一种动态配料自抗扰控制方法
一种动态配料自抗扰控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于动态配料技术领域，涉及一种动态配料自抗扰控制方法，特别是一种 通过简化模型利用先进控制技术实现的动态配料自抗扰控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展和进步，在当今的工业产品生产中，产品大多是由几种原料 按照一定的比例混合而成的，例如水泥、饲料、化肥、食品、药物等。这种将多种原料按事先 设定的比例进行混合的动态配料系统在工业生产过程中有着广泛的应用，它是根据规定的 不同原料的配料比例，在不同的配料系统中进行动态称量配料的。
[0003] 在建筑、饲料加工、食品加工、制药、化工等行业，动态配料系统都具有良好的应用 前景，对于这些产品生产企业来说，产品质量和生产能力是决定企业发展的关键因素。企业 的生产能力取决于产品动态配料系统的速度，而产品质量很大程度上取决于配料系统的精 度。如果产品的质量低于行业的标准，就会带来严重的经济损失，导致企业无法生存。因此 提高动态配料系统的速度和控制精度对提高这些行业的劳动生产率及产品质量，降低消耗 等起到重要的作用。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种动态配料自抗扰控制方法，该方法利用自 抗扰控制技术结合动态配料系统简化模型，对动态配料过程配比精度进行控制，从而实现 建材动态配料系统的精确配料。
[0005] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0006] 一种动态配料自抗扰控制方法，包括以下步骤：步骤一：建立动态配料系统电机 频率与物料流量模型；步骤二：建立动态配料过程中皮带秤物料冲击模型；步骤三：建立动 态配料系统称重模型；步骤四：结合步骤一中的动态配料系统电机频率与物料流量模型、 步骤二中的皮带秤物料冲击模型、步骤三中的动态配料系统称重模型，利用现代先进自抗 扰控制技术建立动态配料系统自抗扰控制模型，从而实现动态配料自抗扰控制。
[0007] 进一步，在步骤一中，针对动态配料系统给料部分工艺，分析给料过程机理，确定 影响给料过程的主要因素，并通过机理分析方法实现模型的建立；
[0008] 建立动态配料系统电机频率与物料流量模型为：
[0010] 其中，Qe为配料系统给料机给料流量，R D为电机的转动半径，为减速机的转动半 径，Re为给料皮带转动半径，P为物料密度，w为皮带秤宽度，h为物料下落高度，f为电机 的转动频率。
[0011] 进一步，在步骤二中，对动态配料系统中物料从给料机落入皮带秤的过程进行研 宄，分析物料在落入皮带秤时对皮带秤称重精度的影响，并建立冲击模型；
[0012] 建立基于冲量定理的动态配料过程中皮带秤物料冲击模型为：
[0014] 其中，F(t)为考虑物料冲击力时传感器在时刻t所受的拉力值，m(t)为落下的物 料质量，H为物料落下的高度，G为皮带秤上物料量。
[0015] 进一步，在步骤三中，结合动态配料称重工艺，建立动态配料称重过程的机理模 型；
[0016] 所述的态配料系统称重模型，采用定量称量的方式，结合动态配料皮带秤称量工 艺流程及传感器称重原理而建立，称重模型包括瞬时流量模型与累积流量模型：
[0017] 动态配料系统皮带秤物料瞬时流量模型为：
[0019] 动态配料系统皮带秤物料累积流量模型为：
[0021] 其中，k为称量系数，v(m/s)为皮带的额定转速，M_为称重传感器的最大额定称 量值，M min为称重传感器的最小额定称量值，(kg)是电子皮带秤自身的皮带重量，L是皮 带秤的有效称量段的长度，V是皮带秤传感器输出电压值，Q为瞬时流量，M为累积流量。
[0022] 进一步，在步骤四中，动态配料系统自抗扰控制模型的传递函数的实现通过如下 变换获取：
[0023] 配料系统的输入f?与输出之间的关系变化为：
[0025] 其中，
为与动态配料系统结构有关的常量，对上式做如下变换：
[0027] 将上式变换为状态方程为：
[0029] 则系统传递函数为：
[0031] 通过获取的传递函数设计动态配料自抗扰控制模型的跟踪微分器，扩张状态观测 器，及非线性状态误差反馈控制律，实现自抗扰控制模型的各个部分。
[0032] 进一步，所述跟踪微分器采用一阶跟踪微分器，其模型特征为：
