一种自动称量配料系统以及控制方法与流程

本发明属于机械设备及其控制技术领域，具体是涉及一种自动称量配料系统以及控制方法。

背景技术：

在日常生活生产中，需要对物料进行送料、称料、接料、放料等一系列均匀分料的过程，而往往靠人工进行称量、转移、分配、放料，通常要耗费大量的人力物力，并且在需要均匀分配物料的过程中极易出现误差。另外当物料是由多组分混合构成的情况下，比如中药，众所周知中药通常是由多种不同的药材混合配伍形成，如何准确地将每个组分进行称量再混合得到所需的中药，且满足现代工业生产质量和生产效率的要求，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种自动称量配料系统以及控制方法。

为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：

一种自动称量配料系统，其特征在于：包括自动称量定量放料装置以及物料收集装置，所述物料收集装置包括接料容器以及用于传输所述接料容器的传输装置，所述自动称量定量放料装置有多个且分别用于称量不同的物料组份，所述接料容器在传输装置上移动并逐个收集所述自动称量定量放料装置中称量好的物料组分；所述自动称量定量放料装置包括送料部、称量部，所述送料部设为电磁振动给料机，所述称量部包括固连在支撑杆上的称重传感器以及与称重传感器固定连接的双向料斗，所述双向料斗位于送料部的出口下方，所述双向料斗通过引导槽构成将物料引至接料容器内的双向通道；该系统还包括对所述自动称量定量放料装置以及物料收集装置进行控制的控制显示部。

进一步的，所述双向料斗顶部为敞口状，所述双向料斗底部通过对称分布在两侧的两料斗门构成底部开启或闭合的状态；所述两料斗门的同一侧均设有挡板，且所述双向料斗在两挡板运动轨迹内的侧面上设有探测挡板位置从而检测两料斗门是否完全闭合的光电开关；所述双向料斗上还设有分别驱动两料斗门开启和闭合的两对应减速电机。

进一步的，所述引导槽包括接料导流槽和回收导流槽，所述接料导流槽的入口对应双向料斗其中一个料斗门出口，所述回收导流槽的入口对应双向料斗的另一个料斗门出口。

进一步的，所述物料收集装置还包括回收料盒，所述接料容器位于所述接料导流槽出口的正下方，所述回收料盒位于所述回收导流槽出口的正下方。

进一步的，所述控制显示部包括触控显示屏、设于触控显示屏下方的电路板和控制模块，所述触控显示屏用于设置及显示称量参数，所述控制模块连接在电路板上，所述控制模块分别与送料部、称量部和传输装置电连接。

一种所述的自动称量配料系统的控制方法,包括对所述自动称量定量放料装置的控制过程，所述控制过程中包括参数设定模块、工况识别模块、给料速度模糊PID控制模块；

所述参数设定模块用于物料性状的设定、给料重量的设定、给料速度的设定以及远程控制或就地控制的选择；所述工况识别模块用于采集挡板位置信号、双向料斗中物料实时重量信号、传输装置上接料容器的到位信号；

若所述挡板位置信号、双向料斗中物料实时重量信号、传输装置上接料容器的到位信号均都在正常范围内则系统按照设定的参数正常运行，并启动所述给料速度模糊PID控制模块；

若述挡板位置信号、双向料斗中物料实时重量信号、传输装置上接料容器的到位信号其中一个信号处在非正常范围，则判定系统为异常并开启手动模式排除异常情况；

所述挡板位置信号正常是指所述双向料斗的出料口处于关闭状态，所述双向料斗中物料实时重量信号正常是指所述双向料斗中物料实时重量小于设定的给料重量参数；所述传输装置上接料容器的到位信号正常是指所述接料容器处于可以收集所述自动称量定量放料装置（10）中物料组分的位置；

所述给料速度模糊PID控制模块的控制过程如下：

（1）启动给料速度模糊PID控制模块，完成各项参数的A/D转换；

（2）对给料速度进行采集，计算出实时的给料速度值与设定的给料速度值之间的偏差e以及偏差的变化率ec；

（3）偏差e和偏差的变化率ec为给料速度模糊PID控制模块的输入量，u为给料速度模糊PID控制模块的输出量，所述给料速度模糊PID控制模块的输出量包括Kp、Ki、Kd三个控制参数；所述偏差e的基本论域为［-10,10］，所述偏差的变化率ec的基本论域为［-20,20］；所述输出量u的基本论域为［-umax,umax］，将偏差e、偏差的变化率ec以及输出量u模糊化且三者的模糊化子集分别为E，EC，U，所述E，EC的输入语言变量值均为{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}，所述U的输出语言变量值为{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}；

再对E、EC、U的论域精确量离散化，选定输入量的量化因子为k_e=0.3,k_ec=0.15，输出量的量化因子为k_u=umax/3，得到E，EC，U={-3、-2、-1、0、1、2、3}；

