一種基于多階段控制的配料稱重控制方法
【專利摘要】本發明提出了一種基于多階段控制的配料稱重控制方法，屬于稱重【技術領域】。該方法將配料稱重過程劃分為三個階段，并采用不同的控制方式進行控制，具體過程如下：第一階段：快速給料階段，當實際下料量小于或等于第一階段重量值時，對任何物料都以同一恒定最大速度進行快速配料；第二階段：精確稱量階段，采用常規PID控制器進行控制；第三階段：預測落差階段，采用迭代學習控制方式進行控制，計算給出的關閉提前控制量，并相應地調節給料速度。本發明較好的解決了物料配料稱重速度與精度相互矛盾的問題，同時本發明不依賴于料倉的料位變化和物料比重的隨機變化等，具有物料配料稱重速度快、精度高等優點。
【專利說明】一種基于多階段控制的配料稱重控制方法【技術領域】
[0001]本發明屬于稱重【技術領域】，具體涉及一種基于多階段控制的配料稱重控制方法?！颈尘凹夹g】
[0002]在建材、水泥、冶金、醫藥、化工等行業中，都需對原料進行稱重配料，因此稱重配料是以上行業生產過程的必不可少的一個環節。生產過程中原料是否嚴格按照規定的配料比(產品的各種原料重量值之比)進行稱重，配料精度是否滿足產品的生產指標(組成產品的各種原材料重量值之比)是衡量企業產品質量的關鍵。因此在配料過程中對所生產產品的每一種原料的重量值進行控制就顯得尤為重要。如果在配料過程中稱重的精度達不到產品規定的要求，輕則造成原料、能源的浪費，重則影響企業產品的質量和產量，更為嚴重的結果是因配料失誤會給整個生產線釀成安全等事故。
[0003]現有技術下的原料稱重方法，其配料系統的給料速度與給料精度是相互矛盾的，加快給料的速度雖然可以縮短配料時間，但如果需要獲得較高的配料精度，就必須延長給料的時間。再則，切斷給料機電源，停止給料后，自給料機至稱量料斗中間的空中落料(落差)的大小最終會影響配料精度，即在相同的誤差率下，最終的落差值越大，給料的偏差就越大。落差值的大小受到給料機最后給料量的大小和給料機出料口到稱量系統高度的影響，給料機出料口到稱量系統的高度越高，落差值則越大，精度越不易控制。
[0004]綜上所述，現有 的原料稱重方法難以同時提高原料稱重的速度精度，而且其最終精確度受到給料機停止后，自給料機至稱量料斗中間的空中落料量的影響。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服上述不足，提供一種用于物料配料稱重的多階段控制的控制方法，將配料稱重過程劃分為三個階段并采用不同控制方式的整體控制方法，提高稱重過程中的速度和精度。
[0006]一種基于多階段控制的配料稱重控制方法，將配料稱重過程劃分為三個階段，并采用不同的控制方式進行控制，具體過程如下:
[0007]第一階段:快速給料階段，即設定稱重的總重量值和第一階段重量閾值，當實際下料量小于或等于第一階段重量值時，對任何物料都以同一恒定最大速度進行快速配料；
[0008]第二階段:精確稱量階段，即設定第二階段重量閾值，當實際下料量大于第一階段重量閾值小于或等于第二階段重量閾值時，采用常規PID控制器進行控制；
[0009]第三階段:預測落差階段，即當實際下料量大于第二階段重量閾值小于總量值時，采用迭代學習控制方式進行控制，計算給出的關閉提前控制量，并相應地調節給料速度。
[0010]進一步的，第三階段所述采用迭代學習控制方式計算關閉提前控制量的具體步驟為:
[0011]2-1)設定第一次配料時的關閉提前控制量:
[0012]U0 = u' , u' e (O, R) (I)[0013]其中R為設定的稱重總重量值；在第一次配料時，稱重倉內物料的實際重量值到達R-Utl時就提如關閉螺旋給料機；
[0014]2-2)當空中物料全部下落到稱重倉之后，得到第一次配料的最終實際下料重量值W0 ;此時實際下料重量值與設定總重量值存在的誤差％表示為:
[0015]e0 = W0-R (2)
[0016]2-3)進行第二次配料，且第二次配料時的關閉提前控制量U1:
[0017]U1 = u0+qe0 = u0+q (Wtl-R) (3)
[0018]其中，q(0〈q〈l)為加權學習因子；
[0019]2-4)得到第二次配料誤差:
[0020]G1 = W1-R (4)
[0021]其中，W1為第二次配料最終得到的實際配料重量值；
[0022]依次遞推，得到第k+l(k —)次配料時，給料機關閉提前控制量為uk，實際配料值為wk,則第k+Ι次配料誤差ek為:
[0023]ek = Wk-R (5)