[0034] 其中，Zn跟踪输入信号，Z12跟踪输入的微分信号；h为跟踪器的未知参数； Xl、x2S 系统在相邻时刻的输出状态值，fhan( ?)为最速控制综合函数；
[0035] 所述扩张状态观测器采用二阶扩张状态观测器，其模型特征为：
[0037] 其中，Z21是动态配料系统状态观测量，Z 22是动态配料系统状态观测量的微分，Z 23 是动态配料系统扰动观测量，抑制外扰和对象的不确定性。参数a、自^!^，根据调节经验 a -般取0. 25、0. 5、0. 75, 02会影响动态配料系统扰动信号估计的滞后，0 2越大滞后就 越小，但02过大会使系统产生振荡，虽然增大0 :可以抑制振荡，但是0 :过大会使系统发 散，因此的调整需要相互协调，根据状态跟踪器的应用经验，可以先调整0 2，再逐 渐增大0 :，不断改善控制效果，直至最优；
[0038] 所述非线性状态误差反馈控制律，其模型特征为：
[0039] u〇= k j (Zn-Z21) +k2 (Z12-Z22)
[0041] 其中，b为被控输入的增益，由于P ^可代表大部分情况下物料的密度值，则可取b =K# p V ki、k2为权重系数初始值，可取k k 2= 1，后续系统运行可根据效果进行调整。
[0042] 本发明的有益效果在于：
[0043] 1、通过对配料工艺流程主要影响因素的确定，简化动态配料工艺流程，划分为给 料、称量、配料三个部分，并对各个部分的主要影响因素进行深入探宄，分别建立简化模型， 使动态配料自抗扰控制模型的鲁棒性更强，可靠性更高；
[0044] 2、通过建立电机频率与物料流量模型，解决由于配料原料大小、密度、形状的不确 定性而影响配料精度的问题，为动态配料自抗扰控制方法的实现提供理论指导；
[0045] 3、通过建立皮带秤物料冲击模型，对影响动态配料称重皮带秤称量精度的主要干 扰进彳丁处理，提尚称量精度进而提尚动态配料系统物料的配比精度；
[0046] 4、通过建立动态配料系统称重模型，包括瞬时流量模型及累积流量模型，对动态 配料称量部分的称量原理进行分析，为动态配料自抗扰控制方法的实现提供理论指导。
[0047] 5、通过结合电机频率与物料流量模型、皮带秤物料冲击模型及动态配料系统称重 模型实现动态配料系统自抗扰控制方法，为动态配料的精确控制提供科学、可靠、实用的方 法，并保证配料的鲁棒性、抗干扰性及高精确性。
【附图说明】
[0048] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行 说明：
[0049] 图1为给料部分给料简化原理示意图；
[0050] 图2为动态配料系统漏料示意图；
[0051] 图3为皮带冲击力模型示意图；
[0052]图4为动态配料系统自抗扰控制结构图；
[0053] 图5为本发明所述方法的实现流程框图；
[0054] 图6为实施例中的仿真结果图。
【具体实施方式】
[0055] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0056] 本发明所述的自抗扰控制方法模型建立原理为：
[0057] 在动态配料系统简化模型的基础上，设计系统自抗扰控制器，首先对建立的动态 配料系统的简化模型进行一定的转换，由工艺模型可知，配料系统的输入f与输出之间的 关系变化为：
[0059] 其中，
为与动态配料系统结构有关的常量，为设计自抗扰控制系 统做如下变换：
[0061] 将上式变换为状态方程为：
[0063] 则系统传递函数为：
[0065]由于Pmin彡P彡Pmax，且P_和P_是已知的原料密度的最小值和最大值，将 上式转换为：
[0067] 其中，取
为密度的中值，也可通过现场数据测量和数据分析取合适 的值，该值的物理意义是配料过程中大部分情况下物料的密度值，AP为密度变化的不确 定参数即系统的扰动信号。
[0068]综上，P为具有一定大小的不确定参数，对于动态配料系统在配料的过程中还存 在许多干扰因素，所建立的模型是系统的简化模型，且由于采用的是皮带秤称量技术系统 还存在时延，综上分析设计如图4所示的自抗扰控制系统结构框图，将w(t)为包含不确定 参数A p的系统的内部扰动和外部扰动的总和，v(t) =Qin(t)为给定参考流量值，x(t)= Qc(t)为系统输出流量。[0069] 通过上述分析表明，动态配料自抗扰控制方法模型是在系统简化工艺的基础上建 立的，不需要建立复杂的系统数学模型，且具有很强的抗干扰性能，这是自抗扰控制方法模 型区别于其他控制方法模型的独特之处。
