（农业机械化工程专业论文）定量秤称重控制系统的研究.pdf

摘要 电子称重技术是集机械、电子、材料、信息、管理为一体的综合技术，是一项系 统工程。定量秤等衡器作为一种新兴的高技术产业而受到世界各国的普遍关注。在 各种衡器中，静态称量的输入值是恒定的、受外界干扰小，而动态称量系统则截然 不同。对于动态称量系统，一方面不同的称量对象产生的信号形式、所受的干扰有 所差别，另一方面称重过程具有时变性、非线性等，所以对动态称量的控制比对静 态称量的控制要复杂困难的多。动态定量称量在国内的技术还不是很成熟，且称重 控制系统是电子秤的核心部分，因此本文就针对定量秤的称重控制系统，采用预测 控制的方法对物料的动态称重过程进行在线控制，并且对称重传感器进行并联连 接，目的是提高称重控制系统的精确度、速度、可靠性和实用性。 本文对整个称重控制系统进行了分析，并根据动态称量的特点，对称重过程实 现多级控制，这样可以同时保证称重速度和精度。在控制方法上，本设计采用先建立 预测模型，再根据预测模型，估计各级控制的切换系数来调整各级进料阀门的开关 时机。本设计的称重控制系统的软硬件设计均采用模块化结构，便于维护和诊断。 除了对控制方法的研究外，本文的研究内容还包括以下几个部分：信号采集、放大、 滤波、a d 转换、数据处理、液晶显示、串行通讯等。为了达到定量秤称量的高速 度和高精度的要求，硬件设计中的每个元器件都是经过严格筛选的。为进一步提高 系统的可靠性和稳定性，本文采用多种方法分别对系统的软硬件进行了抗干扰设 计。电路绘制软件使用的是p r o t e l9 9 s e ，并对画好的电路图在制成p c b 板之前利用 p r o t e o 髑软件进行仿真实验，然后再进行实体实验，这样极大的减少了开发成本， 缩短了研究周期。 根据实验得到的数据，对实验的结果进行了分析，并从各方面对实验误差进行 剖析，从而确定了控制系统的整体设计。 关键词：定量秤，称重控制系统，预测控制，s t c 8 9 ，液晶显示 a b s t r a c t e l e c t r o n i cw e i g h i n gt e c h n o l o g yi s 觚i n t e g r a t i o no fm e c h a n i s m ，e l e c t r o n , m a t e r i a l ， i n f o r m a t i o na n ds u p e r v i s a t i o na n di sa l s oas y s t e m i cp r o j e c t q u a n t i t a t i v es t e e l y a r da n d o t h e rw e i g h i n ga p p a r a t u sg e t 、析d ca t t e n t i o ni nt h ew h o l ew o r l da san e w l yh i g h - t e c h i n d u s t r y i nv a r i o u sw e i g h i n ga p p a r a t u s ，i n p u tv a l u eo fs t a t i cw e i g h i n gi se t e r n a l ，l i t t l e i n t e r f e r e da n dt h e s et ot h ed y n a m i cw e i g h i n ga 陀c o m p l e t e l yd i f f e r e n t f o rd y n a m i c w e i g h i n gs y s t e m , o n es i d e ，s i g n a lf o r ma n dd i s t u r b a n c ew h i c ha p r o d u c e db yd i f f e r e n t w e i g h e do b j e c t sa r ev a r i o u s o nt h eo t h e rh a n d , t h ew e i g h i n gp r o c e s si st i m e - v a r i a n t , n o n - l i n e a r i t ya n de t c s od y n a m i cw e i g h i n g sc o n t r o li sm o r ec o m p l e xa n dd i f f i c u l tt h a n s t a t i cw e i g h i n g sc o n t r 0 1 t h et e c h n o l o g yo fd y n a m i cw e i g h i n ga th o m ei sn o tm a