配料秤称重准确度补偿算法研究

　　在饲料、水泥、冶金、化工、建筑等行业中, 配料是生产过程中的重要环节。配料秤的准确程度最终决定产品的质量, 特别是在水泥、建筑行业中, 由于配料不准产生的质量问题往往会导致非常严重的后果, 所以国家对混凝土配料秤的相关技术指标有强制性的规定, 要求其静态称量准确度保证在1%, 动态称量准确度能够保证在5%。

　　由于配料秤的非线性时变特性以及配料生产中恶劣的现场环境造成了配料秤的输出不准。本文对此进行探讨和研究。

　　一、配料秤的动态补偿方法

　　1.动力学方程

　　配料秤的力学模型如图1所示, 由此得出动力学方程为:

式(1)反映了位移x与重量G(t) 的关系, x与送到计算机的电压信号U(t) 成正比, 因此, 式(1) 也是电压U(t) 与重量G(t)的关系模型。由式(1)可知, 系统是一个非线性时变系统, 当系统质量不变时, 它是典型的二阶线性系统。可以在样机的秤体空载时做建模实验, 取得相应的秤体空载时的响应曲线, 从而得到系统空载时的固有频率和系统阻尼。

　　2. 称重系统的动态补偿原理

　　由于称重系统是一个非线性时变系统, 本文采用分段线性化的方法进行分析。在很小的时间段内可认为物料质量m(t) 不变, 令M=m+m(t); 冲击力F(t) 是重量的一部分, 令G′=G(t)+F(t), 这样系统就变为一个二阶的线性系统, 使用二阶线性系统的补偿方法进行补偿, 最后根据非线性系统的实际状况动态地调整补偿的参数, 实现称重系统的动态补偿, 如图2所示。

　　3.线性系统的补偿方法

　　在分段线性化的情况下, 式(1)变为:

　　这样, 称重部分变成一个典型的二阶线性系统。系统的阻尼一般称重系统的阻尼ξ很小, 系统动态品质不好, 是产生称重误差的重要原因。于是有必要在系统中加串联补偿环节,使系统的阻尼比增加到最佳阻尼比, 使ξ=0.707。设称重系统的传递函数是Φ(s), 希望的传递函数为Φ′(s), 串联补偿环节传递函数为H(s)。

　　对式(1)进行拉氏变换, 得到称重系统的传递函数:

　　由于系统采用微型计算机控制, 有必要将式(4) 从s域变到z域, 对它做双线性变换得:

　　4.动态补偿的实现

　　在一次称重的时间段内, 物料下落在秤体上的质量不断增加, 系统的模型随m( t) 改变而不断改变它的极点。如图 3所示, 补偿环节H( z) 要保证系统始终是最佳二阶系统, 也应跟随系统动态模型不断调整自己的零点, 与系统的极点相抵消, 达到动态补偿的目的,H( z) 的系数将随m( k) 不断变化。补偿后的输出值可以认为反映了真实的重量值, 仅差比例系数h, 用hm( k)代替m( k) 不断地修正补偿环节的零点以实现动态的补偿。