[0070]图5为本发明所述方法的实现流程框图，本发明的预测过程包括：（1)建立动态配 料系统电机频率与物料流量模型；（2)建立动态配料过程中皮带秤物料冲击模型；（3)建立 动态配料系统称重模型；(4)建立动态配料系统自抗扰控制模型等步骤：
[0071] (1)建立动态配料系统电机频率与物料流量模型
[0072] 针对本发明建立的自抗扰控制方法模型要求，对于动态配料给料部分工艺简化模 型的分析原理为：配料系统中驱动源为异步电动机，一般通过调节该电机的频率来调节给 料机输送带的转速，进而实现皮带秤上物料流量的变化。图1为给料部分给料简化原理示 意图，图2为动态配料系统漏料不意图。
[0073] 驱动电机经过减速机的减速减的原理是：速驱动电机通过减速机的输入轴上的齿 数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到降低转速提高扭矩的作用，根据此原理可得出减 速机的输出速度，驱动电机频率与转速的关系，而减速机与给料机的连接采用同轴连接则 减速机的角速度与给料机运转的角速度相等，故可推导出驱动电机与给料机给料流量之间 的关系为：
[0075] (2)建立动态配料过程中皮带秤物料冲击模型
[0076] 图3为皮带冲击力模型示意图，通过对称重传感器的称重原理及动态配料系统给 料部分工艺流程，从力学角度通过对图3所示的简化冲击示模型进行分析，得到皮带秤物 料冲击模型为：
[0078] 其中，F(t)为考虑物料冲击力时传感器在时刻t所受的拉力值，m(t)为落下的物 料质量，H为物料落下的高度，G为皮带秤上物料量。
[0079] (3)建立动态配料系统称重模型
[0080] 动态配料系统称重模型为包括瞬时流量模型及累积流量模型两个部分：
[0081] 所建立的动态配料系统皮带秤物料瞬时流量模型为：
[0083] 所建立的动态配料系统皮带秤物料累积流量模型为：
[0085] 其中，k为称量系数，v(m/s)为皮带的额定转速，Mmax为称重传感器的最大额定称 量值，M min为称重传感器的最小额定称量值，(kg)是电子皮带秤自身的皮带重量，L是皮 带秤的有效称量段的长度，V是皮带秤传感器输出电压值，Q为瞬时流量，M为累积流量。
[0086] (4)建立动态配料系统自抗扰控制模型
[0087] 利用自抗扰控制技术建立图4所示动态配料自抗扰控制模型，包括跟踪微分器 (ES0)，扩张状态观测器（TD)，及非线性状态误差反馈控制律（NLSEF)三个部分。
[0088] 跟踪微分器采用一阶跟踪微分器，其模型特征为；
[0090] 其中，Zn跟踪输入信号，Z12跟踪输入的微分信号；h为跟踪器的未知参数； Xl、x2S 系统在相邻时刻的输出状态值，fhan( ?)为最速控制综合函数。
[0091] 扩张状态观测器采用二阶扩张状态观测器，其模型特征为；
[0093] 其中，Z21是动态配料系统状态观测量，Z 22是动态配料系统状态观测量的微分，Z 23 是动态配料系统扰动观测量，抑制外扰和对象的不确定性。参数a、为与配料系统 工艺有关的待调参数。
[0094] 非线性状态误差反馈控制律为；
[0095]u〇= k! (Zn-Z21)+k2(Z12-Z22)
[0097] 其中，b为被控输入的增益，由式可知，由于P ^可代表大部分情况下物料的密度 值，则可取b= K#P vkpk2为权重系数初始值可取k 1= k2= 1，后续系统运行可根据效果 进行调整。
[0098] 利用仿真软件对其进行仿真分析，如图6所示为仿真结果，动态配料自抗扰控制 方法（ADRC)的控制可以实现系统静差的完全消除，且曲线可以看出，自抗扰对给定量的变 化有较好的跟踪性能，在给定量变化较短时间内即可达到稳定的跟随。
[0099] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通 过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在 形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
【主权项】