t u r e ，a n d w e i g h i n gc o n t r o ls y s t e mi st h eh a r d c o r eo ft h ee l e c t r o n i cs t e e l y a r d b e c a u s eo ft h e s e ，t h i s p a p e ra d o p t sp r o g n o s t i c a t i n gm e t h o do n - l i n et oc o n t r o lt h ee l e c t r o n i cs t e e l y a r d sd y n a m i c w e i g h i n gp r o c e s s ，a n dp a r a l l e l l yc o n n e c t ss e n s o rt oe i l h r l l e et h ec o n t r o ls y s t e m sp r e c i s i o n , v e l o c i t y ，r e l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yf o rt h es t e e l y a r d sw e i g h i n gc o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e ra n a l y z e st h ew h o l ew e i g h i n gc o n t r o ls y s t e ma n dm a k e sm u l t i l e v e lc o n t r o lt o t h ew e i g h i n gp r o c e s sa c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cw e i g h i n g st r a i t s ，f o rt h ep u r p o s eo f a s s u r i n gw e i g h i n gv e l o c i t ya n dp r e c i s i o n - i nt h ec o n t r o lm e t h o d ，t h i sd e s i g ne s t a b l i s h e s p r o g n o s t i c a t i n gm o d e lf i r s ta n dt h e ne s t i m a t e ss w i t c hq u o t i e t yw h i c hi sb a s e do nt h e p r o g n o s t i c a t i n gm o d e li na l ll e v e l st oa d j u s to n - o f ft i m eo fe n t e r i n gs t a f f sv a l v e t h e c o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h i sd e s i g nb o ma d o p tm o d u l i z a t i o nm a k e u p w h i c hi sc o n v i e n i e n tf o rm a i n t e n a n c ea n dd i a g n o s i s e x c e p tf o rt h es t u d yo nc o n t r o l m e t h o d , t h i sp a p e ra l s or e s e a r c ho nt h ef o l l o w i n gp a r t s ：s i 印m sc o l l e c t i o n , m a g n i f y i n g ， f i l t e r i n g ，a dc o n v e r s i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y , s e r i a lc o m m t m i c a t i o na n d e t c i no r d e rt or e a c hh i g hp r e c i s i o n , e a c hc o m p o n e n ti sf i l t r a t e dr i g o r o u s l y f o rt h es a k eo f h e i g h t e n i n gt h es y s t e m sr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , t h ep a p e ri n t r o d u c e sm u l t i - m e t h o d st o m a k et h ea n t i - j a m m i n gd e s i g nf o rt h eh a r d w a r ea n ds o l - - a r eo ft h es y s t e m t h ed r a w i n g s o f t w a r eu s e di nt h i sd e s i g ni sp r o t e l9 9 s e ，a n dw em a d ei m i t a t ee x p e r i m e n t sb e f o r e e n t i t a t i v ee x p e r i m e n t s i nt h i sw a y , t h er e s e a r c hc o s ti s g r e a t l yr e d u c e da n dt h es t u d y p e r i o di ss h o r t e n e d a c c o r d i n gt ot h ed a t a 舶mt h ee x p e r i m e n t s ，w ea n a l y z et h er e s u l t ，t a k ea p a r tt h e e x p e r i m e n t s e r r o ri nv a r i o u sa s p e c t sa n da s c e r t a i nt h ec o n t r o l l e r sw h o l ed e s i g n k e y w o r d s ：q u a n t i t a t i v es t e e l y a r d , w e i g h i n gc o n t r o ls y s t e m , p r o g n o s t i c a t i n gc o n t r o l ， s t c 8 9 ，l i q u i dd i s p l a y 附图清单 图2 1 控制系统结构4 图2 2 定量秤的工作过程示图6 图2 3 定量秤结构示意图6 图2 4 阀门完全打开状态7 图2 5 中进料状态。7 图2 6 进料状态7 图2 7阀门完全关闭状态7 图2 8 结构原理图8 图2 9 物料输入特性图10 图2 1 0 进料过程曲线图1 1 图2 1 1 设计原理图1 1 图2 1 2 算法实现框图1 4 图3 1 称重控制系统硬件框图1 5 图3 2l 6 d 称重传感器实物图1 6 图3 3l 6 d 传感器内部原理图1 6 图3 - 4 传感器六线制接线图1 8 图3 5t l c 2 6 5 2 内部结构1 9 图3 6t l c 2 6 5 2 外围接线图2 1 图3 7m a x 2 7 5 的内部的二阶有源滤波电路2 2 图3 8巴特沃思低通滤波器的幅频特性曲线2 2 图3 - 9m 垅7 5 外围接线图2 3 图3 1 0a d s l 2 1 6 内部结构图j 2 4 图3 1 la d s l 2 1 6 通讯时序2 4 图3 1 2a d s l 2 1 6 与单片机接线图2 5 图3 1 3s t c 8 9 c 5 8 封装图2 6 图3 1 4s t c 8 9 c 5 8 i m + 外围接线图2 9 图3 1 5s n 7 4 h c 2 4 5 外围接线图3 1 图3 1 6 输入接口原理简图：3 1 图3 - 1 7 输出接口原理简图3 2 图3 1 8 实时时钟电路3 2 图3 1 9o c m j 4 x 1 2 b 外围接线图3 3 图3 - 2 0r s 4 8 5 接口器3 6 v 图3 2 1s n 7 5 l b c l 8 4 引脚排图3 6 图3 2 24 1 s n 7 5 l b c l 8 4 逻辑功图3 6 图3 2 3s n 7 5 l b c l 8 4 的工作理3 7 图3 2 4r s 2 3 2 r s 4 8 5 电平转换电路3 7 图4 1 k e i lc 5 1 集成开发调试界面4 0 图4 2 主程序流程图4 2 图4 3 山d 转换流程图4 3 图4 4 键盘扫描子程序流程图4 4 图4 - 5 液晶显示请求应答流程图4 4 图4 - 6 对模块写汉字时序图4 5 图4 7 “配方设置菜单界面4 7 图4 8 物料称重过程流程图4 8 图5 1 光电隔离5 l 图5 2 变压器隔离5 l 图5 3 继电器隔离5 1 图5 _ 4 一点接地软件5 1 图5 5 看门狗的原理5 2 图6 1l c d 仿真调试界面5 4 图6 2 前1 0 次测量结果5 6 图6 32 0 次测量结果5 6 附表清单 表3 1l 6 d 