廖雪超，劉振興，廖生偉

（1.武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430081；3.武鋼熱軋總廠中厚板分廠，湖北武漢 430065）

基于兩級(jí)下料和動(dòng)態(tài)修正的配料稱量控制模型

廖雪超1，劉振興2，廖生偉3

（1.武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430081；3.武鋼熱軋總廠中厚板分廠，湖北武漢 430065）

介紹了自動(dòng)配料稱量系統(tǒng)的工藝流程和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為了提高系統(tǒng)的生產(chǎn)速度和配料精度，設(shè)計(jì)了高/低速下料+點(diǎn)動(dòng)下料的兩級(jí)下料控制方式，并采用點(diǎn)動(dòng)下料方式對(duì)低速下料進(jìn)行誤差精確補(bǔ)償。針對(duì)物料在空中的“落差”不易控制，容易產(chǎn)生超差的問(wèn)題，每次下料結(jié)束后，對(duì)兩級(jí)下料模型和提前量采用迭代方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，并采用二階預(yù)估器對(duì)目標(biāo)值進(jìn)行預(yù)估。既提高了下料速度，又保證了稱量的精度。

自動(dòng)配料稱量；點(diǎn)動(dòng)下料；動(dòng)態(tài)修正；提前量

1 引言

自動(dòng)配料稱量系統(tǒng)是精細(xì)化工廠生產(chǎn)工藝過(guò)程中一道非常重要的工序，配料稱量的速度和精度對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的效率和產(chǎn)品質(zhì)量舉足輕重。自動(dòng)配料控制過(guò)程是一個(gè)多輸入、多輸出系統(tǒng)，各條配料輸送線按照事先設(shè)定的配方比協(xié)調(diào)控制，控制系統(tǒng)需對(duì)料位、流量及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)采用高/低速下料+點(diǎn)動(dòng)下料的兩級(jí)下料控制方式，并對(duì)每次下料的過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，在保證稱量精度的前提下，提高下料的速度。

2 系統(tǒng)工藝流程及控制原理

本系統(tǒng)主要由8個(gè)大倉(cāng)、10個(gè)小倉(cāng)、8個(gè)液體倉(cāng)、1個(gè)人工添加倉(cāng)、4臺(tái)稱重斗和稱重儀W1—W4、3個(gè)下料振動(dòng)篩B1—B3、3個(gè)振動(dòng)篩驅(qū)動(dòng)M1—M3、混合機(jī)M5和輸送機(jī)M6組成（如圖1所示）。

系統(tǒng)首先根據(jù)當(dāng)前生產(chǎn)的飼料成分要求，選擇添加的輔料種類并計(jì)算各個(gè)料倉(cāng)所需的物料重量，經(jīng)操作人員確認(rèn)后開(kāi)始運(yùn)行。大倉(cāng)、小倉(cāng)人工添加倉(cāng)和液體倉(cāng)根據(jù)各倉(cāng)配方設(shè)定值，依配料設(shè)定順序打開(kāi)電磁振動(dòng)給料器（振動(dòng)速度的快慢與下料速度成正比），將固體料投放至稱重斗進(jìn)行稱重，當(dāng)稱重斗中物料重量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，振動(dòng)給料器停止振動(dòng)，依次進(jìn)行下一料倉(cāng)的給料稱重工作。當(dāng)所有料倉(cāng)稱重完成后，由振動(dòng)篩M1，M2和M4將各自稱重斗內(nèi)的固體料投放至混合機(jī)內(nèi)進(jìn)行一次攪拌，攪拌過(guò)程中，液體倉(cāng)振動(dòng)篩M3再將液體料投放至混合機(jī)內(nèi)進(jìn)行二次攪拌。最后，由輸送機(jī)將攪拌均勻的飼料送出，完成自動(dòng)配料過(guò)程［1］。