1. 一种动态配料自抗扰控制方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤一：建立动态配料系统电机频率与物料流量模型； 步骤二：建立动态配料过程中皮带秤物料冲击模型； 步骤三：建立动态配料系统称重模型； 步骤四：结合步骤一中的动态配料系统电机频率与物料流量模型、步骤二中的皮带秤 物料冲击模型、步骤三中的动态配料系统称重模型，利用现代先进自抗扰控制技术建立动 态配料系统自抗扰控制模型，从而实现动态配料自抗扰控制。2. 根据权利要求1所述的一种动态配料自抗扰控制方法，其特征在于：在步骤一中，针 对动态配料系统给料部分工艺，分析给料过程机理，确定影响给料过程的主要因素，并通过 机理分析方法实现模型的建立； 建立动态配料系统电机频率与物料流量模型为：其中，Qe为配料系统给料机给料流量，Rd为电机的转动半径，h为减速机的转动半径， Re为给料皮带转动半径，P为物料密度，w为皮带秤宽度，h为物料下落高度，f为电机的转 动频率。3. 根据权利要求1所述的一种动态配料自抗扰控制方法，其特征在于：在步骤二中，对 动态配料系统中物料从给料机落入皮带秤的过程进行研宄，分析物料在落入皮带秤时对皮 带秤称重精度的影响，并建立冲击模型； 建立基于冲量定理的动态配料过程中皮带秤物料冲击模型为：其中，F(t)为考虑物料冲击力时传感器在时刻t所受的拉力值，m(t)为落下的物料质 量，H为物料落下的高度，G为皮带秤上物料量。4. 根据权利要求1所述的一种动态配料自抗扰控制方法，其特征在于：在步骤三中，结 合动态配料称重工艺，建立动态配料称重过程的机理模型； 所述的态配料系统称重模型，采用定量称量的方式，结合动态配料皮带秤称量工艺流 程及传感器称重原理而建立，称重模型包括瞬时流量模型与累积流量模型： 动态配料系统皮带秤物料瞬时流量模型为：动态配料系统皮带秤物料累积流量模型为：其中，k为称量系数，V (m/s)为皮带的额定转速，Mmax为称重传感器的最大额定称量值， Mmin为称重传感器的最小额定称量值，M ^ (kg)是电子皮带秤自身的皮带重量，L是皮带秤的 有效称量段的长度，V是皮带秤传感器输出电压值，Q为瞬时流量，M为累积流量。5. 根据权利要求1所述的一种动态配料自抗扰控制方法，其特征在于：在步骤四中，动 态配料系统自抗扰控制模型的传递函数的实现通过如下变换获取： 配料系统的输入f与输出之间的关系变化为：其中，为与动态配料系统结构有关的常量，对上式做如下变换：将上式变换为状态方程为：则系统传递函数为：通过获取的传递函数设计动态配料自抗扰控制模型的跟踪微分器，扩张状态观测器， 及非线性状态误差反馈控制律，实现自抗扰控制模型的各个部分。6.根据权利要求5所述的一种动态配料自抗扰控制方法，其特征在于： 所述跟踪微分器采用一阶跟踪微分器，其模型特征为：其中，Z11跟踪输入信号，Z 12跟踪输入的微分信号；h为跟踪器的未知参数；x i、X2为系 统在相邻时刻的输出状态值，fhan( ·)为最速控制综合函数； 所述扩张状态观测器采用二阶扩张状态观测器，其模型特征为：其中，Z21是动态配料系统状态观测量，Z 22是动态配料系统状态观测量的微分，Z 23是动 态配料系统扰动观测量，抑制外扰和对象的不确定性；α、β i、β 2为参数； 所述非线性状态误差反馈控制律，其模型特征为： U0 - k 1 (Z1J-Z21) +k2 (Z^-Z22)其中，b为被控输入的增益，kp k2为权重系数初始值。
【专利摘要】本发明涉及一种动态配料自抗扰控制方法，属于建材动态配料技术领域。该方法包括以下步骤：步骤一：建立动态配料系统电机频率与物料流量模型；步骤二：建立动态配料过程中皮带秤物料冲击模型；步骤三：建立动态配料系统称重模型；步骤四：结合步骤一中的动态配料系统电机频率与物料流量模型、步骤二中的皮带秤物料冲击模型、步骤三中的动态配料系统称重模型，利用现代先进自抗扰控制技术建立动态配料系统自抗扰控制模型，从而实现动态配料自抗扰控制。本方法结合机理分析及现代先进控制技术，对动态配料过程配比精度进行控制，从而实现建材动态配料系统的精确配料，在动态配料系统应用中具有强鲁棒性及强抗干扰性，具有广泛的应用前景。
【IPC分类】G05B13/04
【公开号】CN104898420
【申请号】CN201510221343
【发明人】林景栋, 林湛丁, 林秋阳, 周宏波, 陈俊宏, 黄立沛, 徐大发, 游佳川
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月4日