[0024]2-5)采用迭代學習控制算法，給料機關閉提前量uk+1為:
[0025]uk+1 = uk+qek = uk+q (wk_R) (6)
[0026]由于采用了上述技術方案，本發明具有如下的優點:本發明通過將配料稱重過程劃分為三個階段并采用不同的控制方法進行控制，較好的解決了物料配料稱重速度與精度相互矛盾的問題，同時本發明不依賴于料倉的料位變化和物料比重的隨機變化等，具有物料配料稱重速度快、精度高等優點。
[0027]本發明的其他優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書和權利要求書來實現和獲得。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中:
[0029]圖1為物料配料稱重系統的多階段控制流程圖；
[0030]圖2為物料配料稱重系統結構示意圖；
[0031]圖3為物料配料稱重過程動態響應圖；
[0032]圖4為第二階段基于常規PID的配料稱重控制結構圖；
[0033]圖5為第三階段基于迭代學習控制的配料稱重控制結構圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本發明的技術方案。
[0035]圖2為本發明的物料配料稱重結構示意圖，如圖所示，從給料機到稱重倉之間有一段落差距離，將會導致稱重的精確度受到影響。
[0036]本發明一種基于多階段控制的配料稱重控制方法，將配料稱重過程劃分為三個階段，并采用不同的控制方式進行控制，具體過程如下:
[0037]第一階段:快速給料階段，即設定稱重的總重量值和第一階段重量閾值，當實際下料量小于或等于第一階段重量值時，對任何物料都以同一恒定最大速度進行快速配料；
[0038]第二階段:精確稱量階段，即設定第二階段重量閾值，當實際下料量大于第一階段重量閾值小于或等于第二階段重量閾值時，采用常規PID控制器進行控制；
[0039]第三階段:預測落差階段，即當實際下料量大于第二階段重量閾值小于總量值時，采用迭代學習控制方式進行控制，計算給出的關閉提前控制量，并相應地調節給料速度。
[0040]圖1為物料配料稱重系統的多階段控制流程圖，圖3為物料配料稱重過程動態響應圖，如圖1和圖3所示，設定此次稱重的總量R，第一階段重量閾值為yi，第二階段重量閾值為y2，設實際下料量為y。當y < yi時，進入第一階段，即快速給料階段，對于任何物料都以同一恒定最大速度進行快速配料，以取得最大效率。用公式可表達為:u = umax，u代表實際給料速度，Umax代表最大給料速度。
[0041]當yi < y < y2，進入第二階段，即精確稱量階段。在這一階段如果實際給料速度過大則可能出現超調現象，直接導致下料失敗也就不會出現第三階段；若過小則影響效率，要求控制量在這一階段初期不產生超調情況下盡可能較大，以滿足效率。當實際下料量快要達到第二階段閾值y2時要減小控制量，以減小落料差，提高配料精度。因此，需要對每種物料都確定合適的實際給料速度。這一階段通過常規PID控制器實現對物料的精確控制，用公式可表達為:即u = uPID, Upid代表PID控制器的控制速度。圖4為基于常規PID控制的控制結構圖。
[0042]當y2 < y < R，進入第三階段，預測落差階段。此階段采用基于迭代學習的控制方法實現預落差階段的給料控制，圖5為基于迭代學習的配料稱重控制結構圖，參照圖3給定期望實際下料量軌跡yd(t)，再尋找輸入控制量uk(t)，使得在該控制作用下，實際配料重量在[t0, tl]上與 yd(t) 一致。
[0043]每次配料過程中，輸入控制量Uk(t)選為給料機關閉提前控制量，當稱重倉中的物料重量到達預先設定的重量時立即提前關閉，從而使空中余料完全落入稱重倉后的最終實際配料重量值與設定重量值一致或在允許偏差范圍之內。
[0044]關閉提前控制量的初始值為:
[0045]U0 = U，，U，e (O, R) (I)
[0046]式(I)中，U。一般取R值的30%，第一次配料時，稱重倉內物料的實際重量值到達R-U0時就提前關閉給料機。當空中物料全部下落到稱重倉之后，得到最終的原料配料重量值％。此時利用實際配料重量值與設定原料稱重量值存在的誤差:
[0047]e0 = W0-R (2)
[0048]則生成新的關閉提前控制量為:
[0049]U1 = u0+qe0 = u0+q (Wtl-R) (3)
[0050]式(3)中，q，(0<q< I)為加權學習因子；則第二次次配料過程中，按U1作為給料機的提前關閉值，此時可以得到第二次配料誤差:
[0051]e! = W1-R (4)
[0052]式(4)中，W1為第二次配料最終得到的實際配料重量值；
[0053]依次遞推，可以得到第k+Ι次配料時，實際配料值為wk，則第k+Ι次配料誤差ek為:[0054]ek = wk-R (5)
[0055]采用迭代學習控制算法，給料機關閉提前量uk+1為:
[0056]uk+1 = uk+qek = uk+q (wk_R) (6)
[0057]在迭代學習控制算法過程中，當ek〈0時，負向迭代，迭代的結果是Uk變??；而ek>0時，貝1J正向迭代，迭代的結果是uk變大；當R>wk時，ek〈0,可得到:R-wk ≤ uk,則:
[0058]uk+1 = uk+qek = uk+q(wk_R) ≥ uk_uk = 0 (7)
[0059]由式(7)知，負向迭代時，控制量u都是大于零的，但是會變小；當R〈wk時，ek>0,可得到:R-wk≥ uk，則正向迭代，結果是uk變大，此時要進行限值控制，邊界控制需保證:0< uk < R0
[0060]迭代學習控制方法證實，設配料稱重控制系統每次重復訓練時都滿足初始條件ek(0) = 0，當k —c?，即當訓練的次數足夠多時，可實現配料稱重重量值的實際輸出逼近期望輸出，即:
[0061]\ek\^JR
[0062]Je為物料的配料精度百分比。從而，每次配料時就可以用上次修正后的給料機提前關閉控制量來進行給料機的預測關閉。如此反復訓練，可以使給料機關閉提前量不斷優化，實現給料機關閉后稱重倉內的物料重量值非常逼近配料重量給定值。
[0063]本發明通過將物料配料稱重過程劃分為三個控制階段，其學習控制規律簡單，不但具有較好的實時性，而且對干擾和系統模型的變化具有一定的魯棒性，較好的解決了在配料稱重過程中因落差原因導致的稱重精度不高。同時又通過不同的控制方法實現不同階段的給料機控制，從而很好的解決了因精度與速度相互矛盾的問題。
[0064]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種基于多階段控制的配料稱重控制方法，其特征在于，將配料稱重過程劃分為三個階段，并采用不同的控制方式進行控制，具體過程如下: 第一階段:快速給料階段，即設定稱重的總重量值和第一階段重量閾值，當實際下料量小于或等于第一階段重量值時，對任何物料都以同一恒定最大速度進行快速配料； 第二階段:精確稱量階段，即設定第二階段重量閾值，當實際下料量大于第一階段重量閾值小于或等于第二階段重量閾值時，采用常規PID控制器進行控制； 第三階段:預測落差階段，即當實際下料量大于第二階段重量閾值小于總量值時，采用迭代學習控制方式進行控制，計算給出的關閉提前控制量，并相應地調節給料速度。
2.根據權利要求1所述的一種基于多階段控制的配料稱重控制方法，其特征在于:第三階段所述采用迭代學習控制方式計算關閉提前控制量的具體步驟為: 2-1)設定第一次配料時的關閉提前控制量: U0 = U，，U，e (O, R) ? 其中R為設定的稱重總重量值；在第一次配料時，稱重倉內物料的實際重量值到達R-U0時就提前關閉螺旋給料機； 2-2)當空中物料全部下落到稱重倉之后，得到第一次配料的最終實際下料重量值Wtl ；此時實際下料重量值與設定總重量值存在的誤差％表示為:e0 = W0-R (2) 2-3)進行第二次配料，且第二次配料時的關閉提前控制量U1:
U1 = u0+qe0 = u0+q (Wc1-R) (3) 其中，q(0〈q〈l)為加權學習因子； 2-4)得到第二次配料誤差: θ! = W1-R (4) 其中，W1為第二次配料最終得到的實際配料重量值； 依次遞推，得到第k+1 (k--)次配料時，給料機關閉提前控制量為uk，實際配料值為wk，則第k+Ι次配料誤差ek為:ek = wk-R (5) 2-5)采用迭代學習控制算法，給料機關閉提前量uk+1為: uk+1 = uk+qek = uk+q (wk-R) (6)。
【文檔編號】G01G19/38GK103968924SQ201410230888
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月28日 優先權日:2014年5月28日
【發明者】林景棟, 鄭治迦, 王珺珩, 馬寧, 吳芳, 韓沖, 周宏波, 徐大發 申請人:重慶大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
