本發(fā)明屬于機械設備及其控制技術領域，具體是涉及一種自動稱量配料系統(tǒng)以及控制方法。

背景技術：

在日常生活生產中，需要對物料進行送料、稱料、接料、放料等一系列均勻分料的過程，而往往靠人工進行稱量、轉移、分配、放料，通常要耗費大量的人力物力，并且在需要均勻分配物料的過程中極易出現(xiàn)誤差。另外當物料是由多組分混合構成的情況下，比如中藥，眾所周知中藥通常是由多種不同的藥材混合配伍形成，如何準確地將每個組分進行稱量再混合得到所需的中藥，且滿足現(xiàn)代工業(yè)生產質量和生產效率的要求，是本領域技術人員亟需解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種自動稱量配料系統(tǒng)以及控制方法。

為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用了以下技術方案：

一種自動稱量配料系統(tǒng)，其特征在于：包括自動稱量定量放料裝置以及物料收集裝置，所述物料收集裝置包括接料容器以及用于傳輸所述接料容器的傳輸裝置，所述自動稱量定量放料裝置有多個且分別用于稱量不同的物料組份，所述接料容器在傳輸裝置上移動并逐個收集所述自動稱量定量放料裝置中稱量好的物料組分；所述自動稱量定量放料裝置包括送料部、稱量部，所述送料部設為電磁振動給料機，所述稱量部包括固連在支撐桿上的稱重傳感器以及與稱重傳感器固定連接的雙向料斗，所述雙向料斗位于送料部的出口下方，所述雙向料斗通過引導槽構成將物料引至接料容器內的雙向通道；該系統(tǒng)還包括對所述自動稱量定量放料裝置以及物料收集裝置進行控制的控制顯示部。

進一步的，所述雙向料斗頂部為敞口狀，所述雙向料斗底部通過對稱分布在兩側的兩料斗門構成底部開啟或閉合的狀態(tài)；所述兩料斗門的同一側均設有擋板，且所述雙向料斗在兩擋板運動軌跡內的側面上設有探測擋板位置從而檢測兩料斗門是否完全閉合的光電開關；所述雙向料斗上還設有分別驅動兩料斗門開啟和閉合的兩對應減速電機。

進一步的，所述引導槽包括接料導流槽和回收導流槽，所述接料導流槽的入口對應雙向料斗其中一個料斗門出口，所述回收導流槽的入口對應雙向料斗的另一個料斗門出口。

進一步的，所述物料收集裝置還包括回收料盒，所述接料容器位于所述接料導流槽出口的正下方，所述回收料盒位于所述回收導流槽出口的正下方。

進一步的，所述控制顯示部包括觸控顯示屏、設于觸控顯示屏下方的電路板和控制模塊，所述觸控顯示屏用于設置及顯示稱量參數(shù)，所述控制模塊連接在電路板上，所述控制模塊分別與送料部、稱量部和傳輸裝置電連接。

一種所述的自動稱量配料系統(tǒng)的控制方法,包括對所述自動稱量定量放料裝置的控制過程，所述控制過程中包括參數(shù)設定模塊、工況識別模塊、給料速度模糊PID控制模塊；

所述參數(shù)設定模塊用于物料性狀的設定、給料重量的設定、給料速度的設定以及遠程控制或就地控制的選擇；所述工況識別模塊用于采集擋板位置信號、雙向料斗中物料實時重量信號、傳輸裝置上接料容器的到位信號；

若所述擋板位置信號、雙向料斗中物料實時重量信號、傳輸裝置上接料容器的到位信號均都在正常范圍內則系統(tǒng)按照設定的參數(shù)正常運行，并啟動所述給料速度模糊PID控制模塊；

若述擋板位置信號、雙向料斗中物料實時重量信號、傳輸裝置上接料容器的到位信號其中一個信號處在非正常范圍，則判定系統(tǒng)為異常并開啟手動模式排除異常情況；

所述擋板位置信號正常是指所述雙向料斗的出料口處于關閉狀態(tài)，所述雙向料斗中物料實時重量信號正常是指所述雙向料斗中物料實時重量小于設定的給料重量參數(shù)；所述傳輸裝置上接料容器的到位信號正常是指所述接料容器處于可以收集所述自動稱量定量放料裝置（10）中物料組分的位置；