【技术领域】
[0001] 本发明属于动态配料技术领域，涉及一种动态配料自抗扰控制方法，特别是一种 通过简化模型利用先进控制技术实现的动态配料自抗扰控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展和进步，在当今的工业产品生产中，产品大多是由几种原料 按照一定的比例混合而成的，例如水泥、饲料、化肥、食品、药物等。这种将多种原料按事先 设定的比例进行混合的动态配料系统在工业生产过程中有着广泛的应用，它是根据规定的 不同原料的配料比例，在不同的配料系统中进行动态称量配料的。
[0003] 在建筑、饲料加工、食品加工、制药、化工等行业，动态配料系统都具有良好的应用 前景，对于这些产品生产企业来说，产品质量和生产能力是决定企业发展的关键因素。企业 的生产能力取决于产品动态配料系统的速度，而产品质量很大程度上取决于配料系统的精 度。如果产品的质量低于行业的标准，就会带来严重的经济损失，导致企业无法生存。因此 提高动态配料系统的速度和控制精度对提高这些行业的劳动生产率及产品质量，降低消耗 等起到重要的作用。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种动态配料自抗扰控制方法，该方法利用自 抗扰控制技术结合动态配料系统简化模型，对动态配料过程配比精度进行控制，从而实现 建材动态配料系统的精确配料。
[0005] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0006] 一种动态配料自抗扰控制方法，包括以下步骤：步骤一：建立动态配料系统电机 频率与物料流量模型；步骤二：建立动态配料过程中皮带秤物料冲击模型；步骤三：建立动 态配料系统称重模型；步骤四：结合步骤一中的动态配料系统电机频率与物料流量模型、 步骤二中的皮带秤物料冲击模型、步骤三中的动态配料系统称重模型，利用现代先进自抗 扰控制技术建立动态配料系统自抗扰控制模型，从而实现动态配料自抗扰控制。
[0007] 进一步，在步骤一中，针对动态配料系统给料部分工艺，分析给料过程机理，确定 影响给料过程的主要因素，并通过机理分析方法实现模型的建立；
[0008] 建立动态配料系统电机频率与物料流量模型为：
[0010] 其中，Qe为配料系统给料机给料流量，R D为电机的转动半径，为减速机的转动半 径，Re为给料皮带转动半径，P为物料密度，w为皮带秤宽度，h为物料下落高度，f为电机 的转动频率。
[0011] 进一步，在步骤二中，对动态配料系统中物料从给料机落入皮带秤的过程进行研 宄，分析物料在落入皮带秤时对皮带秤称重精度的影响，并建立冲击模型；
[0012] 建立基于冲量定理的动态配料过程中皮带秤物料冲击模型为：
[0014] 其中，F(t)为考虑物料冲击力时传感器在时刻t所受的拉力值，m(t)为落下的物 料质量，H为物料落下的高度，G为皮带秤上物料量。
[0015] 进一步，在步骤三中，结合动态配料称重工艺，建立动态配料称重过程的机理模 型；
[0016] 所述的态配料系统称重模型，采用定量称量的方式，结合动态配料皮带秤称量工 艺流程及传感器称重原理而建立，称重模型包括瞬时流量模型与累积流量模型：
[0017] 动态配料系统皮带秤物料瞬时流量模型为：
[0019] 动态配料系统皮带秤物料累积流量模型为：
[0021] 其中，k为称量系数，v(m/s)为皮带的额定转速，M_为称重传感器的最大额定称 量值，M min为称重传感器的最小额定称量值，(kg)是电子皮带秤自身的皮带重量，L是皮 带秤的有效称量段的长度，V是皮带秤传感器输出电压值，Q为瞬时流量，M为累积流量。
[0022] 进一步，在步骤四中，动态配料系统自抗扰控制模型的传递函数的实现通过如下 变换获取：
[0023] 配料系统的输入f?与输出之间的关系变化为：
[0025] 其中，
为与动态配料系统结构有关的常量，对上式做如下变换：
[0027] 将上式变换为状态方程为：
[0029] 则系统传递函数为：
[0031] 通过获取的传递函数设计动态配料自抗扰控制模型的跟踪微分器，扩张状态观测 器，及非线性状态误差反馈控制律，实现自抗扰控制模型的各个部分。
[0032] 进一步，所述跟踪微分器采用一阶跟踪微分器，其模型特征为：
[0034] 其中，Zn跟踪输入信号，Z12跟踪输入的微分信号；h为跟踪器的未知参数； Xl、x2S 系统在相邻时刻的输出状态值，fhan( ?)为最速控制综合函数；