通过隶属度函数将偏差e、偏差的变化率ec的量化值模糊化为模糊推理的E、EC，其中NB、PB取zmf函数，NM、NS、Z、PS、PM取trimf函数；

（4）根据上述输入、输出语言变量值得到输出量三个控制参数Kp、Ki、Kd的模糊控制规则；

（5）输出量论域上的模糊化子集U=Kp,Ki,Kd=（E_i×E_j）^T·R，式中·表示模糊化关系的合成运算，式中×表示模糊化推理中的取小运算，式中R表示总的模糊控制规则，（E_i×E_j）^T表示E_i×E_j矩阵的转秩，E_i代表e值的数组，E_j代表ec值的数组；

依据上述公式计算出Kp,Ki,Kd三个参数的值；

（6）经过模糊化推理得到的U与所述输出量的量化因子相乘即得到模糊PID控制模块的三个实际输出量；

经过上述计算，得到给料速度的调节量，将所述调节量以及调节量与当前实际的给料速度进行叠加进行输出，并进行D/A转换，给电磁振动给料机相应的激励电压以实现对给料速度的调节与跟踪。

进一步的，所述参数的采集周期为0.15s。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明尤其适合混合物料的生产配置过程，假设混合料的组分有多种，那么对应可以选择多个自动称量定量放料装置，每个自动称量定量放料装置用于称量其中一种组分，接料容器通过传输装置的传输可以依次收集沿传输装置传输方向布置的所述自动称量定量放料装置所称量好的组分，以实现快速将不同组分的物料进行混合配置，本发明适合比如由多种药材混合配置而成的中药的生产，极大地提高了混合物料的配置效率，减少了大量人力的投入。本发明将电磁振动供料机设为所述送料部，均匀定量的将物料供给到受料设备，同时为了精确的配料，在受料设备中引入了称量部，通过称重传感器将压力信号转化为模拟信号以得到自送料部送入物料的准确重量值，当物料重量处于设置的重量范围内，控制模块控制减速电机打开对应的料斗门，重量合格的物料经接料导流槽进入接料容器中；若物料重量超过设置的重量范围，控制模块控制双向料斗上方的减速电机打开对应的料斗门，超重的物料经回收导流槽进入回收料盒中，重新自送料部送料直至重量合格落入接料容器中为止。本发明中第一个自动称量定量放料装置工作结束，所述控制模块控制传输装置并将接料容器传输至下个自动称量定量放料装置处用于收集该处自动称量定量放料装置所称量的物料组分，直到设定的物料组分全部称量并收集完成，之后控制模块控制送料部、称量部和传输装置停止工作，并在触控显示屏上显示称量信息。

本发明这种通过控制显示部控制送料部、称量部与物料收集装置的相互配合的自动称量配料装置的自动化程度非常高、且能达到配料精准以及较高的放料、接料效率。

（2）本发明中采用了双向料斗，双向料斗的顶部开口用于承接送料部出口的物料，其底部设有分布在两侧对称的料斗门，两料斗门上的同一侧均设有挡板，通过光电开关可以检测两料斗门是否完全闭合；当物料的重量合格时，通过相应的接料容器上方的减速电机驱动靠近接料导流槽的料斗门打开；当物料的重量不合格需要回收时，通过回收料盒上方的减速电机驱动靠近回收导流槽的料斗门打开。这种双向料斗的设置构成了接料和回收的双向通道，保证了重量不合适的物料被回收重新利用，不落入接料容器中而影响产品质量，为本装置的稳定运行提供了保证，同时有效的保证了配料的精准度。

（3）本装置还设置了控制送料部、称量部和传输装置的控制显示部，其中控制触控显示屏用于设置及显示称量参数，便于人工操作；控制模块连接在电路板上，用于控制送料部、称量部和传输装置的工作状态，为本装置的可靠和自动化运行垫定基础，大大节省了人力物力。

（4）本发明通过相应的控制方法实现对电磁振动给料机的给料速度的调节与跟踪，实现精准供料。本发明针对电磁振动给料机的定量给料系统进行数学建模，过程简单，给料速度跟踪效果良好，调节性强，具备很好的实用性和市场前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中自动称量定量放料装置的结构示意图。