所述給料速度模糊PID控制模塊的控制過程如下：

（1）啟動給料速度模糊PID控制模塊，完成各項參數(shù)的A/D轉換；

（2）對給料速度進行采集，計算出實時的給料速度值與設定的給料速度值之間的偏差e以及偏差的變化率ec；

（3）偏差e和偏差的變化率ec為給料速度模糊PID控制模塊的輸入量，u為給料速度模糊PID控制模塊的輸出量，所述給料速度模糊PID控制模塊的輸出量包括Kp、Ki、Kd三個控制參數(shù)；所述偏差e的基本論域為［-10,10］，所述偏差的變化率ec的基本論域為［-20,20］；所述輸出量u的基本論域為［-umax,umax］，將偏差e、偏差的變化率ec以及輸出量u模糊化且三者的模糊化子集分別為E，EC，U，所述E，EC的輸入語言變量值均為{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}，所述U的輸出語言變量值為{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}；

再對E、EC、U的論域精確量離散化，選定輸入量的量化因子為k_e=0.3,k_ec=0.15，輸出量的量化因子為k_u=umax/3，得到E，EC，U={-3、-2、-1、0、1、2、3}；

通過隸屬度函數(shù)將偏差e、偏差的變化率ec的量化值模糊化為模糊推理的E、EC，其中NB、PB取zmf函數(shù)，NM、NS、Z、PS、PM取trimf函數(shù)；

（4）根據(jù)上述輸入、輸出語言變量值得到輸出量三個控制參數(shù)Kp、Ki、Kd的模糊控制規(guī)則；

（5）輸出量論域上的模糊化子集U=Kp,Ki,Kd=（E_i×E_j）^T·R，式中·表示模糊化關系的合成運算，式中×表示模糊化推理中的取小運算，式中R表示總的模糊控制規(guī)則，（E_i×E_j）^T表示E_i×E_j矩陣的轉秩，E_i代表e值的數(shù)組，E_j代表ec值的數(shù)組；

依據(jù)上述公式計算出Kp,Ki,Kd三個參數(shù)的值；

（6）經過模糊化推理得到的U與所述輸出量的量化因子相乘即得到模糊PID控制模塊的三個實際輸出量；

經過上述計算，得到給料速度的調節(jié)量，將所述調節(jié)量以及調節(jié)量與當前實際的給料速度進行疊加進行輸出，并進行D/A轉換，給電磁振動給料機相應的激勵電壓以實現(xiàn)對給料速度的調節(jié)與跟蹤。

進一步的，所述參數(shù)的采集周期為0.15s。

本發(fā)明的有益效果在于：

（1）本發(fā)明尤其適合混合物料的生產配置過程，假設混合料的組分有多種，那么對應可以選擇多個自動稱量定量放料裝置，每個自動稱量定量放料裝置用于稱量其中一種組分，接料容器通過傳輸裝置的傳輸可以依次收集沿傳輸裝置傳輸方向布置的所述自動稱量定量放料裝置所稱量好的組分，以實現(xiàn)快速將不同組分的物料進行混合配置，本發(fā)明適合比如由多種藥材混合配置而成的中藥的生產，極大地提高了混合物料的配置效率，減少了大量人力的投入。本發(fā)明將電磁振動供料機設為所述送料部，均勻定量的將物料供給到受料設備，同時為了精確的配料，在受料設備中引入了稱量部，通過稱重傳感器將壓力信號轉化為模擬信號以得到自送料部送入物料的準確重量值，當物料重量處于設置的重量范圍內，控制模塊控制減速電機打開對應的料斗門，重量合格的物料經接料導流槽進入接料容器中；若物料重量超過設置的重量范圍，控制模塊控制雙向料斗上方的減速電機打開對應的料斗門，超重的物料經回收導流槽進入回收料盒中，重新自送料部送料直至重量合格落入接料容器中為止。本發(fā)明中第一個自動稱量定量放料裝置工作結束，所述控制模塊控制傳輸裝置并將接料容器傳輸至下個自動稱量定量放料裝置處用于收集該處自動稱量定量放料裝置所稱量的物料組分，直到設定的物料組分全部稱量并收集完成，之后控制模塊控制送料部、稱量部和傳輸裝置停止工作，并在觸控顯示屏上顯示稱量信息。

