混合式定量称量系统动态特性分析及数字补偿

　　引言

　　在工农业生产中,大量的粉粒状物料需要定量称量包装。传统定量过程采用一边加料一边动态称量方法,称量受到加料冲击振动和滞后的空中物料影响,称量系统数学模型复杂[1～3]。新型混合式定量称量系统分两次定量加料,第一次加料后稳定一定时间再进行称量,称量受到加料冲击振动影响较小,同时没有滞后的空中物料影响,称量系统数学模型相对简单,便于对系统进行动态特性分析和采取措施提高系统动态特性,从而提高称量快速性和准确性。

　　1　系统结构和工作原理

　　1.1　系统结构

　　混合式定量称量系统如图1所示[4～6]。秤盘通过转动支撑座、后支撑板及上支撑板支撑在称量传感器上。通过投料气缸推动,秤盘绕转动支撑座转动,实现定量投料。

　　1.2　工作原理

　　首先,大给料器以一定流量,在一定时间t1内快速往秤盘定量加入目标量m0的大部分m1(简称主加料);稳定一定时间t2后,在时间t3内进行静态称量;其后计算确定剩余的小部分量m2=m0-m1,并将其换算成小给料器加料的时间t4(流量一定),控制小给料器定量加料m2(简称补加料);在时间t5内控制投料气缸,使秤盘向包装机投料,完成一次定量过程,称量传感器信号变化过程如图2所示。

　　从图2分析可知,时间t4由静态称量大小决定,而其它时间均固定不变。提高主加料速度,即减少时间t1,并尽量减少稳定时间t2和称量时间t3,总的时间可缩短,以提高定量速度。在补加料前,称量传感器在恒定载荷(皮质量)下,受到主加料的斜波作用力(加料时间t1很短,可以简化为阶跃作用力),在一定稳定时间后进行静态称量,称量准确度比动态称量高。同时,提高主、补加料稳定性和准确性,减少加料量m1和m2误差,可以提高定量准确度。因此定量关键是提高称量系统动态特性,提高称量信号响应快速性、准确性和稳定性。

　　2　系统动态特性分析

　　称量系统经过简化可以看成单自由度二阶系统,力学模型如图3所示[3,5]。图中,m1为主加料质量,mz为空秤皮质量f(t)为t1时间内主加料冲击力,与单位时间内物料下落量和物料下落到秤盘速度有关,物料下落速度由大给料器的高度决定。在高度较小、时间t1很短情况下,将f(t)作用近似为一阶跃函数m1g1(t),k为称量系统等效弹性系数,c为称量系统等效阻尼系数,x(t)为称量系统位移量,设主加料前x(0)=0。

　　根据动力学分析,运动方程为

　　式(1)是表示位移x(t)和主加料质量m11(t)关系模型。由于位移x(t)与微机通过模数转换器A/D采集的数字量序列x(i)成正比,因此式(1)也是x(i)与主加料质量m11(t)的关系模型。