称重传感器技术参数1 7 表3 2s n 7 4 h c 2 4 5 功能表3 0 表4 1 模块时间参数表4 5 表4 2 各级菜单关系表4 6 表4 3 “系统配置”菜单j 4 7 表6 1l e d 显示数据5 5 v l 独创性声明 本人声明所呈的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽农业大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：盔照盘 签字日期：如8 年占月j fe l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文件，允 许论文被查阅和借阅。本人授权安徽农业大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，收录到中国学位论文全文数据库，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，向社会公众提 供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 。 学位论文作者签名：垂受，盘 签字日期：翮年易月，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通信地址： 指导教师签名 签字日期： 幺 年月 日 电话： 邮编： 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 电子称重技术是从5 0 年代中期深入到衡器的辅助测量装置，6 0 年代初期出现 机电结合式电子衡器后，开始迅速发展起来的- - i j 新兴技术。它是集传感器技术， 微电子技术，计算机技术，测量与控制技术，机器制造与工艺技术，物料输送技术 和管理技术为一体的综合技术，是现代称重计量和控制系统工程的重要技术基础。 应用电子称重技术开发的电子称重系统和电子衡器产品是技术密集型的高技术产 品，有广阔的应用领域和较强的渗透性【l 】。 1 1 1 课题的研究背景 近些年来，由于当代高新技术的纳入，使电子称重技术及应用有了新发展。称 重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特 点从单参数测量向多参数测量发展；系统功能从单纯提供信息到采集信息并计算调 整进而反馈的方向发展。快速称重、低速动态称重和动态称重的研究已为世界各国 所关注。可以说电子称重技术的发展，已成为衡量一个国家科学技术水平和工业发 达程度的重要标志之一，9 0 年代国际电子称重技术及其产品的发展充分证明了这一 点。由于在电子衡器的研究、设计和生产中，纳入了数字信息技术、虚拟测量与控 制技术、称重控制系统与计算机一体化技术、计算机与网络技术，采用了数控加工 中心、数控剪切柔性制造单元、数控等离子、激光切割机，数控折弯机等新技术装 备，在这些高新技术的牵引和推动下，形成了现代称重技术与电子衡器的发展趋 势。概括起来就是：小型化，模块化，集成化，智能化和可组合性，多功能性。 小型化：体积小，高度低，重量轻，即小薄轻。以中小型电子平台秤为例，为 了得到小薄轻的秤体结构，采用了闭剖面方形或矩形截面薄壁盒型段并联焊接结 构。保证了电子平台秤高度低，重量轻，刚度大，性能好。 模块化：对于大型电子秤的承载结构而言，为了提高生产效率，降低成本，有 利安装，便于运输，可批量生产5 、6 、7 米长度的标准模块，根据用户需要采用2 4 个标准模块组合式承载器，既保证了产品的通用性和互换性，又提高了产品可靠 性。数控剪板机和折板机等大型加工设备为承载器的模块化批量生产创造了条件。 集成化：主要是电子衡器的秤体与称重传感器一体化，秤体、称重传感器与称 重控制系统一体化，称重传感器与承力传力限位器一体化。由于衡器企业不断采用 现代制造技术特别是主轴立卧转换、四轴联动的加工中心，为电子衡器的集成打下 了基础。深圳汇银实业有限公司研制生产的称重板型便携式静态电子轮轴秤就是典 型一例，它将秤体与称重传感器合二为一，实现了秤体与称重传感器一体化。此种 类型的集成化在国外发展很快，有多种集成化结构的称重板，已形成一种发展潮 流。此外还有钢轨与称重传感器一体化，秤体处铁路线路一体化的动态电子轨道衡 问世。 智能化：在电子称重系统和电子衡器产品中，纳入数字信息技术、虚拟测量与 控制技术、称重仪表与计算机一体化技术，利用计算机的智能来增加衡器的功能， 使其在原有功能的基础上增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能。 可组合性：在工业称重计量控制过程或工艺流程中，不少称重计量控制系统还 要求具有组合性。