2 - 3 ) 标准差： 吼= 孚q ( 2 4 ) 加到一起后的标准差：盯= 赫。= 圻1 导，。= 石沾。 ( 2 5 ) y l 这和用一把秤的定量结果完全相同。 但是，如果用更多的性能相同的秤来定量肼包装目标量，然后从中选择i 份组合相加，则可以将最终包装量的偏差仃控制在要求的范围内。例如取i = 4 ， 则每份的标准差为c r 4 。我们选择的偏差在0 + c r 4 和一c r 4 o 之间的质量各两份 相加，则最后偏差必定在一2 c r i + 2 0 4 之间，因此可以将偏差控制在一定的范 围内。 为了明确，举例说明如下：某商品块重为5 9 ，标准差o r 为0 2 9 ，包装目标 质量为l o o g 。用一把秤定量的最大偏差为2 6 8 9 。按上述方法用4 份质量相加， 每份的标准差q = 0 4 5 9 ，故最终的包装误差可以控制在- o 9 9 o 9 9 之间。 选择时，使含正偏差的份量的偏差绝对值大于含负偏差的份量的偏差绝对 值，则可不出现质量不足的现象【渊。 2 2 组合秤工作原理 组合秤是利用组合称重原理制造的一种定量秤，组合秤的工作示意图如图 2 1 所示，通常由8 个或8 个以上的称重单元组成，每个称重单元由加料装置、 贮料斗和称料斗等组成。在称重单元上方的圆周上均布着分离加料器；在称重单 元下方是组合斗和排除斗。组合秤由主控计算机对各加料器、贮料斗和称料斗等 进行协调控制。组合过程是：首先主控计算机从每个称重单元获得被测物料个体 6 江苏大学硕士学位论文 的质量；然后对预设的位置号数按照一定组合定量模型组合计算出质量的组合 值，并检查是否处于目标质量的允许公差范围之内，若是则作为合格组合；最后 从合格组合中选择出一个组合值最接近目标质量的最佳组合( 也有取第一个满足 要求的合格组合，以便节省组合运算时间，提高速度) ，实现散装物料定量【5 羽。 分离加料器 贮料斗 排除斗 图2 1 组合秤工作示意图 2 3 组合秤中影响定量误差和速度因素分析 2 3 1 影响组合秤定量误差因素分析 组合秤影响定量误差因素包括： 1 总称量误差。参与组合的各单元称量误差累加组成总称量误差，一般应 该控制在定量允许误差的二分之一到三分之一以下。 每个单元的称量误差与组合秤机械结构、运动平稳性、抗振动性能、称量数 据采集处理系统性能等因素有关，具体可以分为三类：电子称重误差，包括称重 传感器的误差，称重仪表的误差和秤体重量传递的误差；自动控制误差，包括控 制元件响应的重复性，执行机构动作的重复性；外加干扰误差，包括加料时物料 对料斗的冲击，物料特性的变化，秤体振动的变化等。 每个单元称量误差一般应该控制在定量允许误差的十分之一以下。为了减小 总称量误差，应该优化机械结构，加强隔振措施，如在称重斗和机架之间、在电 磁振动给料器和机架之间加阻尼器。称量数据采集系统主要与称重传感器、放大 滤波电路、a d 转换器等的性能和数据处理的算法等有关，在考虑性价比的基础 上，尽量应用性能教好的称重传感器和芯片。同时，在实际称重中，误差是有参 在组合秤的设计中，为了提高定量速度，一方面提高表2 2 中所列出的一 些因素的性能，另一方面也采用流水线技术，比如在一次组合后投料的同时，下 次加料也同时进行。 8 江苏大学硕士学位论文 2 4 组合秤组合问题的数学描述 假设组合秤中有n 个称重单元，每一个单元称得个体a 的质量为m 。，其中 i = l ，2 ，3 ，n ，它们服从正态分布n ( r t ，0 2 ) ，n 个个体a 可能有的组合为： c n i + c n 2 + + c n n = 2 n 1 ，但是在现实称重中，这其中有些组合很明显不能满足要 求，在上位机处理中，浪费了不必要的时间。为了简化问题，我们假设目标质量 为3 ，则以三个个体组合，记为a 3 ，共有r = c | 1 3 种组合：若假设目标质量为4 “， 则以四个个体组合，记为a 4 ，共有r 。