本發(fā)明這種通過控制顯示部控制送料部、稱量部與物料收集裝置的相互配合的自動稱量配料裝置的自動化程度非常高、且能達到配料精準以及較高的放料、接料效率。

（2）本發(fā)明中采用了雙向料斗，雙向料斗的頂部開口用于承接送料部出口的物料，其底部設有分布在兩側對稱的料斗門，兩料斗門上的同一側均設有擋板，通過光電開關可以檢測兩料斗門是否完全閉合；當物料的重量合格時，通過相應的接料容器上方的減速電機驅動靠近接料導流槽的料斗門打開；當物料的重量不合格需要回收時，通過回收料盒上方的減速電機驅動靠近回收導流槽的料斗門打開。這種雙向料斗的設置構成了接料和回收的雙向通道，保證了重量不合適的物料被回收重新利用，不落入接料容器中而影響產品質量，為本裝置的穩(wěn)定運行提供了保證，同時有效的保證了配料的精準度。

（3）本裝置還設置了控制送料部、稱量部和傳輸裝置的控制顯示部，其中控制觸控顯示屏用于設置及顯示稱量參數(shù)，便于人工操作；控制模塊連接在電路板上，用于控制送料部、稱量部和傳輸裝置的工作狀態(tài)，為本裝置的可靠和自動化運行墊定基礎，大大節(jié)省了人力物力。

（4）本發(fā)明通過相應的控制方法實現(xiàn)對電磁振動給料機的給料速度的調節(jié)與跟蹤，實現(xiàn)精準供料。本發(fā)明針對電磁振動給料機的定量給料系統(tǒng)進行數(shù)學建模，過程簡單，給料速度跟蹤效果良好，調節(jié)性強，具備很好的實用性和市場前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明中自動稱量定量放料裝置的結構示意圖。

圖3為本發(fā)明稱量部的軸測圖。

圖4為本發(fā)明雙向料斗的前視圖。

圖5為本發(fā)明稱量部的俯視圖。

圖6為圖2的俯視圖。

圖7為圖2的右視圖。

圖8為圖2的前視圖。

圖9為所述自動稱量定量放料裝置控制過程原理示意圖。

圖10為給料速度模糊PID控制模塊的結構框圖。

圖11為所述給料速度模糊PID控制模塊的控制流程圖。

圖12為實際的給料速度的調節(jié)變化曲線圖。

10-自動稱量定量放料裝置 A-送料部 B-稱量部 B1-支撐桿

B2-稱重傳感器 B3-雙向料斗 B31-減速電機 B32-料斗門

B33-擋板 B34-光電開關 C-引導槽 C1-接料導流槽

C2-回收導流槽 D-物料收集裝置 D1-接料容器

D2-回收料盒 E-控制顯示部 E1-觸控顯示屏 F-支撐架

具體實施方式

下面結合實施例對本發(fā)明技術方案做出更為具體的說明：

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例1

如圖1、2所示，所述自動稱量配料系統(tǒng)包括自動稱量定量放料裝置10以及物料收集裝置D，所述物料收集裝置D包括接料容器D1以及用于傳輸所述接料容器D1的傳輸裝置D3，所述自動稱量定量放料裝置10有多個且分別用于稱量不同的物料組份，所述接料容器D1在傳輸裝置D3上移動并逐個收集所述自動稱量定量放料裝置10中稱量好的物料組分；所述自動稱量定量放料裝置10包括送料部A、稱量部B，所述送料部A設為電磁振動給料機，所述稱量部B包括固連在支撐桿B1上的稱重傳感器B2以及與稱重傳感器B2固定連接的雙向料斗B3，所述雙向料斗B3位于送料部A的出口下方，所述雙向料斗B3通過引導槽C構成將物料引至接料容器D1內的雙向通道；該系統(tǒng)還包括對所述自動稱量定量放料裝置10以及物料收集裝置D進行控制的控制顯示部E。

如圖3、4、5所示，所述雙向料斗B3頂部為敞口狀，所述雙向料斗B3底部通過對稱分布在兩側的兩料斗門B32構成底部開啟或閉合的狀態(tài)；所述兩料斗門B32的同一側均設有擋板B33，且所述雙向料斗B3在兩擋板B33運動軌跡內的側面上設有探測擋板B33位置從而檢測兩料斗門B32是否完全閉合的光電開關B34；所述雙向料斗B3上還設有分別驅動兩料斗門B32開啟和閉合的兩對應減速電機B31。