即测量范围等可任意设定，硬件能够依据一定的工作条件和环境 作某些调整：软件能按一定的程序进行修改或扩展；输入输出数据与指令可以使用 不同的语言和条形码，并能与外部的控制和数据处理进行通信。也有称重计量控制 系统要求一机多秤，中央集中控制，称重计量信息与非称重计量信息共同处理，实 现网络功能等。 多功能性：随着工业自动化水平的不断提高，在称重计量与控制过程中，除要 求测量控制重量等主要参数外，还要求同时测量控制其它参数，即称重计量控制系 统的复合性，或称多功能性。美国虚拟测量与控制( c ) 公司九十年代研制的 p c 1 0 4 m c 模块，以其标准化的硬件和软件为开发多功能的称重计量控制系统提供 了方便。p c 1 0 4 m c 模块采用了能够用于称重计量和各种控制的即插即用技术的开 放型结构，将其接上显示屏、电源板和仪表外壳以后就是一台多秤显示仪表；将其 插在i s a 总线转换板上即能与计算机结合形成一个功能强大的中央集中控制系统。 同时该m c 模块还可对诸如位置、速度、加速度、流量、温度、扭矩、料位等传感 器的输出信号进行处理和控制，而不需要p l c ，并可用于c a n 总线等多种工厂网 络。 从以上电子衡器的发展不难看出，在世界进入数字和信息时代的今天，高技术 含量的数字信息技术等高新技术将成为电子称重技术和电子衡器产品发展的带动点 和增长点，在快速称重、低速动态称重、自动在线称重和动态称重的研究与应用中 起重要作用。称重控制系统是电子衡器的关键部分，为此应加强电子称重技术、称 重传感器、称重控制系统的基础研究和应用高新技术研究，增加技术储备，提高自 主创新能力。要瞄准世界电子称重技术发展的前沿，结合我国的实际情况和发展战 略，开发适合我国称重市场要求的电子衡器产品【1 1 2 1 。 1 1 2 国内外研究动态 国内从2 0 世纪6 0 年代中期开始研制和生产电子秤，初期为模拟指针式，2 0 世纪 8 0 年代中后期发展成数字式2 0 世纪9 0 年代末至2 1 世纪初已研制开发出微机式产 品。总体来说，目前国内电子衡器的发展水平相当于发达国家2 0 世纪9 0 年代的水 平。少数产品的技术已处于国际领先水平，例如中船重工集团第七0 七研究所研制的 h 队2 0 0 0 动态汽车衡的几项新技术：无开关判别车辆、浅基坑整体秤台和无基坑结 2 构以及防作弊功能。国内电子衡器数量所占比例仅为衡器的6 6 ；品种少，功能不齐 全；关键元器件的稳定性和可靠性与进口产品比较还有差距。发达国家在电子称重 方面，无论从技术水平、品种和规模等方面都达到了较高水平，特别是在准确度、长期 稳定性和可靠性等方面都有了很大的提高。静态商用秤已做到o i m l 规定的3 0 0 0d 最高可做到6 0 0 0d ；在稳定性方面要求1 年内不允许超差；在可靠性方面称重传感 器在正常使用条件下的寿命一般在1 0 年以上，仪表的平均故障间隔时i 闻( m t b f ) 都 超过了2 0 0 0h ，有些产品达到了5 0 0 0h 。工业用电子秤的准确度一般能做到o 1 - - 0 3 左右【3 】。 1 1 3 本课题的研究意义 同其它高技术产业一样，电子衡器产业是国家经济和科学技术竞争的重要阵 地。物料包装计量设备随着电子技术和传感器技术的进步得到了迅速的发展。手工 磅秤计量，定容式转盘计量或机械式计量设备由于准确度低、维修频繁、通讯困难 等原因已不能适应现代工业生产发展的需要。应用微电子技术控制的电子式定量自 动包装秤进行包装的技术改造已给化工、食品、饲料、制药等诸多行业带来了显著 的经济效益和社会效益【4 】。同时，用户对控制器的计量精度和工艺控制要求越来越 高，这使得1 日式称重仪表在计量上存在的缺陷显示了出来。新型称重控制系统是科 研成果转化为商品的重要桥梁，是企业强化竞争力，提高经济效益的主要手段。特别是 当前市场日趋国际化的情况下，采用高新技术正起着越来越重要的作用【5 1 。 1 2 本课题的主要研究内容 本课题是为实现定量秤的定量自动包装而设计的。课题的主要研究内容是设计 并实现一个基于单片机的称重控制系统，该控制系统使得定量秤具有精度高、性能 稳定、液晶屏中文显示、功能强大、操作简便等特点。本课题具体的研究内容有以 下几个方面： ( 1 ) 在对称重控制系统分析的基础上，对称重过程中的控制方法进行研究。 ( 2 ) 系统的整体方案设计。根据系统的功能要求并且考虑产品的性价比，选用合 适的硬件和软件设计方法。 ( 3 ) 系统的硬件设计。主要包括单片机芯片的选型、传感器的选型及信号放大电 路的设计、a d 转换电路的设计、按键的设计、液晶显示模块接口电路设计、串口 通讯电路设计等。 ( 4 ) 系统的软件设计。主要包括数据采样程序设计、数据处理程序设计、按键、 液晶显示、和串口通信程序设计、物料称重控制等。 ( 5 ) 系统的抗干扰设计。 ( 6 ) 仿真、实验及结果的误差分析。 