[0035] 所述扩张状态观测器采用二阶扩张状态观测器，其模型特征为：
[0037] 其中，Z21是动态配料系统状态观测量，Z 22是动态配料系统状态观测量的微分，Z 23 是动态配料系统扰动观测量，抑制外扰和对象的不确定性。参数a、自^!^，根据调节经验 a -般取0. 25、0. 5、0. 75, 02会影响动态配料系统扰动信号估计的滞后，0 2越大滞后就 越小，但02过大会使系统产生振荡，虽然增大0 :可以抑制振荡，但是0 :过大会使系统发 散，因此的调整需要相互协调，根据状态跟踪器的应用经验，可以先调整0 2，再逐 渐增大0 :，不断改善控制效果，直至最优；
[0038] 所述非线性状态误差反馈控制律，其模型特征为：
[0039] u〇= k j (Zn-Z21) +k2 (Z12-Z22)
[0041] 其中，b为被控输入的增益，由于P ^可代表大部分情况下物料的密度值，则可取b =K# p V ki、k2为权重系数初始值，可取k k 2= 1，后续系统运行可根据效果进行调整。
[0042] 本发明的有益效果在于：
[0043] 1、通过对配料工艺流程主要影响因素的确定，简化动态配料工艺流程，划分为给 料、称量、配料三个部分，并对各个部分的主要影响因素进行深入探宄，分别建立简化模型， 使动态配料自抗扰控制模型的鲁棒性更强，可靠性更高；
[0044] 2、通过建立电机频率与物料流量模型，解决由于配料原料大小、密度、形状的不确 定性而影响配料精度的问题，为动态配料自抗扰控制方法的实现提供理论指导；
[0045] 3、通过建立皮带秤物料冲击模型，对影响动态配料称重皮带秤称量精度的主要干 扰进彳丁处理，提尚称量精度进而提尚动态配料系统物料的配比精度；
[0046] 4、通过建立动态配料系统称重模型，包括瞬时流量模型及累积流量模型，对动态 配料称量部分的称量原理进行分析，为动态配料自抗扰控制方法的实现提供理论指导。
[0047] 5、通过结合电机频率与物料流量模型、皮带秤物料冲击模型及动态配料系统称重 模型实现动态配料系统自抗扰控制方法，为动态配料的精确控制提供科学、可靠、实用的方 法，并保证配料的鲁棒性、抗干扰性及高精确性。
【附图说明】
[0048] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行 说明：
[0049] 图1为给料部分给料简化原理示意图；
[0050] 图2为动态配料系统漏料示意图；
[0051] 图3为皮带冲击力模型示意图；
[0052]图4为动态配料系统自抗扰控制结构图；
[0053] 图5为本发明所述方法的实现流程框图；
[0054] 图6为实施例中的仿真结果图。
【具体实施方式】
[0055] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0056] 本发明所述的自抗扰控制方法模型建立原理为：
[0057] 在动态配料系统简化模型的基础上，设计系统自抗扰控制器，首先对建立的动态 配料系统的简化模型进行一定的转换，由工艺模型可知，配料系统的输入f与输出之间的 关系变化为：
[0059] 其中，
为与动态配料系统结构有关的常量，为设计自抗扰控制系 统做如下变换：
[0061] 将上式变换为状态方程为：
[0063] 则系统传递函数为：
[0065]由于Pmin彡P彡Pmax，且P_和P_是已知的原料密度的最小值和最大值，将 上式转换为：
[0067] 其中，取
为密度的中值，也可通过现场数据测量和数据分析取合适 的值，该值的物理意义是配料过程中大部分情况下物料的密度值，AP为密度变化的不确 定参数即系统的扰动信号。
[0068]综上，P为具有一定大小的不确定参数，对于动态配料系统在配料的过程中还存 在许多干扰因素，所建立的模型是系统的简化模型，且由于采用的是皮带秤称量技术系统 还存在时延，综上分析设计如图4所示的自抗扰控制系统结构框图，将w(t)为包含不确定 参数A p的系统的内部扰动和外部扰动的总和，v(t) =Qin(t)为给定参考流量值，x(t)= Qc(t)为系统输出流量。[0069] 通过上述分析表明，动态配料自抗扰控制方法模型是在系统简化工艺的基础上建 立的，不需要建立复杂的系统数学模型，且具有很强的抗干扰性能，这是自抗扰控制方法模 型区别于其他控制方法模型的独特之处。
