一种失重式喂料系统的制作方法

本发明涉及喂料，具体地说，涉及一种失重式喂料系统。

背景技术：

1、失重式喂料机是一种通过静态称重方式实现高精度连续定量给料的自动称重设备，其基本工作原理为：通过安装在秤台上的称重传感器实时采集料斗中物料的重量数据，控制器根据单位时间内物料重量的减少量计算得出实际下料流量，再将实际流量与操作人员设定的目标流量进行比较，根据两者之间的偏差输出速度控制信号给变频器，由变频器调节喂料电机的转速，从而使实际流量不断趋近于设定流量，实现闭环流量控制；

2、失重式喂料机运行过程中，现场设备振动、气流扰动、人员误碰等外界干扰因素会严重影响称重传感器采集数据的准确性，当检测到重量数据异常波动时，现有系统通常只能简单地切换至“干扰模式”，在该模式下系统不再依据实时重量数据进行闭环调节，而是按照固定速度运行，直至干扰消失，导致无法区分干扰的具体类型和严重程度，且导致该时间段内的喂料精度无法保证；

3、并且，补料是失重式喂料机运行中不可或缺的环节，当料斗内物料重量下降至设定的补料下限时，补料阀门打开，物料从补料仓落入称重料斗，补料过程中，新物料落入料斗时对称重传感器产生冲击力，导致重量数据短暂失真，同时，补料后料位升高，料斗内物料堆积密度发生变化，导致单位时间出料质量随之改变，会使实际流量在补料前后出现明显波动，影响整体喂料精度；

4、鉴于此，我们提出失重式喂料系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供失重式喂料系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种失重式喂料系统，包括称重料斗、喂料机构、称重传感器、控制器、变频器和人机界面，所述称重传感器将实时重量数据传输给所述控制器，所述控制器根据所述重量数据计算实际流量并根据所述实际流量与设定流量的偏差向所述变频器输出速度控制信号以调节喂料机构电机的转速；

3、所述控制器包括多维度干扰识别模块、喂料状态识别模块、补料过程智能优化模块和参数自适应匹配模块；

4、所述多维度干扰识别模块用于在每一控制周期内同时采集和分析重量波动特征、流量偏差趋势和驱动信号稳定性，并识别输出干扰类型标识和干扰强度等级，输出干扰状态信息，并根据不同的干扰状态信息执行不同的抗干扰控制策略；

5、所述喂料状态识别模块用于接收所述多维度干扰识别模块的干扰状态信息，以及重量波动特征和流量偏差趋势，将喂料机的当前运行状态划分为至少包括允许正常补料的第一等级、允许补料但需采用保守参数的第二等级和禁止补料的第三等级在内的多个状态等级，并输出当前状态等级标识；

6、所述补料过程智能优化模块用于在所述喂料状态识别模块输出的状态等级为第一等级或第二等级且料斗重量下降至补料下限时启动补料控制，并在补料触发前执行预补偿控制、在补料过程中执行分级降速控制、在补料完成后执行渐进式恢复控制，其中所述分级降速控制的降速幅度和所述渐进式恢复控制的恢复步长根据所述喂料状态识别模块输出的状态等级确定，当状态等级为第二等级时降速幅度增大至基础值的预定倍数、恢复步长缩小至基础值的预定比例；

7、所述参数自适应匹配模块用于根据用户输入的物料参数从预设的参数配置数据库中匹配初始控制参数并应用到控制器中，并执行在线优化。

8、作为本技术方案的进一步改进，所述多维度干扰识别模块包括重量波动特征分析单元、流量偏差趋势分析单元和驱动信号稳定性分析单元：

9、所述重量波动特征分析单元用于计算最近n个采样点的重量数据的方差值，以及最近n个采样点中最大重量值与最小重量值之差与对应时间跨度的比值作为峰值变化率；当所述方差值超过第一阈值且所述峰值变化率超过第二阈值时，输出重量波动特征异常；

10、所述流量偏差趋势分析单元用于计算最近m个控制周期内实际流量与设定流量偏差的变化率，以及最近m个控制周期内流量偏差的累积总和，当所述偏差变化率超过第三阈值且所述累积偏差的绝对值超过第四阈值时，输出流量偏差趋势异常；

11、所述驱动信号稳定性分析单元用于实时采集变频器输出给电机的频率信号，计算最近l个采样点中最大频率值与最小频率值之差作为频率波动幅值，以及最近l个采样点中频率变化方向发生改变的次数与对应时间跨度的比值作为频率波动频率，当所述频率波动幅值超过第五阈值且所述频率波动频率超过第六阈值时，输出驱动信号稳定性异常。

12、作为本技术方案的进一步改进，所述多维度干扰识别模块还包括干扰综合判断单元，用于识别输出干扰类型标识和干扰强度等级，包括以下姿态：

13、当重量波动特征异常而流量偏差趋势正常且驱动信号稳定性正常时，判定为突发冲击型干扰，并输出干扰强度等级，包括无干扰状态、轻度突发冲击型干扰和重度突发冲击型干扰；