3 第二章称重控制系统的分析和控制方法的研究 2 1 称重控制系统的分析 称重控制系统的分析包括控制系统的结构分析、工作原理、设计原则和实现的 功能特点等。 2 1 1 控制系统的结构 i 传感器运放及滤波嗲加转换b 矧串口通讯 单片机 g = 爿开关量 按键黟 g = 别液晶显示 图2 1 控制系统结构 f 嘻2 - 1t h ef r a m co f t h ec o n l r o ls y s t e m 控制系统的结构主要包括c p u 模块、运放及滤波模块、a d 模数转换模块、按 键模块、液晶显示模块、开关量模块及通讯模块等。其结构示意图如图2 1 所示。 2 1 2 工作原理 控制系统上电后，在称重工作状态下，按键输入密码后，便可进行系统设定和 参数设定。称重时，外部开关量输入运行有效信号，仪表进入运行工作状态。称重 控制系统根据预先设定的参数对秤体进行控制。称重过程中，称重传感器信号经 a d 转换器模数转换后，输入单片机，单片机进行处理和计算，通过显示器显示出 此时物料的称重过程，累计称重值等。当累加后的总重量达到了预设总重量值后， 停止进料，定量秤进入非称重工作状态。继续进行参数设置后，便可进行下一次称 重旧。 2 1 3 设计原则 本控制系统的设计原则主要为智能化、易操作、可靠性强、维护性好等。 智能化：具有推理、判断、自诊断、自适应等功能。仪表的设计应最大程度上 减少人工操作。 易操作：液晶显示界面友好，中文显示。开关量和按键易于操控，对操作人员 无需太多理论知识要求。 可靠性强：首先，在选用硬件中的各元器件时一定要保证它们分别能够满足设 4 计和工作的要求。如工作的时的精确度要求、温度范围、环境的湿度、抗干扰性、 粉尘等。其次，整个系统要保证能在规定的工作环境下安全可靠的工作，并且性能 稳定，不易受外界干扰。 维护性好：软硬件均采用模块化设计，便于以后的维护和诊断。 2 1 4 功能特点 ( 1 ) 1 6 路开关量输入腧出( 8 8 出) ：开关量的输入信号由控制器处理，并 驱动执行机构进行操作。 ( 2 ) 全自动快、慢加料控制：不需要人为干涉就可以完成加料过程。 ( 3 ) 自动落差修正功能：在小投关闭后，由于机械动作的延迟及空中料柱的影 响，还有一部分物料落到秤斗中，这部分物料重量称为落差。由于种种原因，落差 不是稳定不变的。仪表的自动落差修正功能，能够对落差的变化做出补偿。 ( 4 ) 自动零位跟踪功能：在称重过程中，每次的空秤值( 即零点) 是不相同的， 虽然每次的差别很小，但也足已影响到下次的包装重量值。鉴于此，仪器在每包装 一袋后，会自动调节零点基准。自动调节零点基准能在允许的零区范围内对秤斗总 残留的物料进行补偿。 ( 5 ) 过冲检测及抑制功能：当快速加料料速比较大时，容易出现没有慢速加料 过程就卸料，但实际重量并未达到目标值的现象，即过冲现象。这是由于大料流对 秤斗的冲击造成的。为避免过冲现象，在控制参数中设置了禁止比较时间。在禁止 比较定时时间内小投一直有效，而不判别称重值是否大于目标值与落差值的差，从 而避开大料流的冲击在重量上形成的波峰。 ( 6 ) 液晶屏中文显示、人性化菜单，最大程度的方便用户。 ( 7 ) 密码设定功能：便于工作人员的使用，同时也可以防止非工作人员对已设 定配方的修改。 ( 8 ) 具有r s - 4 8 5 通用串行输出接口功能：可方便地与计算机通讯【7 1 。 2 2 控制方法的研究 控制方法的研究是称重控制系统设计的一个重要部分。目前，粉粒状物料称重系 统的称量控制一般采用落差值补偿方法，落差值用以补偿由于外界干扰及机械惯性 等因素所造成的误差，使实际给料的重量满足精度要求。但是，由于调整落差值是在 当次给料进程结束后，而给料进程是不可逆的，对下次进程又仅仅是一个待修正的 值，这样就较难提高称重的精度【8 】。本设计中，采用预测控制方法对落差值在线进 行修正，达到了称量精度和称量速度的要求。 2 2 1 控制对象分析 称重控制系统是为控制定量秤( 定量自动包装机) 的称重过程而设计的。定量秤 即是本设计的控制对象。图2 2 是定量秤的工作过程示意图。 5 田2 - 2 定量秤的工作过程示意图 f i g 2 - 2s k e t c hm a po f t h eq u a n t i t a t i v es c a l e sw o r k i n g 图2 3 是定量秤的结构示意图。 历供料机构 图2 3 定量秤结构示意田 f i g 2 - 3s k e t c hm a po f t h eq u a n t i t a t i v es c a l e ss 岫l c n i 他 称重控制系统是这样控制计量斗迸料口大小的：刚开始计量斗进料口阀门全部 打开( 大投) 。目的是缩短称重周期，提高称量速度。当计量斗内的物料的重量达到 6 设定值的9 0 时，该进料口的租进料口关闭。物料的重量达到设定值的9 5 时，中 进料口关闭。