图3为本发明称量部的轴测图。

图4为本发明双向料斗的前视图。

图5为本发明称量部的俯视图。

图6为图2的俯视图。

图7为图2的右视图。

图8为图2的前视图。

图9为所述自动称量定量放料装置控制过程原理示意图。

图10为给料速度模糊PID控制模块的结构框图。

图11为所述给料速度模糊PID控制模块的控制流程图。

图12为实际的给料速度的调节变化曲线图。

10-自动称量定量放料装置 A-送料部 B-称量部 B1-支撑杆

B2-称重传感器 B3-双向料斗 B31-减速电机 B32-料斗门

B33-挡板 B34-光电开关 C-引导槽 C1-接料导流槽

C2-回收导流槽 D-物料收集装置 D1-接料容器

D2-回收料盒 E-控制显示部 E1-触控显示屏 F-支撑架

具体实施方式

下面结合实施例对本发明技术方案做出更为具体的说明：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1、2所示，所述自动称量配料系统包括自动称量定量放料装置10以及物料收集装置D，所述物料收集装置D包括接料容器D1以及用于传输所述接料容器D1的传输装置D3，所述自动称量定量放料装置10有多个且分别用于称量不同的物料组份，所述接料容器D1在传输装置D3上移动并逐个收集所述自动称量定量放料装置10中称量好的物料组分；所述自动称量定量放料装置10包括送料部A、称量部B，所述送料部A设为电磁振动给料机，所述称量部B包括固连在支撑杆B1上的称重传感器B2以及与称重传感器B2固定连接的双向料斗B3，所述双向料斗B3位于送料部A的出口下方，所述双向料斗B3通过引导槽C构成将物料引至接料容器D1内的双向通道；该系统还包括对所述自动称量定量放料装置10以及物料收集装置D进行控制的控制显示部E。

如图3、4、5所示，所述双向料斗B3顶部为敞口状，所述双向料斗B3底部通过对称分布在两侧的两料斗门B32构成底部开启或闭合的状态；所述两料斗门B32的同一侧均设有挡板B33，且所述双向料斗B3在两挡板B33运动轨迹内的侧面上设有探测挡板B33位置从而检测两料斗门B32是否完全闭合的光电开关B34；所述双向料斗B3上还设有分别驱动两料斗门B32开启和闭合的两对应减速电机B31。

所述引导槽C包括接料导流槽C1和回收导流槽C2，所述接料导流槽C1的入口对应双向料斗B3其中一个料斗门B32出口，所述回收导流槽C2的入口对应双向料斗B3的另一个料斗门B32出口。

所述物料收集装置D还包括回收料盒D2，所述接料容器D1位于所述接料导流槽C1出口的正下方，所述回收料盒D2位于所述回收导流槽C2出口的正下方。

所述控制显示部E包括触控显示屏E1、设于触控显示屏E1下方的电路板和控制模块，所述触控显示屏E1用于设置及显示称量参数，所述控制模块连接在电路板上，所述控制模块分别与送料部A、称量部B和传输装置D3电连接。

下面结合附图对本系统的工作过程作进一步详细的说明。

系统开始工作之前，检查各个自动称量定量放料装置10，通过光电开关B34确认两料斗门B32均呈完全关闭状态，防止物料的泄露；通过控制显示部E的触控显示屏E1设置各个自动称量定量放料装置10所称量的对应物料组分的重量范围和称量份数。

S1、通过控制显示部E控制输料装置D3将接料容器D1输送至第一个自动称量定量放料装置10处，并使得接料容器D1的接料口对准所述接料导流槽C1的出口；

S2、控制模块控制第一个自动称量定量放料装置10，使得送料部A将物料组分输送至称量部B的双向料斗B3中，此时称重传感器B2将称量到的双向料斗B3中的重量值信号返回至控制模块，并显示在触控显示屏E1上，当物料组分重量达到设置重量范围时，控制模块控制送料部A停止输送物料组分，尤其是对于块状或条状物料组分，在输送物料组分时，不能保证物料组分重量始终处于设置的重量范围内，若物料组分重量超过设置的重量范围，控制模块控制回收料盒D2上方的对应减速电机B31打开贴近回收导流槽C2的料斗门B32，超重的物料组分经回收导流槽C2进入回收料盒D2中，控制模块重新控制送料部A将物料组分输送至称量部B的双向料斗B3中直至物料组分重量处于设置的重量范围内；若物料组分重量处于设置的重量范围内，控制模块控制旋转接料放料装置D1上方的对应减速电机B31打开贴近接料导流槽C1的料斗门B32，重量合格的物料组分经接料导流槽C1进入接料容器D1中；

S3、当上述第一个自动称量定量放料装置10的称量部B中的物料组分投放至接料容器D1中以后，重复上述步骤将所述接料容器D1输送至下一个自动称量定量放料装置10处，直到设定的多种物料组分全部称量并收集完成，之后控制模块控制送料部A、称量部B和物料收集装置D停止工作，并在触控显示屏E1上显示称量信息。

若需要称量若干份混合物料，重复以上步骤即可。

实施例2

所述自动称量配料系统的控制方法包括对所述自动称量定量放料装置的控制过程，所述控制过程原理如图9所示，其中包括参数设定模块、工况识别模块、给料速度模糊PID控制模块以及参数采集模块；