所述引導槽C包括接料導流槽C1和回收導流槽C2，所述接料導流槽C1的入口對應雙向料斗B3其中一個料斗門B32出口，所述回收導流槽C2的入口對應雙向料斗B3的另一個料斗門B32出口。

所述物料收集裝置D還包括回收料盒D2，所述接料容器D1位于所述接料導流槽C1出口的正下方，所述回收料盒D2位于所述回收導流槽C2出口的正下方。

所述控制顯示部E包括觸控顯示屏E1、設于觸控顯示屏E1下方的電路板和控制模塊，所述觸控顯示屏E1用于設置及顯示稱量參數(shù)，所述控制模塊連接在電路板上，所述控制模塊分別與送料部A、稱量部B和傳輸裝置D3電連接。

下面結合附圖對本系統(tǒng)的工作過程作進一步詳細的說明。

系統(tǒng)開始工作之前，檢查各個自動稱量定量放料裝置10，通過光電開關B34確認兩料斗門B32均呈完全關閉狀態(tài)，防止物料的泄露；通過控制顯示部E的觸控顯示屏E1設置各個自動稱量定量放料裝置10所稱量的對應物料組分的重量范圍和稱量份數(shù)。

S1、通過控制顯示部E控制輸料裝置D3將接料容器D1輸送至第一個自動稱量定量放料裝置10處，并使得接料容器D1的接料口對準所述接料導流槽C1的出口；

S2、控制模塊控制第一個自動稱量定量放料裝置10，使得送料部A將物料組分輸送至稱量部B的雙向料斗B3中，此時稱重傳感器B2將稱量到的雙向料斗B3中的重量值信號返回至控制模塊，并顯示在觸控顯示屏E1上，當物料組分重量達到設置重量范圍時，控制模塊控制送料部A停止輸送物料組分，尤其是對于塊狀或條狀物料組分，在輸送物料組分時，不能保證物料組分重量始終處于設置的重量范圍內，若物料組分重量超過設置的重量范圍，控制模塊控制回收料盒D2上方的對應減速電機B31打開貼近回收導流槽C2的料斗門B32，超重的物料組分經回收導流槽C2進入回收料盒D2中，控制模塊重新控制送料部A將物料組分輸送至稱量部B的雙向料斗B3中直至物料組分重量處于設置的重量范圍內；若物料組分重量處于設置的重量范圍內，控制模塊控制旋轉接料放料裝置D1上方的對應減速電機B31打開貼近接料導流槽C1的料斗門B32，重量合格的物料組分經接料導流槽C1進入接料容器D1中；

S3、當上述第一個自動稱量定量放料裝置10的稱量部B中的物料組分投放至接料容器D1中以后，重復上述步驟將所述接料容器D1輸送至下一個自動稱量定量放料裝置10處，直到設定的多種物料組分全部稱量并收集完成，之后控制模塊控制送料部A、稱量部B和物料收集裝置D停止工作，并在觸控顯示屏E1上顯示稱量信息。

若需要稱量若干份混合物料，重復以上步驟即可。

實施例2

所述自動稱量配料系統(tǒng)的控制方法包括對所述自動稱量定量放料裝置的控制過程，所述控制過程原理如圖9所示，其中包括參數(shù)設定模塊、工況識別模塊、給料速度模糊PID控制模塊以及參數(shù)采集模塊；

所述參數(shù)設定模塊用于物料性狀的設定、給料重量的設定、給料速度的設定以及遠程控制或就地控制的選擇；所述工況識別模塊用于采集擋板位置信號、雙向料斗中物料實時重量信號、傳輸裝置上接料容器的到位信號；

若所述擋板位置信號、雙向料斗中物料實時重量信號、傳輸裝置上接料容器的到位信號均都在正常范圍內則系統(tǒng)按照設定的參數(shù)正常運行，并啟動所述給料速度模糊PID控制模塊；

若述擋板位置信號、雙向料斗中物料實時重量信號、傳輸裝置上接料容器的到位信號其中一個信號處在非正常范圍，則判定系統(tǒng)為異常并開啟手動模式；

所述擋板位置信號正常是指所述雙向料斗的出料口處于關閉狀態(tài)，所述雙向料斗中物料實時重量信號正常是指所述雙向料斗中物料實時重量小于設定的給料重量參數(shù)；所述傳輸裝置上接料容器的到位信號正常是指所述接料容器處于可以收集所述自動稱量定量放料裝置中物料組分的位置；