当物料的重量达到设定值的9 8 时，停止进料。剩余的2 由空中落 料补充。细进料的目的是保证称量精度。定量秤计量斗的进料机构的进料过程如图 2 - 3 、2 - 4 、2 - 5 、2 - 6 所示。 瞄2 * 绷进料状固2 4 阀门完全关闭状态 f i g 2 - 6 s m 扩s m i n u t e e a t c r l n gf i g 2 - 7 v a l v e 5 田m p l e t cc i i n g 注：为便于对本论文中的一些概念加以区别，现作如下解释，本解释适用于本 篇论文中所有出现以下名称的词语。 喂料：物料从进料器( 供料机构) 到备料斗。进料：物料从备料斗到计量斗。卸 科：物料从计量斗到包装袋。 供料机构先将物料送入备料斗，物料经由备料斗进入计量斗。设置备料斗的目 的是避免物料直接从供辩结构进入计量斗时产生较大的冲击力，影喃称重精度。计 量斗0 - 7 9 看作一个纯积分单元，对物料流量进行积分而形成物料重量i s 。 ( 一) 控制对象 计量斗的数学模型是： 形( r ) = q ( t ) d t ( 2 1 ) 式中，w ( t ) 为物料重量( k g ) ，q o ) 为物料瞬时流l ( k g s ) 。其初始值为零的拉氏变换 为： 形( j ) = q ( s ) - - ( 2 2 ) 计量斗的迸料口的输入开关信号有四种状态：粗中进料阀门完全打开；粗进料口关闭， 中进料阀门打开；粗中进料阀门都关闭，细进料1 ：3 打开：所有进料阀门关闭。设对应 四种状态的输入值甜( ，) 分别为l ，l ，l ；0 ，l ，l ；0 ，0 ，l ；0 ，0 ，0 。 假定对象是一阶线性的，则粗进料物料运动方程为： 口- ( t ) - - - - a i 丢q l + a 。奶( ，) ( 2 3 ) 中进料物料的运动方程为； “：( ，) = 6 l 丢q 2 0 ) + b o q , ( t ) ( 2 4 ) 细进料物料的运动方程为： 材3 ( ，) = q 面dq 3 0 ) + c o q , ( t ) ( 2 5 ) 式中，口1 、b l 、q 、a o 、b o 、c o 为对象参数。q i ( ，) 、q9 ) 、珐( ，) 为没考虑 扰动时的物料瞬时流量。“。( ，) 、u 2 ( ，) 、甜，( f ) 为输入开关信号。取值为0 、1 。l 、 2 和3 为外加干扰。其结构原理如图2 - 8 所示。 圈2 - 8 结构原理图 f i g 2 - 8f r a m ew o r kc h a t t 8 粗细进料口除口径不同外，其它参数皆相同。因此可以用一个通式方程来表示进 料结构的运动方程。 k , u ，= 口，l ：1 , 4q ( f ) + q o ) ( 2 6 ) 口i 式中，a ”a j o 、毛( f = 1 , 2 ，3 ) 为对象参数。q j ( r ) 为没考虑扰动时的物料流 量。蚝( ，) 为输入信号。 在f = 1 , 2 ，3 的三种情况下假定三个方程中的a 1 、口，。相同，以k j u ，的不同来区别 基本流量值的大小。物料单位质量、粘度、料位等各种因素对流量产生随机扰动， 可将这些噪声统一在积分环节前考虑。其取值仅在有q ( f ) 时才可能。而且它所造成 的波动要具有一定的幅度限制。对于意外情况( 如堵塞等) 将作为故障处理。其初始 值为零的拉氏变换为： 参 q ( s ) = 导一“0 ) + 砖“s ) ( 2 7 ) 口l j 十口i 式中，a 。、a ：、一为对象参数。f ( j ) 为噪声干扰量， 心为噪声幅度系数，q ( s ) 为 包含噪声影响的物料流量嗍。 ( 二) 物料输入特性 各进料口物料输入特性如图2 - 9 所示。 即：当0 t t i 时，巳 e e w 且铭( f ) = 码： 当f lsf 屯时，e 2 p e l 且u ( t ) - - u 2 ； t 2s f t 2 时，e 3 e t 3 时，e - e t k 时， ( 后+ 1 ) = q l y u ( k ) + o t o i y u ( k 一1 ) + p o l 甜( d ( 2 1 3 ) 当乞 g q 时， ( 七+ 1 ) = q 龇( 七) + 一1 ) + 风材( 尼) ( 2 1 4 ) 当岛( 助 口 e l k 时，第k 次模型输出有： y u ( k + 1 ) = a n y u ( k ) + a t o l y u ( k 一1 ) + 磊1 “ ( 2 1 7 ) 计算u q o 从毡跳变到翟2 后的输出值，则有： 1 2 y m ( k ) = a l l y m ( k 一1 ) + l ( 后) + 属l “( 后一1 ) ( 2 1 8 ) 到k + k o 次，有： ( j | + ) 一y u ( k + k o 一1 ) = y m ( k + k o 一1 ) - ( 后+ 一2 ) ( 2 1 9 ) 此时，模型输出变化率达到稳定，即出现中料进料稳定段。 + ) 一( 后) 为“( d 从跳变到“：时的预测模型的输出差值，可得： 血l = y m ( k + k o ) 一y m ( k ) ( 2 2 0 ) 同理，可预测出“( 幼从t l ：跳变到z 1 3 的预测模型的输出差值如( 尼) 及铭( 幼从“， 跳变到0 的预测模型的输出差值即a e 3 ( 动。由h e ( p 、p ：( 后) 与巳( 七) 调整切换系 数e ，e 2 ，e 3 的大小，从而决定控制器输出的下一个控制量材( 七+ 1 ) 。 ( 三) 在线校正 设第七次时， y m ( k ) = q 一1 ) + ( 七一2 ) + , o o u ( k _ 1 ) ( 2 2 1 ) 对于第k 次观测实际值畎尼) 与预测模型及计算值之间的偏差为： 占( 约= y 一y 射 此时，偏差占( 幼包含有两方面的误差因素：一是参数拟合误差， 噪声带来的误差。要使占( 动的平方和最小，即目标函数为： j = 去占2 ( n 铬一 使之最小。 校正系数岛、e 2 、岛的算法实现框图如图2 - 1 2 所示嘲。 ( 2 2 2 ) 二是随机干扰 ( 2 2 3 ) 圈2 - 1 2 算法实现框图 1 4 第三章称重控制系统硬件设计 3 1 控制系统硬件设计框图 本文的主要研究内容集中在定量秤的电子控制部分的设计和研究，整个系统的 框图如图3 1 所示。 图3 - 1 称重控制系统硬件框图 f 远3 - lw e i g h i n gc o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r ed i a g r a m 根据硬件框图，研究内容分为下面三个模块： ( 1 ) 称重控制系统的信号采集部分( 模拟系统模块) 通过调查与研究目前各种定量电子秤的物料流量控制与检测及定量秤所需要实 现的功能，选择合适的称重传感器，把非电信号( 重力) 转换成模拟电信号( 如电压， 电流等) 。利用p r o t e l9 9 s e 软件绘制模拟信号处理及模拟信号转数字信号的电路原 理图，并制成p c b 板。通过制成的p c b 板完成模拟信号采集和模拟信号转数字信号 的实验。 ( 2 ) 称重控制系统的数据处理部分( 数字系统模块) 利用p r o t e l9 9 s e 软件，设计以s t c 8 9 c 5 8 r d + 单片机为中心的数据处理，数据 显示，数据通讯部分。s t c 8 9 c 5 8 r d + 单片机接收a d 芯片转换的数据，通过一定的 数学算法求得能表征物料重量的数据，并送至液晶显示器显示或p c 机存储或处理。 ( 3 ) 称重控制系统的硬件抗干扰设计 控制系统的硬件抗干扰设计主要包括屏蔽、隔离、滤波、接地及设备的合理布 局等。 3 2 称重传感器的选择 传感器是将被测的某一物理量( 或信号) 按一定的规律转换为与其对应的另一种 ( 或同种) 物理量( 或信号) 输出的装置。称重控制系统的物重信号始于称重传感 器，所以传感器的测量精确度及接线形式直接关系到控制系统的性能。称重传感器 主要有两部分组成，第一部分是弹性敏感元件，它将被测物体的压力质量转换为弹 性体的应变值：第二部分是作为传感元件的电阻应变计它将弹性体的应变同步的 转换为电阻值的变化。称重传感器的工作原理是将电阻应变计粘贴在弹性敏感元件 上，然后，以适当的方式组成电桥，从而将物体的质量转换成电信号嘲。 一互每”一一 一 j - 田3 - 2 l 6 d 称t 传路器实锚田 f i g 3 - 2 1 1 l o ”口d r a m g d l m ( + )自( 一 田3 - 3 l 6 d 恃基矗内部原理田 f i g3 - 3t h o s d 啪l a 妇c d l 口枷o f l 6 d 根据设计需要，称重传感器选用的是成都中国一航凯天电子航天股份有限公司 的l 6 d 称重传感器。该传感器是采用铝合金材料制造，硅橡胶密封，表面阳极化， 耐腐蚀性好。l 6 d 称重传感器是一个整体结构，安装使用方便。该传感器可满足 2 5 k g - 5 0 k g 量程范围内多种精度等级的测量。l 6 d 传感器的技术参数如表3 - 1 所 示。 衰3 - 1l 6 d 称重传摩器技术参数 t a b l e3 - it h e t e c h n i c a lp m a m c t e no f l 6 d _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ 最大称量 k g 2 5 ，3 ，5 ，6 ，8 ，1 0 ，1 5 ，2 0 ，3 0 ，3 5 ，4 0 ，5 0 本设计的称重传感器采用并联方