4 种组合；若目标质量在3 1 x 4 1 x 之间， 则以三个或四个个体组合，记为a 3 4 ，共有r - - - - o n 3 + c n 4 种组合。n 个个体a 质量的 集合记为a = m l ，m 2 ，m 3 ，m n ) ，三个个体组合a 3 的质量集合记为 a 3 = m j ，m k ，i n l ) ，四个个体组合a 4 的质量集合记为a 4 = m j ，l i c ，m 1 m h ，则a 3 4 的 质量集合记为a 3 4 = a 3u a 4 ，其q j ，l 【，l ，h = l ，2 ，3 ，扎它们之间互不相等，互相 独立。a 3 组合总质量：m 。砌i 竹n k + m i ，a 4 的组合总质量：m 。= m l + m k + m i + m h ， 所有组合质量的集合为m = m l ，m ，m ， ，其中i = l ，2 ，r 。 假设目标质量为m o ，允许组合误差为九，那么合格组合的下限m i = m 旷4 ， 上限m h = m o 帆，合格组合质量的集合记为m = ( m l ，m 2 , m 3 + m + ，m r ， 其中，若m l - m ，耋m h ，则m 。= m i ，否则m i + = o ，假设m 中的非0 个数即合 格组合个数为p ，即合格组合的概率为p r ，m 。中最接近m 0 的为最佳组合，记 为m ”。 组合过程中，组合性能要求是：( 1 ) 组合速度快，即所有可能组合数r 尽可能 小；( 2 ) 组合合格率高，即p r 尽可能高；( 3 ) 组合的准确度高，即合格组合m + 分 布越集中在目标质量m o 附近，准确度越高。 2 5 组合秤组合性能分析 2 5 1a 3 组合性能分析 三个个体a 3 的质量集合为a 3 = m 。，i i l k ，m 。 ，组合质量m l = m j + n h + m 。服从正态分布 n ( 3 i t ，3 。：) ，贝1 j m , - m o 一( o ，1 ) ，此时m o ：3 “，则合格组合概率为： o - j 、3 州。砒郢m o + ；t ) - p 喏等c r y 乓o - 4 3 ) 盯v jj 2 0 ( 等) 一( 鲁) ( 2 6 ) 9 江苏大学硕士学位论文 其中。( x ) = 而1 f 7 2 西。 若合格组合的概率为p ，非合格组合的概率为卜p ，r 次组合连续非合格组 合的概率为( 卜p ) ，则r 次组合出现合格组合的概率为p = 1 一( 1 一_ p ) 7 。当 取1 、0 5 ，n 取8 ，1 2 ，a = 1 0 ，计算结果如表2 3 所示【9 】。 表2 3a 3 组合性能分析表 n尸 r p 180 0 4 65 60 9 2 8 0 580 0 2 35 6 0 7 2 8 11 20 0 4 62 2 00 9 9 9 9 7 o 51 20 0 2 3 2 2 00 9 9 4 2 5 2a 4 组合性能分析 四个个体a 4 的质量集合为a 4 = m j ，l l k ，i n 。，m s ，组合质量m ；：i i i j + 眦+ i i l - + 服从正 态分布n ( 4 u ，4 ，。z ) ，n m , - m o n ( o ，1 ) ，此时m 0 ：4 l l ，则合格组合概率为： z 口 p 2 1 4 0 - 旯鸠m o 圳= p 芸1 m , - f m o 寺z 仃二口z 盯 = 巾e 毫， 同样若合格组合的概率为p ， ( 2 - 7 ) r 次组合出现合格组合的概率为 尸= 1 - 0 一p ) 7 。当x 取1 ，0 5 ，n 取8 ，1 2 ，o = 1 0 ，计算结果如表2 4 所示【9 】。 表2 4a 4 组合性能分析表 x n尸r p l80 0 3 9 87 00 9 4 2 o 580 0 2 7 00 7 5 7 l1 20 0 3 9 84 9 5卜1 8 6 1 0 o s1 20 0 24 9 51 - 4 5 3 1 0 2 5 3a 3 4 组合性能分析。 