[0070]图5为本发明所述方法的实现流程框图，本发明的预测过程包括：（1)建立动态配 料系统电机频率与物料流量模型；（2)建立动态配料过程中皮带秤物料冲击模型；（3)建立 动态配料系统称重模型；(4)建立动态配料系统自抗扰控制模型等步骤：
[0071] (1)建立动态配料系统电机频率与物料流量模型
[0072] 针对本发明建立的自抗扰控制方法模型要求，对于动态配料给料部分工艺简化模 型的分析原理为：配料系统中驱动源为异步电动机，一般通过调节该电机的频率来调节给 料机输送带的转速，进而实现皮带秤上物料流量的变化。图1为给料部分给料简化原理示 意图，图2为动态配料系统漏料不意图。
[0073] 驱动电机经过减速机的减速减的原理是：速驱动电机通过减速机的输入轴上的齿 数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到降低转速提高扭矩的作用，根据此原理可得出减 速机的输出速度，驱动电机频率与转速的关系，而减速机与给料机的连接采用同轴连接则 减速机的角速度与给料机运转的角速度相等，故可推导出驱动电机与给料机给料流量之间 的关系为：
[0075] (2)建立动态配料过程中皮带秤物料冲击模型
[0076] 图3为皮带冲击力模型示意图，通过对称重传感器的称重原理及动态配料系统给 料部分工艺流程，从力学角度通过对图3所示的简化冲击示模型进行分析，得到皮带秤物 料冲击模型为：
[0078] 其中，F(t)为考虑物料冲击力时传感器在时刻t所受的拉力值，m(t)为落下的物 料质量，H为物料落下的高度，G为皮带秤上物料量。
[0079] (3)建立动态配料系统称重模型
[0080] 动态配料系统称重模型为包括瞬时流量模型及累积流量模型两个部分：
[0081] 所建立的动态配料系统皮带秤物料瞬时流量模型为：
[0083] 所建立的动态配料系统皮带秤物料累积流量模型为：
[0085] 其中，k为称量系数，v(m/s)为皮带的额定转速，Mmax为称重传感器的最大额定称 量值，M min为称重传感器的最小额定称量值，(kg)是电子皮带秤自身的皮带重量，L是皮 带秤的有效称量段的长度，V是皮带秤传感器输出电压值，Q为瞬时流量，M为累积流量。
[0086] (4)建立动态配料系统自抗扰控制模型
[0087] 利用自抗扰控制技术建立图4所示动态配料自抗扰控制模型，包括跟踪微分器 (ES0)，扩张状态观测器（TD)，及非线性状态误差反馈控制律（NLSEF)三个部分。
[0088] 跟踪微分器采用一阶跟踪微分器，其模型特征为；
[0090] 其中，Zn跟踪输入信号，Z12跟踪输入的微分信号；h为跟踪器的未知参数； Xl、x2S 系统在相邻时刻的输出状态值，fhan( ?)为最速控制综合函数。
[0091] 扩张状态观测器采用二阶扩张状态观测器，其模型特征为；
[0093] 其中，Z21是动态配料系统状态观测量，Z 22是动态配料系统状态观测量的微分，Z 23 是动态配料系统扰动观测量，抑制外扰和对象的不确定性。参数a、为与配料系统 工艺有关的待调参数。
[0094] 非线性状态误差反馈控制律为；
[0095]u〇= k! (Zn-Z21)+k2(Z12-Z22)
[0097] 其中，b为被控输入的增益，由式可知，由于P ^可代表大部分情况下物料的密度 值，则可取b= K#P vkpk2为权重系数初始值可取k 1= k2= 1，后续系统运行可根据效果 进行调整。
[0098] 利用仿真软件对其进行仿真分析，如图6所示为仿真结果，动态配料自抗扰控制 方法（ADRC)的控制可以实现系统静差的完全消除，且曲线可以看出，自抗扰对给定量的变 化有较好的跟踪性能，在给定量变化较短时间内即可达到稳定的跟随。
[0099] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通 过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在 形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
【主权项】
