高精度液体灌装动态称重控制系统研究

作     者：李强 

作者单位：四川大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汪永超;曹明松

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0822[工学-轻工技术与工程] 

主      题：液体灌装 动态称重 自适应噪声抵消 二阶段式灌装控制 迭代学习控制算法 

摘      要：大部分物料是以袋装、瓶装或者罐装的形式出现,以便于其储存、运输及使用等。因此,灌装机械是自动化灌装生产线上不可或缺的装置。灌装机械,主要是包装机械中的一类产品,其广泛适用于医药、食品、饮料、日化、油脂、农药及其他特殊行业。称重式液体灌装机是灌装机械的一种,如何保证在快速称重的情况下达到所要求的称重精度,已成为国内外学者研究的重点。因此,设计开发一套能够在预定时间内实现高精度称重的液体灌装动态称重控制系统,具有非常重要的意义。针对高精度液体灌装动态称重控制系统所存在的称重精度和称重速度之间相互影响和相互矛盾的问题,本文以称重式液体灌装机为研究对象,主要对自适应噪声抵消称重信号采集与处理和二阶段式灌装控制在线修正2个关键技术进行研究。主要研究内容如下:1)查阅与本课题相关的文献资料和企业调研,对国内外灌装机械、称重信号处理技术以及灌装控制技术的发展概况进行了分析、归纳和总结,为液体灌装动态称重控制系统的研发做好了相关知识储备。2)结合实际工况条件,按照课题灌装技术指标要求对高精度液体灌装动态称重控制系统的需求进行了分析,对所需要研究的内容进行了分析与归纳,并设计出了相应的总体方案。3)自适应噪声抵消称重信号处理技术研究。结合实际工况条件,通过分析噪声产生的主要来源,针对动态称重信号及噪声信号的非平稳性和随机性的特点,提出了一种自适应噪声抵消称重信号处理方法。该方法通过对动态称重信号中噪声信号进行抵消,以此衰减或者抑制称重传感器自身振动、灌装过程中物料下落时冲击力变化以及外界随机干扰等所产生的噪声信号影响。重点介绍了自适应滤波器结构、自适应噪声抵消原理和算法以及参考噪声信号的获取方法,并通过仿真实验比较分析了自适应LMS算法、自适应NLMS算法和自适应RLS算法的去噪性能,最终选择自适应NLMS算法作为本课题动态称重信号的自适应噪声抵消算法,实现了稳定可靠的称重数据采集与处理。4)二阶段式灌装控制在线修正技术研究。结合本课题称重式液体灌装机所选用的双控灌装阀,为了兼顾给料速度和给料精度的要求,对灌装过程中的控制策略进行了分析和研究,提出一种双控灌装阀的启、闭配合来进行二阶段式灌装的控制策略,对动态称重灌装过程的数学模型进行了研究,并通过确定粗细给料最佳切换点实现了给料速度的最大化,以及对现有灌装控制技术的不足进行分析,提出一种基于改进的迭代学习控制算法的关门提前量在线修正方法,以提高给料精度。最后,通过实验表明改进的迭代学习控制算法具有很好的适应性能。5)针对上述关键技术项,通过对高精度液体灌装动态称重控制系统的硬件进行选型与设计,并搭建原型装置对灌装过程中的自适应噪声抵消称重信号采集与处理、二阶段式灌装控制在线修正的效果进行灌装实例验证。结果表明高精度液体灌装动态称重控制系统能够保证在规定时间内的高精度称重,满足在12 s内称量500 g物料且称重精度为1 g以内的效果。