所述給料速度模糊PID控制模塊的結構框圖如圖10所示，所述給料速度模糊PID控制模塊的控制過程如下，相應的控制流程圖如圖11所示：

（1）啟動給料速度模糊PID控制模塊，完成各項參數(shù)的A/D轉換；

（2）對給料速度進行采集，計算出實時的給料速度值與設定的給料速度值之間的偏差e以及偏差的變化率ec；

（3）偏差e和偏差的變化率ec為給料速度模糊PID控制模塊的輸入量，u為給料速度模糊PID控制模塊的輸出量，所述給料速度模糊PID控制模塊的輸出量包括Kp、Ki、Kd三個控制參數(shù)；所述偏差e的基本論域為［-10,10］，所述偏差的變化率ec的基本論域為［-20,20］；所述輸出量u的基本論域為［-umax,umax］且根據(jù)經驗獲得，將偏差e、偏差的變化率ec以及輸出量u模糊化且三者的模糊化子集分別為E，EC，U，所述E，EC的輸入語言變量值均為{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}，所述U的輸出語言變量值為{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}；所述NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB的具體含義為：負大、負中、負小、零、正小、正中、正大；

再對E、EC、U的論域精確量離散化，選定輸入量的量化因子為k_e=0.3,k_ec=0.15，輸出量的量化因子為k_u=umax/3，得到E，EC，U={-3、-2、-1、0、1、2、3}；離散化的目的是為了討論范圍的統(tǒng)一從而便于推理計算，離散化的結果為將所有參數(shù)統(tǒng)一變換到{-3、-2、-1、0、1、2、3}這一個范圍中，量化因子用以將各個參數(shù)的實際范圍變換到設定的{-3、-2、-1、0、1、2、3}中來。

通過隸屬度函數(shù)將偏差e、偏差的變化率ec的量化值模糊化為模糊推理的E、EC，其中NB、PB取zmf函數(shù)，NM、NS、Z、PS、PM取trimf函數(shù)；

（4）根據(jù)上述輸入、輸出語言變量值得到輸出量三個控制參數(shù)Kp、Ki、Kd的模糊控制規(guī)則；

表1 Kp的模糊控制規(guī)則表

表2 Ki的模糊控制規(guī)則表

表3 Kd的模糊控制規(guī)則表

（5）輸出量論域上的模糊化子集U=Kp,Ki,Kd=（E_i×E_j）^T·R，式中·表示模糊化關系的合成運算，式中×表示模糊化推理中的取小運算，式中R表示總的模糊控制規(guī)則，（E_i×E_j）^T表示E_i×E_j矩陣的轉秩，E_i代表e值的數(shù)組，E_j代表ec值的數(shù)組；

依據(jù)上述公式計算出Kp,Ki,Kd三個參數(shù)的值；

（6）經過模糊化推理得到的U與所述輸出量的量化因子相乘即得到模糊PID控制模塊的三個實際輸出量；

經過上述計算，得到給料速度的調節(jié)量，將所述調節(jié)量以及調節(jié)量與當前實際的給料速度進行疊加進行輸出，并進行D/A轉換，給電磁振動給料機相應的激勵電壓以實現(xiàn)對給料速度的調節(jié)與跟蹤。

進一步的，所述參數(shù)的采集周期為0.15s。

當設定給料速度rin為2g/s，實時的給料速度yout為1g/s時，根據(jù)e=+rin-yout計算得到e=1，將e=1以及ec的值帶入模糊PID控制模塊，模糊運算規(guī)則根據(jù)輸入情況得到PID控制的三個參數(shù)Kp,Ki,Kd的實時調整值，再根據(jù)調整后的PID三個參數(shù)Kp,Ki,Kd做運算，得到實際輸出值，如此循環(huán)，設定給料速度和實時的給料速度之間誤差趨向于0g/s時，PID控制模塊參數(shù)調整穩(wěn)定，且PID控制模塊輸出趨向穩(wěn)定。如圖12所示，為實際的給料速度的調節(jié)變化曲線圖：實線為設定給料速度值，[0,5]s的設定給料速度為2g/s，[5,10]s的設定給料速度為1g/s，虛線為實時的給料速度值，可以看出本控制方法具有跟蹤速度快，整個跟蹤過程幾乎沒超調和振蕩。