圖1 控制系統(tǒng)工藝圖Fig.1 Control system process

料倉(cāng)底部裝有振動(dòng)給料器，開(kāi)始稱量時(shí)，啟動(dòng)振動(dòng)給料器，物料即從料倉(cāng)下落到稱重斗。由于料倉(cāng)底部與稱重斗之間有一定的距離，則振動(dòng)給料器在開(kāi)始給料后，物料會(huì)在空中經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才落入稱重斗，稱重斗內(nèi)物料重量才會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)振動(dòng)給料器停止下料時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延遲，空中余料才會(huì)全部落入稱重斗，稱重斗內(nèi)物料重量達(dá)到穩(wěn)定值。這種因物料滯后而產(chǎn)生的超差，稱為“下料落差”［2］。此外，由于物料形狀不規(guī)則，粒徑差異較大，加上生產(chǎn)過(guò)程中不定期的向料倉(cāng)加料，使得料倉(cāng)的料位變化不定，因此，每一瞬間物料流的流速隨機(jī)變化，使每次下料因“下料落差”所造成的物料稱量偏差都不相同。這種由于料位變化和落差引起的稱量偏差，須設(shè)計(jì)專門(mén)的配料稱量修正模型，在稱量臨近結(jié)束時(shí)，根據(jù)“下料落差”預(yù)估計(jì)算“提前量”，在稱量到達(dá)提前量時(shí)停止下料，利用停機(jī)前的慣性使“當(dāng)前稱量值+預(yù)估提前量=目標(biāo)稱量值”，將下料誤差控制在目標(biāo)±閾值之內(nèi)。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和控制原理

系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC、稱重儀和變頻器組成一個(gè)3級(jí)計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)（如圖2所示），PLC通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接變頻器，通過(guò)RS232串行通信方式連接稱重儀表。在自動(dòng)配料生產(chǎn)工藝過(guò)程中.將大倉(cāng)主料與小倉(cāng)輔料以及人工料、液體料按一定比例配合，由稱重斗完成對(duì)物料的計(jì)量。PLC主要承擔(dān)對(duì)輸送設(shè)備、秤量過(guò)程、攪拌過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并完成對(duì)系統(tǒng)故障檢測(cè)、顯示及報(bào)警，同時(shí)向變頻器輸出信號(hào)調(diào)節(jié)皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速的作用。

圖2 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Control system hardware structure

為實(shí)現(xiàn)配料過(guò)程的快速高效稱量，稱量開(kāi)始時(shí)，PLC給變頻器一個(gè)高速信號(hào)，驅(qū)動(dòng)振動(dòng)給料器高速下料；在稱量值接近目標(biāo)值時(shí)，PLC給變頻器一個(gè)低速信號(hào)，驅(qū)動(dòng)給料器低速下料；在稱量值到達(dá)“提前量”時(shí)，PLC輸出給變頻器一個(gè)停止信號(hào)，利用停機(jī)前的慣性使稱量值逼近目標(biāo)值。系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制原理框圖Fig.3 System control theory diagram

4 自動(dòng)配料控制模型

配料稱量的時(shí)間和稱量精度是一對(duì)矛盾量［3］，要保證較高的稱量精度，須采用較低的下料速度，造成給料過(guò)程時(shí)間比較長(zhǎng)，這樣是以犧牲時(shí)間來(lái)保證精度的方式，生產(chǎn)效率較低。而提高下料速度時(shí)，在較短的稱量時(shí)間時(shí)，物料在空中的“落差”不易控制，容易產(chǎn)生超差，影響稱量精度［4］。

為實(shí)現(xiàn)配料稱量過(guò)程的快速、精確控制。系統(tǒng)采用兩級(jí)速度控制下料。在開(kāi)始稱量時(shí)，采用高速v2進(jìn)行快速給料，在物料接近目標(biāo)值時(shí)，采用低速v1進(jìn)行給料，最終靠控制模型計(jì)算空中落差及預(yù)關(guān)門(mén)時(shí)間，以保證稱量精度。對(duì)于以上控制方式，影響下料稱量效果的有如下兩個(gè)因素：高/低速下料的轉(zhuǎn)換和每次下料落差的預(yù)估計(jì)。由于每次下料時(shí)，料倉(cāng)內(nèi)的料位、物料形狀等情況都不盡相同，則提前量的預(yù)估值須根據(jù)每次下料的情況進(jìn)行修正，高/低速下料的轉(zhuǎn)換點(diǎn)也需根據(jù)本次的下料重量、提前量等情況進(jìn)行修正，否則會(huì)在多次稱量后造成累計(jì)誤差。因此，系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)如下2個(gè)下料控制模型來(lái)進(jìn)行控制。

4.1 高/低速下料控制模型

高/低速下料控制模型如圖4所示，模型控制目標(biāo)是：經(jīng)過(guò)高/低速下料操作后，實(shí)際重量在下料目標(biāo)閾值r1和r2范圍之內(nèi)。