1. 一种动态配料自抗扰控制方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤一：建立动态配料系统电机频率与物料流量模型； 步骤二：建立动态配料过程中皮带秤物料冲击模型； 步骤三：建立动态配料系统称重模型； 步骤四：结合步骤一中的动态配料系统电机频率与物料流量模型、步骤二中的皮带秤 物料冲击模型、步骤三中的动态配料系统称重模型，利用现代先进自抗扰控制技术建立动 态配料系统自抗扰控制模型，从而实现动态配料自抗扰控制。2. 根据权利要求1所述的一种动态配料自抗扰控制方法，其特征在于：在步骤一中，针 对动态配料系统给料部分工艺，分析给料过程机理，确定影响给料过程的主要因素，并通过 机理分析方法实现模型的建立； 建立动态配料系统电机频率与物料流量模型为：其中，Qe为配料系统给料机给料流量，Rd为电机的转动半径，h为减速机的转动半径， Re为给料皮带转动半径，P为物料密度，w为皮带秤宽度，h为物料下落高度，f为电机的转 动频率。3. 根据权利要求1所述的一种动态配料自抗扰控制方法，其特征在于：在步骤二中，对 动态配料系统中物料从给料机落入皮带秤的过程进行研宄，分析物料在落入皮带秤时对皮 带秤称重精度的影响，并建立冲击模型； 建立基于冲量定理的动态配料过程中皮带秤物料冲击模型为：其中，F(t)为考虑物料冲击力时传感器在时刻t所受的拉力值，m(t)为落下的物料质 量，H为物料落下的高度，G为皮带秤上物料量。4. 根据权利要求1所述的一种动态配料自抗扰控制方法，其特征在于：在步骤三中，结 合动态配料称重工艺，建立动态配料称重过程的机理模型； 所述的态配料系统称重模型，采用定量称量的方式，结合动态配料皮带秤称量工艺流 程及传感器称重原理而建立，称重模型包括瞬时流量模型与累积流量模型： 动态配料系统皮带秤物料瞬时流量模型为：动态配料系统皮带秤物料累积流量模型为：其中，k为称量系数，V (m/s)为皮带的额定转速，Mmax为称重传感器的最大额定称量值， Mmin为称重传感器的最小额定称量值，M ^ (kg)是电子皮带秤自身的皮带重量，L是皮带秤的 有效称量段的长度，V是皮带秤传感器输出电压值，Q为瞬时流量，M为累积流量。5. 根据权利要求1所述的一种动态配料自抗扰控制方法，其特征在于：在步骤四中，动 态配料系统自抗扰控制模型的传递函数的实现通过如下变换获取： 配料系统的输入f与输出之间的关系变化为：其中，为与动态配料系统结构有关的常量，对上式做如下变换：将上式变换为状态方程为：则系统传递函数为：通过获取的传递函数设计动态配料自抗扰控制模型的跟踪微分器，扩张状态观测器， 及非线性状态误差反馈控制律，实现自抗扰控制模型的各个部分。6.根据权利要求5所述的一种动态配料自抗扰控制方法，其特征在于： 所述跟踪微分器采用一阶跟踪微分器，其模型特征为：其中，Z11跟踪输入信号，Z 12跟踪输入的微分信号；h为跟踪器的未知参数；x i、X2为系 统在相邻时刻的输出状态值，fhan( ·)为最速控制综合函数； 所述扩张状态观测器采用二阶扩张状态观测器，其模型特征为：其中，Z21是动态配料系统状态观测量，Z 22是动态配料系统状态观测量的微分，Z 23是动 态配料系统扰动观测量，抑制外扰和对象的不确定性；α、β i、β 2为参数； 所述非线性状态误差反馈控制律，其模型特征为： U0 - k 1 (Z1J-Z21) +k2 (Z^-Z22)其中，b为被控输入的增益，kp k2为权重系数初始值。
【专利摘要】本发明涉及一种动态配料自抗扰控制方法，属于建材动态配料技术领域。该方法包括以下步骤：步骤一：建立动态配料系统电机频率与物料流量模型；步骤二：建立动态配料过程中皮带秤物料冲击模型；步骤三：建立动态配料系统称重模型；步骤四：结合步骤一中的动态配料系统电机频率与物料流量模型、步骤二中的皮带秤物料冲击模型、步骤三中的动态配料系统称重模型，利用现代先进自抗扰控制技术建立动态配料系统自抗扰控制模型，从而实现动态配料自抗扰控制。本方法结合机理分析及现代先进控制技术，对动态配料过程配比精度进行控制，从而实现建材动态配料系统的精确配料，在动态配料系统应用中具有强鲁棒性及强抗干扰性，具有广泛的应用前景。
【IPC分类】G05B13/04
【公开号】CN104898420
【申请号】CN201510221343
【发明人】林景栋, 林湛丁, 林秋阳, 周宏波, 陈俊宏, 黄立沛, 徐大发, 游佳川
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月4日
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