a 3 4 的质量集合为a 3 4 = a 3u a 4 ，设目标质量m o = 3 51 1 。 a 3 中合格组合的概率为： 删o - 2 m 州一燃 等等s 等 o 、l j d 叫jo q j 叫骂m c 鼍孑， 浯s ， 1 0 江苏大学硕士学位论文 a 4 中合格组合的概率为： p 2 m o 挑m ，纵删= 芒竽警 芦o据66 ：坼里：兰型) 一虻里兰丝墨) ( 2 9 ) 。2 0j 2 a 其中p = ( 层* f i + p 2 + 吒) 地+ r 2 ) 。日= 1 一( 1 一最) 1 ，昱= l - 0 - e 0 ，r l = c ? ，r 2 = c 4 。 当1 1 = 1 0 0 9 ，x = 1 ，n 分别为8 和1 2 ，o 分别为2 0 9 ，4 0 9 ，计算如表2 5 所示唧。 表2 5a 3 4 组合性能分析表 ， 口 口 只尼p 2 0 9 8 0 0 1 6o 0 1 8 30 6 6 8 4 0 9 80 0 4 9 l0 0 3 2 9o ，9 2 2 0 9 1 20 0 1 6o 0 1 8 3 0 9 9 1 4 0 9 1 20 0 4 9 10 0 3 2 90 9 9 9 9 9 2 5 4 一般情况下组合性能分析 上文具体分析了a 3 、a 4 和a 3 4 三种特殊情况，下面把它推广到般情况。 假设组合秤有n 个称重单元，目标质量为= 1 - i l ，各个单元称的物料质量服从正 态分布n ( p ，o2 ) ，每次有r 个单元组合，共有c n 。种组合，因为各个单元都 互相独立，可以计算出各种组合后的总质量m j 服从正态分布n ( r 耻，ro2 ) ，我 们假设定量允许误差为五，即合格质量要求在( m , - 2 ，m o + 2 ) 范围内，p 为每一 种组合后总质量m 。是合格质量的概率，p ，为一次定量中存在合格组合的概率。 p m o 一2 m 如+ 五) = p 丑m r m o 咒) ：p 弹m j - f r j 毒 ：睥) 一o ( 一 ) 亿1 0 o rd ro ro q rd r 鼽等服从懿分布n ( o ，1 ) ，= 去丘g - t l l 2 d t o r吣上耳 只= l 一( 1 一p ) c ： ( 2 1 1 ) 为了保证组合合格，必须在满足定量允许误差五下，使p ，的值足够大，一 般达到9 8 以上。从公式( 2 i i ) 中可以看出，要提高p ，必须增大c n f 和p 。 1 要增大p ，从公式( 2 1 0 ) 中可以看出，必须尽量减小每次参与组合的 单元数r 和加料装置每次加料质量分布的标准差盯，或者增加定量允许误差范围 五。增加定量允许误差范围a ，将降低定量准确度，这受到定量准确度要求限制。 江苏大学硕士学位论文 同时r 过小时，加料装置给每个单元加料的质量增大，这就使分布的标准差盯同 时增大四。 2 要增大组合的种数c 。，可以增大组合秤的称重单元总数n ，或者增大每 次参与组合的单元数r ( 当r 昙+ l 时) ，这与第一条要求相反。 利用上面推导的公式，假设小米加料标准差c r t = 7 9 ，玉米粉加料标准差 仃2 = 3 9 ，2 = l g 时，分别计算出n 和r 在取不同值时的p - 值，如表2 6 、表2 7 所示。 表2 6 小米各种组合概率分析数据 每次组合单元数r 23456 单元 89 0 4 3 9 7 7 4 9 8 3 1 9 4 6 7 7 3 4 0 总数1 09 7 7 0 9 9 9 7 1 0 0 1 0 0 1 0 0 n 1 29 9 6 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 表2 7 玉米粉各种组合概率分析数据 每次组合单元数r 2345 6 单元 89 9 6 9 9 9 9 9 1 0 0 9 9 9 1 9 5 9 5 总数 1 09 9 9 9 1 0 0 1 0 0 1 0 0 l o o n 从表2 6 和表2 7 中可以看出：方面，在加料标准差相同时，组合秤的称 重单元总数越大，每次参与组合的单元数越多( 当r 兰+ 1 时) ，有合格组合的 z 概率就越大；另一方面，加料时物料质量分布的标准差越小，有合格组合的概率 就越大。