圖4 高/低速下料控制模型Fig.4 High/slow dosing control model

表1列出了控制模型的幾個(gè)時(shí)間階段和每個(gè)階段的實(shí)時(shí)稱量值。

表1 控制模型的4個(gè)階段Tab.1 The four stage of high/low speed dosing control model

料倉(cāng)下料時(shí)，當(dāng)稱重值到達(dá)P1前先進(jìn)行高速振動(dòng)下料（速度v2），然后速度以線性方式從v2降為v1，線性斜率由時(shí)間t2—t1定義。此后進(jìn)入低速振動(dòng)下料（速度v1），當(dāng)稱量值到達(dá)P2時(shí)，停止下料。此后，由于“下料落差”的原因，稱重斗上的稱量值會(huì)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才穩(wěn)定，系統(tǒng)會(huì)記錄該下料穩(wěn)定時(shí)間t4和下料實(shí)際值WR，以此來(lái)修正“提前量”。此外，為了消除提前量造成的累計(jì)誤差，系統(tǒng)在每個(gè)料倉(cāng)下料完成后，系統(tǒng)都會(huì)針對(duì)該料倉(cāng)實(shí)時(shí)計(jì)算參數(shù)高/低速切換重量差值（提前量1）ΔW1和下料停止-穩(wěn)定重量差值（提前量2）ΔW2，然后據(jù)此計(jì)算下一次高/低速切換點(diǎn)P1和下料停止點(diǎn)P2。

4.2 點(diǎn)動(dòng)下料控制模型

如果采用高/低速下料方式控制后，該料倉(cāng)的實(shí)際稱量值仍沒(méi)有達(dá)到稱量目標(biāo)閾值，則進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)下料控制模型（如圖5所示）。

圖5 點(diǎn)動(dòng)下料控制模型Fig.5 Inching dosing control model

圖5中參數(shù)：t6為點(diǎn)動(dòng)脈沖時(shí)長(zhǎng)，t3為點(diǎn)動(dòng)調(diào)整時(shí)長(zhǎng)，r1，r2為重量目標(biāo)閾值（-），（+），W2為下料停止-穩(wěn)定重量差值，v1為低速下料速度，c1為點(diǎn)動(dòng)下料次數(shù)最大值（一般取：c1＝3）。

點(diǎn)動(dòng)下料控制過(guò)程由如下3步組成：?jiǎn)?dòng)低速下料（速度v1），時(shí)間長(zhǎng)度t6；停止低速下料，時(shí)間長(zhǎng)度t3；計(jì)算稱量值WR，如果WR＜r1，則重復(fù)以上點(diǎn)動(dòng)下料過(guò)程，且重復(fù)點(diǎn)動(dòng)次數(shù)≤c1。

5 提前量動(dòng)態(tài)修正模型

5.1 模型動(dòng)態(tài)修正

為實(shí)現(xiàn)下料過(guò)程的精確控制，消除提前量引起的累計(jì)誤差，系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析每次稱量過(guò)程中偏差的變化情況，在每次下料后對(duì)P1和P2進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。

第N次下料時(shí)：稱量誤差為

式（3）為本次稱量誤差的定義；式（4）為本次目標(biāo)值的定義；式（5）和式（6）為本次提前量的定義，如果上次的誤差率ΔU(N-1)越大，則本次設(shè)置的提前量就應(yīng)減小。由式（5）和式（6）計(jì)算本次的P1（N）和P2（N）：

上述方法在PLC中采用迭代方式實(shí)現(xiàn)，在目標(biāo)值較大時(shí)（WP＞30 kg），控制效果較好。

如果WP較小，則式（1）中的ΔE（N）較小，誤差率ΔU（N）不明顯，實(shí)際值WR(N)與目標(biāo)值WT(N)比較接近，但多次下料后的累計(jì)誤差會(huì)有較大波動(dòng)。欲使WR（N）=WT（N），采用以下迭代算法對(duì)ΔW2（N）進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正（ΔW1（N）的修正方法與此方法類似）。

根據(jù)以上迭代算法，在每次下料結(jié)束后，利用本批次的提前量ΔW2（N）來(lái)遞推計(jì)算下一批次的提前量ΔW2（N+1），經(jīng)過(guò)若干批次下料稱量后，可實(shí)現(xiàn)稱量提前量的準(zhǔn)確估計(jì)，從而提高稱量的精度。

5.2 目標(biāo)值二階預(yù)估器的設(shè)計(jì)

本下料控制模型的控制對(duì)象是精細(xì)化飼料配料系統(tǒng)，料倉(cāng)稱量值小，下料速度快和停止穩(wěn)定過(guò)程短。為提高模型算法對(duì)精細(xì)化控制對(duì)象的適應(yīng)性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用如下二階預(yù)估器模型對(duì)稱量實(shí)際值WR（N）進(jìn)行預(yù)估：

式中：WR（N+1）是第N+1次實(shí)際稱量值；WT（N）是第N次稱量設(shè)定值；ω（N）是參數(shù)向量；XT是數(shù)據(jù)向量的轉(zhuǎn)置。

