[发明专利]基于模型化测量和动态重量变化率预测的动态称重方法

摘要

本发明公开了一种基于模型化测量和动态重量变化率预测的动态称重方法。涉及运用嵌入式(DSP)计算机这类哈佛总线的新型微处理机，构成测量和控制系统，采用模型化测量和动态重量变化率预测相结合的动态信号处理方式，以解决动态称重中既高精度又高速的问题。为低成本地实现固体粉状或颗粒状产品物流高速定量称重包装。

主权项

1、一种基于模型化测量和动态重量变化率预测的动态称重方法，其特征在于该方法的步骤如下：1)模型化测量：设入测量系统的输入即被测量为u_i(k)，测量系统的输出即测量输出值为u_o(k)；u_i(k)是固体粉状或颗粒状物料落入称重料斗的变化质量，u_o(k)是测量系统的测量输出值，当测量系统是理想系统时，u_i(k)、u_o(k)的动态关系描述为u_o(k)＝K·u_i(k)......................(1)式(1)中K是常数。而实际的测量系统是一个线性定常离散动态系统，其差分方程的描述为a₀u_o(k)+a₁u_o(k-1)+…+a_nu_o(k-n)＝b₀·u_i(k)+b₁·u_i(k-1)+…+b_m·u_i(k-m)(m≤n)...........................(2)为了获得式(2)差分方程，采用阶跃输入方法，观察并获取输出信号，将获取的输出信号和阶跃输入信号代入式(2)，采用最小二乘法估算出a_o、a₁、…、a_n和b_o、b₁、…、b_n，将式(2)写成算子形式，并令n＝m、a_o＝1，则：A(q^-1)u_o(k)＝B(q^-1)·u_i(k)....................(5)式(5)中A(q^-1)＝1+a₁q^-1+a₂q^-2+…+a_nq^-nB(q^-1)＝b₀+b₁q^-1+b₂q^-2+…+b_nq^-n考虑到模型的误差和测量噪声，式(5)方程改写为A(q^-1)u_o(k)＝B(q^-1)·u_i(k)+e(k)....................(6)式(6)中e(k)称为模型残差或方程误差，将式(6)改写成u_o(k)＝-a₁u_o(k-1)-…-a_nu_o(k-n)+b₀·u_i(k)+b₁·u_i(k-1)+…+b_n·u_i(k-n)+e(k)...........................(7)定义x→(k)=[-uo(k-1),···,-uo(k-n),ui(k),ui(k-1),···,ui(k-n)]T]]>θ→=[a1,···,an,b0,b1,···,bn]T]]>式(7)可写为uo(k)=x→T(k)·θ→+e(k)···(8)]]>将测得的(N+n)个数据代入式(8)，建立N个方程组，则写成矩阵方程的形式u→o=X‾·θ→+e→···(9)]]>其中u→o=uo(n+1)uo(n+2)···uo(n+N),]]>e→=e(n+1)e(n+2)···e(n+N),]]>X‾=x→T(n+1)x→T(n+2)···x→T(n+N)=-uo(n)···-uo(1)ui(n+1)···ui(1)-uo(n+1)···-uo(2)ui(n+2)···ui(2)············-uo(n+N-1)···-uo(N)ui(n+N)···ui(N)]]>根据最小二乘法，选择使得误差准则函数J为最小：J=Σk=n+1N+ne2(k)=e→Te→=(u→-X‾·θ→)T(u→-X‾·θ→)]]>令∂J∂θ→|θ→=θ→^=0∂J∂θ→|θ→=θ→^=[∂J∂θ→(u→-X‾·θ→)T](u→-X‾·θ→)+(u→-X‾·θ→)T[∂J∂θ→(u→-X‾·θ→)]]]>则0=-2X‾T·u→+2X‾T·X‾·θ→]]>求得的估计值θ→^=(X‾T·X‾)-1X‾T·u→=[a^1,···,a^n,b^0,b^1,···,b^n]T···(10)]]>将式(10)代入式(7)，令e(k)＝0，并改写为：ui(k)=1b^0[uo(k)+a^1uo(k-1)+···+a^nuo(k-n)-b^1·ui(k-1)-···-b^n·ui(k-n)]···(11)]]>根据式(11)，可由u_o(k)、u_o(k-1)、…、u_i(k-1)、…，得出u_i(k)。2)动态重量变化率预测：实际物料落入称重料斗的重量信号是u_i(kΔt)，u_i(kΔt)的变化是不均匀的，Δt是采样间隔时间，kΔt＝k_jΔt处是送料装置关断点，但由于物料送料机构的惯性和空中物料的存在，实际关断点的重量与稳态重量存在Δu_i的偏差；最大重量大于稳态重量，是因为物料自由落体的瞬时冲击力造成，从重量变化看，物料重量信号u_i(kΔt)的变化均匀性用u_i(kΔt)的变化率du_i/dt衡量，du_i/dt为大于零的常数时，说明物料重量是匀速上升，而实际表明du_i/dt不是常数，即送料速度不均匀是一定存在的；且du_i/dt大，则将造成实际关断点的重量与稳态重量偏差值Δu_i大；du_i/dt小，则将造成实际关断点的重量与稳态重量偏差值Δu_i小；因此，物料动态重量的变化率du_i/dt与偏差值Δu_i存在对应关系，根据实测实验表明，偏差值Δu_i与变化率du_i/dt为线性关系：Δui=Kduidt···(12)]]>式(12)中K是经实验确定的常数，其量纲是S(秒)；对于实际离散测量系统，采用duidt=ui(kjΔt)-ui(khΔt)(kj-kh)Δt···(13)]]>计算du_i/dt，式(13)中k_j＞k_h，k_j是到实际关断点时的第k_j次采样，若k_j-k_h＝m，则k_h是在k_j前早m次的采样时刻。将式(13)代入式(12)可估算出将出现的偏差值Δu_i，或者在处k_j可更精确地估算出稳态的重量值，从而提高动态定量称重的精度。