因此，对小米进行组合定量，总单元数为8 时，必须每次有4 个单元参 与组合；总单元数为l o 时，必须每次有3 个或3 个以上单元参与组合；总单元 数为l o 以上时，每次组合的单元数可以是2 6 中任意一种。对玉米粉进行组合 定量，可以在总单元数为8 时，每次有3 个或4 个单元参与组合。 在一定条件下，组合准确度与组合合格概率是相互制约的一对矛盾。在组合 合格概率要求一定情况下，组合准确度与组合秤加料装置加料质量分布的标准差 盯、总单元数和每次参与组合的单元数有关：加料质量分布的标准差口越小，总 单元数i i 越大，组合秤组合定量准确度越高；总单元数n 较小时，每次参与组合 江苏大学硕士学位论文 的单元数必须适当。当给出组合定量准确度要求后，尽量减小加料质量分布的标 准差盯，可以适当减少单元总数n ，从而降低组合秤的配置成本。 、 2 6 本章小结 本章主要通过对组合问题的数学描述，运用概率统计的方法分析了称重单元 总数，组合数学模型，加料时物料质量分布对组合秤每次有合格组合概率的影响， 得出加料时，物料质量分布的标准差越小，称重单元总数越多，每次参与组合的 单元数越多( 当r 三+ l 时) ，有合格组合的概率就越大。 江苏大学硕士学位论文 第三章组合秤控制实验系统的硬件设计 上文从理论上分析了组合秤的组合性能，但是在实际工作过程中还有许多因 素不能完全从理论上分析，比如在加料时物料质量的分布。为了获得实际加料时 物料质量的分布以及影响分布的因素，为仿真提供依据，所以必须进行加料试验。 在试验之前，首先开发出实验系统，本章和下一章详细介绍了组合秤控制实验系 统的硬件和软件的开发。 3 1 组合秤控制实验系统总体组成 如图3 1 所示，组合秤控制实验系统主要是由单片机应用系统，工业控制计 算机等组成。 工 i 电磁振动给科器 一醒卜 鱼 业 控 片制 计 臣堆皿， 机 算 机 图3 1 组合秤控制实验系统组成示意图 单片机应用系统主要由放大滤波电路、a d 转换电路、单片机、看门狗复位 电路、电磁振动给料器数字控制电路等组成，负责数据采集和预处理以及控制电 磁振动给料器；工业控制计算机作为上位机，是通讯的发起者和系统的控制中心， 下位机所有的动作均在上位机的操纵下进行，上位机一般选择4 8 6 以上的p c 机， 完成对加料时参数的设定以及加料性能分析。 为了使试验能够尽量接近组合秤实际工作状况。所以在整个实验系统的开发 中，必须把组合秤实际工作的环境考虑在内。 3 2 串行总线设计和r s - 2 3 2 r s 一4 8 5 转换器 计算机通信方式可以分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行 总线和串行总线。并行通信速度快，实时性好，但由于占用的口线多，不适于小 型化产品；而串行总线速率虽低，但在数据通信吞吐量不是很大的微处理电路中 显的更加简易、方便、灵活。 江苏大学硕士学位论文 串行通信是指数据一位一位的按顺序传送的通信方式，它有两种基本的工作 方式：异步传送和同步传送。串行通信的突出优点是只需一根或几根数据传输线， 可大大降低硬件成本。本组合秤控制实验系统上下位机之间的信息传输量不是很 大，实时性要求也不是很高，所以选用异步串行总线。 m c s 5 1 系列单片机的串行口与其它标准串行口一样，输出均为r r l 电平， 这种以t t l 电平的传送数据方式，抗干扰能力差，传输距离短。为了提高串行 通讯的可靠性，增大通讯距离，一般采用标准接口，所谓的标准接口，就是明确 定义若干信号线，使接口电路标准化，通用化。 