所述参数设定模块用于物料性状的设定、给料重量的设定、给料速度的设定以及远程控制或就地控制的选择；所述工况识别模块用于采集挡板位置信号、双向料斗中物料实时重量信号、传输装置上接料容器的到位信号；

若所述挡板位置信号、双向料斗中物料实时重量信号、传输装置上接料容器的到位信号均都在正常范围内则系统按照设定的参数正常运行，并启动所述给料速度模糊PID控制模块；

若述挡板位置信号、双向料斗中物料实时重量信号、传输装置上接料容器的到位信号其中一个信号处在非正常范围，则判定系统为异常并开启手动模式；

所述挡板位置信号正常是指所述双向料斗的出料口处于关闭状态，所述双向料斗中物料实时重量信号正常是指所述双向料斗中物料实时重量小于设定的给料重量参数；所述传输装置上接料容器的到位信号正常是指所述接料容器处于可以收集所述自动称量定量放料装置中物料组分的位置；

所述给料速度模糊PID控制模块的结构框图如图10所示，所述给料速度模糊PID控制模块的控制过程如下，相应的控制流程图如图11所示：

（1）启动给料速度模糊PID控制模块，完成各项参数的A/D转换；

（2）对给料速度进行采集，计算出实时的给料速度值与设定的给料速度值之间的偏差e以及偏差的变化率ec；

（3）偏差e和偏差的变化率ec为给料速度模糊PID控制模块的输入量，u为给料速度模糊PID控制模块的输出量，所述给料速度模糊PID控制模块的输出量包括Kp、Ki、Kd三个控制参数；所述偏差e的基本论域为［-10,10］，所述偏差的变化率ec的基本论域为［-20,20］；所述输出量u的基本论域为［-umax,umax］且根据经验获得，将偏差e、偏差的变化率ec以及输出量u模糊化且三者的模糊化子集分别为E，EC，U，所述E，EC的输入语言变量值均为{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}，所述U的输出语言变量值为{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}；所述NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB的具体含义为：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；

再对E、EC、U的论域精确量离散化，选定输入量的量化因子为k_e=0.3,k_ec=0.15，输出量的量化因子为k_u=umax/3，得到E，EC，U={-3、-2、-1、0、1、2、3}；离散化的目的是为了讨论范围的统一从而便于推理计算，离散化的结果为将所有参数统一变换到{-3、-2、-1、0、1、2、3}这一个范围中，量化因子用以将各个参数的实际范围变换到设定的{-3、-2、-1、0、1、2、3}中来。

通过隶属度函数将偏差e、偏差的变化率ec的量化值模糊化为模糊推理的E、EC，其中NB、PB取zmf函数，NM、NS、Z、PS、PM取trimf函数；

（4）根据上述输入、输出语言变量值得到输出量三个控制参数Kp、Ki、Kd的模糊控制规则；

表1 Kp的模糊控制规则表

表2 Ki的模糊控制规则表

表3 Kd的模糊控制规则表

（5）输出量论域上的模糊化子集U=Kp,Ki,Kd=（E_i×E_j）^T·R，式中·表示模糊化关系的合成运算，式中×表示模糊化推理中的取小运算，式中R表示总的模糊控制规则，（E_i×E_j）^T表示E_i×E_j矩阵的转秩，E_i代表e值的数组，E_j代表ec值的数组；

依据上述公式计算出Kp,Ki,Kd三个参数的值；

（6）经过模糊化推理得到的U与所述输出量的量化因子相乘即得到模糊PID控制模块的三个实际输出量；

经过上述计算，得到给料速度的调节量，将所述调节量以及调节量与当前实际的给料速度进行叠加进行输出，并进行D/A转换，给电磁振动给料机相应的激励电压以实现对给料速度的调节与跟踪。

进一步的，所述参数的采集周期为0.15s。

当设定给料速度rin为2g/s，实时的给料速度yout为1g/s时，根据e=+rin-yout计算得到e=1，将e=1以及ec的值带入模糊PID控制模块，模糊运算规则根据输入情况得到PID控制的三个参数Kp,Ki,Kd的实时调整值，再根据调整后的PID三个参数Kp,Ki,Kd做运算，得到实际输出值，如此循环，设定给料速度和实时的给料速度之间误差趋向于0g/s时，PID控制模块参数调整稳定，且PID控制模块输出趋向稳定。如图12所示，为实际的给料速度的调节变化曲线图：实线为设定给料速度值，[0,5]s的设定给料速度为2g/s，[5,10]s的设定给料速度为1g/s，虚线为实时的给料速度值，可以看出本控制方法具有跟踪速度快，整个跟踪过程几乎没超调和振荡。