本系統(tǒng)二階預(yù)估器的設(shè)計(jì)目的是選取合適的WT（N），使下一次稱量誤差的指標(biāo)最?。?/p>

根據(jù)自校正原理，得出如下控制方程：

對(duì)于向量ω(N)，采用最小二乘法進(jìn)行遞推估計(jì)；參數(shù)b0可以在初始計(jì)算時(shí)一次性選取。則參數(shù)向量ω(N)的遞推估計(jì)方程如下：

式中：K（N+1）為增益矩陣；δ(N)為修正項(xiàng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)二階預(yù)估，則取n=2。

6 實(shí)際應(yīng)用結(jié)果

本文采用高/低速下料控制模型實(shí)現(xiàn)配料稱量的精確控制：高速下料時(shí)，使物料重量接近目標(biāo)值；低速下料時(shí)，實(shí)現(xiàn)配料稱量的精確控制。并采用點(diǎn)動(dòng)下料方式對(duì)低速下料稱量精度進(jìn)行補(bǔ)償。每次下料結(jié)束后，對(duì)下一次的提前量ΔW1（N）和ΔW2（N）進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，并采用二階預(yù)估器對(duì)目標(biāo)值WT（N）進(jìn)行預(yù)估。本控制算法已在某精細(xì)化配料稱量系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用，表2為系統(tǒng)對(duì)某料倉(cāng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制（工藝給定值為40 kg）的過(guò)程數(shù)據(jù)。采用新算法之前，一次稱量完畢需要約5 min 20 s，連續(xù)多次稱量后的物料精度誤差已達(dá)到±0.12 kg，隨著次數(shù)增多，累積誤差越來(lái)越大；采用新算法之后，一次稱量完畢3種物料控制在4 min 30 s以內(nèi)。

表2 連續(xù)稱量20次的過(guò)程數(shù)據(jù)Tab.2 The process data of continuous 20 batches

從圖6中誤差和提前量變化趨勢(shì)可知，連續(xù)20次稱量后的稱量精度可控制在接近±0.01 kg，而且稱量次數(shù)的增多并不會(huì)對(duì)累計(jì)誤差和提前量造成影響。

圖6 連續(xù)稱量20次的誤差和提前量變化趨勢(shì)圖Fig.6 Trend graph of error and preact of continuous 20 batches

7 結(jié)論

新算法有效地調(diào)和了稱量速度和精度的矛盾，完全滿足了整個(gè)工藝的生產(chǎn)需要。并且，本控制模型設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)配料稱量過(guò)程的快速、精確控制，具有很好的控制性和可靠性。

［1］ 宋樂(lè)鵬.基于PLC帶自修正因子模糊控制自動(dòng)配料系統(tǒng)研究［J］.電氣傳動(dòng)，2008，38（8）：72-74.

［2］ 宋輝，方宗達(dá).自動(dòng)配料控制系統(tǒng)的稱量問(wèn)題［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2003（2）：23-24.

［3］ 張慶彬，畢麗紅，王鑄.工業(yè)自動(dòng)配料系統(tǒng)的精度分析［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2005，24（5）：79-81.

［4］ 劉超，白玲，劉峰.飼料配料平滑自適應(yīng)誤差補(bǔ)償模型及應(yīng)用［J］.飼料工業(yè)，2010，31（21）：1-3.

修改稿日期：2013-12-15

Automatic Batch Weighing Control Model Based on Two Levels Dosing and Dynamic Correcting

LIAO Xue-chao1，LIU Zhen-xing2，LIAO Sheng-wei3
（1.Computer Science&Technology Institute，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan430081，Hubei，China；2.School of Information Science and Engineering，Wuhan University of Science and
Technology，Wuhan430081，Hubei，China；3.The WISCO Plate Rolling Plant，Wuhan430065，Hubei，China）

The process flow and system structure of automatic batch weighting system were presented.In order to increase production speed and dosing accuracy，designed the two-level dosing control mode（high/low speed dosing+inching dosing）.Besides，the inching dosing mode was adopted to accurately compensate the weight deviation.In order to solve the problem that the fall of materials in-air cannot be easily controlled and out of tolerance.The two-level dosing control model and preact will correct after each dosing dynamically with iteration method，moreover，the target value is predicted with second-order prediction，so as to increase the dosing speed with high weighting accuracy.

automatic batch weighing；inching dosing；dynamic correcting；preact

TM921.5

B

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61100055）

廖雪超（1979-），男，研究生，講師，Email：Liaoxuechao2008@sina.com

2013-08-07