目前，工业控制领域常用的串行总线有r s 2 3 2 c 、r s - 4 2 2 a 、r s - 4 8 5 等几种 标准，本系统中p c 机与单片机进行串行通讯，并且考虑到组合秤实际工作中条 件恶劣，传输距离长，要求抗干扰能力强，为了在实验中能够模拟现实，所以选 择r s 4 8 5 串行总线，r s - - 4 8 5 集散型控制系统有以下特点 1 0 q 2 】： 1 系统的适应能力强，选用适量的数据采集站，可以构成中小型控制系统 或大规模控制系统； 2 系统的可靠性强，以多个单片机为核心的数据采集系统，如果某个数据 采集站出现故障，只会影响某项数据采集，不会对系统的其它部分造成影响； 3 系统的适时响应性能好； 4 对系统硬件要求不高，采用多机并行处理的工作方式，所以每个单片机 只完成十分有限的数据采集和数据处理任务； 我们都知道，一般的p c 机都具有r s _ 2 3 2 c 接口。r s 2 3 2 c 标准的电器特 性定义了逻辑“l ”和逻辑“0 ”的最高和最低电压，逻辑“1 ”是从- 3 v 到- 2 5 v ， 通常为一1 2 v ；逻辑“0 ”是从+ 3 v 到+ 2 5 v ，通常为+ 1 2 v ，而r s , 4 8 5 的电平则完 全不同，十5 v + 1 2 v 表示“l ”，5 v 一1 2 v 表示“0 ”，显然两者之间要实现通 讯必须要转换电平标准，转换设备可以自行设计，也可以购买产品，市场上的 r s 一2 3 2 r s 4 8 5 转换器的成品很多，如c y a m ，8 5 2 0 、s k 4 8 5 等，本系统选用 武汉关东科技园波士电子公司生产的波士r s - 2 3 2 r s - 4 8 5 转换器【4 3 删。 3 3 单片机应用系统设计 组合秤控制实验系统中单片机应用系统的功能主要分为两个方面：数据采集 和控制。数据采集通道接受称重传感器微弱的电信号，进行放大滤波、a d 转换、 江苏大学硕士学位论文 数据预处理等；控制通道主要指对电磁振动给料器的控制。 称重传感器是信号转换装置，将称重料斗中的物料的质量转换成微弱的模拟 电压信号输出，然后通过仪表放大器将传感器输出的信号放大，放大倍数取决于 a d 转换器的量程和传感器输出信号的比值，a d 转换器是把经过放大的模拟电 压信号转换成数字信号，同时，数据通过单片机的i o 口传输给单片机。单片机 接受数据后，对该数字量进行软件滤波，去皮，标度转换等预处理，并将处理结 果通过t t l r s 4 8 5 电平转换芯片和r s 4 8 5 r s 一2 3 2 转换芯片传输给上位机。 本系统性能要求较高，所以在性价比适合的情况下，尽量选取性能好的芯片。 3 3 1a t 8 9 c 5 2 单片机 a t 8 9 c 5 2 单片机是美国a t m e l 公司推出的一种低功耗、高性能的8 位c o m s 微控制器芯片。该器件采用a t m e l 非易失存储器制造技术制造。与工业标准的 8 0 c 5 1 和8 0 c 5 2 指令集和输出引脚兼容。全部控制程序可存于片内，是一种高效 控制器，采用后可简化硬件设计，提高系统的可靠性，因此本系统采用了这种单 片机做为系统的控制核心。 a t 8 9 c 5 2 具有以下一些标准特性：8 k 字节的闪速可编程可擦除存储器 ( f l a s h ) ，2 5 6 b r a m ，3 2 个i o 口，3 个1 6 位定时器计数器，6 个中断源，两 个中断优先级，一个全双工串行口，片内振荡器和时钟电路。此外，a t 8 9 c 5 2 设 有静态逻辑，可以在低到零频率的条件下工作，支持两种软件可选的省电模式。 在闲置模式下，c p u 停止工作，但r a m 、定时器计数器、串行口和中断系统仍在 工作。在掉电模式下，保存r a m 的内容并且冻结振荡器，禁止所有其他片内控制 单元功能，直到下一个硬件复位为止。 在本系统中，外部中断0 ( i n t 0 ) 、定时器计数器0 ( c t d 、定时器计数 器i ( c t ) 、外部中断1 ( i