14、当重量波动特征异常且流量偏差趋势异常而驱动信号稳定性正常时，判定为持续扰动型干扰；

15、当驱动信号稳定性异常时，判定为共振型干扰，该判定具有最高优先级。

16、作为本技术方案的进一步改进，所述多维度干扰识别模块还包括抗干扰控制策略生成单元，用于根据不同的干扰状态信息执行不同的抗干扰控制策略，包括：

17、其一、适用于突发冲击型干扰且干扰强度低于预设第一等级的情况：保持闭环控制模式，将重量滤波系数增大至正常值的1.5倍至3倍，维持预设的冲击抑制时间后逐步回调至正常值，流量滤波系数保持不变；

18、其二、适用于突发冲击型干扰且干扰强度达到或超过预设第一等级的情况：切换至保持模式，以进入干扰模式前一段预设时间内的平均电机速度作为保持速度运行，启动计时器，在预设的等待时间内若干扰消失则自动恢复闭环控制模式并逐步回调重量滤波系数，若等待时间结束干扰仍未消失则发出报警信号；

19、其三、适用于持续扰动型干扰的情况：保持闭环控制模式，将控制增益系数降低至正常值的百分之五十至百分之八十，并将采样时间间隔增加至正常值的1.2倍至2倍；

20、其四、适用于共振型干扰的情况：以预设步长在预设频率范围内扫描变频器输出频率，同时监测称重传感器信号的波动幅值，记录波动幅值最大的频率点作为共振频率点，在控制器中针对该共振频率点设置陷波器，将控制器输出信号中该频率成分滤除。

21、作为本技术方案的进一步改进，所述喂料状态识别模块中：

22、所述第一等级为正常运行状态，其判定条件为：所述多维度干扰识别模块判定为无干扰状态，实际流量与设定流量的偏差持续稳定在预设范围以内且持续时间超过预设时长，料斗重量处于正常范围内且重量变化趋势正常；

23、所述第二等级为谨慎运行状态，其判定条件为：所述多维度干扰识别模块判定当前为轻度突发冲击型干扰且该干扰已被抑制，或者实际流量与设定流量的偏差虽然在预设范围之外但在可接受范围内；或者刚刚完成启动，稳定运行时间不足预设时长；

24、所述第三等级为禁止补料状态，其判定条件为：所述多维度干扰识别模块判定为重度突发冲击型干扰或共振型干扰，且系统正处于保持模式，或者所述实际流量与设定流量的偏差超过预设最大允许值；或者料斗重量出现异常变化，输出禁止触发任何补料操作；

25、还包括第四等级为紧急状态，其判定条件为：料斗重量已低于紧急下限；或者系统检测到出料口无物料输出但电机仍在运转；或者称重传感器信号丢失或明显异常，立即发出最高优先级报警，同时强制停止喂料电机运行，等待操作人员人工介入处理。

26、作为本技术方案的进一步改进，所述喂料状态识别模块还包括恢复状态确认单元，用于在补料完成后，持续监测实际流量与设定流量的偏差是否已稳定在预设范围以内且持续时间超过预设时长、所述多维度干扰识别模块是否持续判定为无干扰状态、重量变化趋势是否恢复正常，当上述条件全部满足时，将干扰状态从补料后恢复中切换回所述第一等级正常运行状态。

27、作为本技术方案的进一步改进，所述补料过程智能优化模块包括预补偿控制单元、分级降速控制单元和渐进式恢复控制单元：

28、所述预补偿控制单元用于在料斗重量下降至补料下限至补料阀门实际打开的延迟期间，根据当前瞬时流量偏差值、过去一段时间内流量偏差的累积总和以及当前流量偏差的变化速度计算速度补偿量，并将该速度补偿量叠加至当前控制输出；

29、所述分级降速控制单元用于补料阀门打开后，根据补料前已累计的流量偏差值和补料过程中料斗重量的变化速率动态确定基础降速幅度，再根据所述喂料状态识别模块输出的状态等级对所述基础降速幅度进行调整，当状态等级为第二等级时降速幅度增大至基础值的预定倍数，根据本次补料量占料斗总容量的比例动态确定降速持续时间，在降速持续时间内以调整后的降速幅度降低电机速度；

30、所述渐进式恢复控制单元用于补料阀门关闭后，以当前电机速度为起点，按照预设的速度步长逐步提高电机速度，所述速度步长根据所述喂料状态识别模块输出的状态等级确定，当状态等级为第一等级时，采用标准步长，当状态等级为第二等级时，恢复步长缩小至标准步长的0.7倍，每一步之间间隔预设的时间间隔，直至恢复至补料前的正常速度水平。

31、作为本技术方案的进一步改进，所述参数自适应匹配模块在每次更换物料或系统初次启动时，操作人员通过人机界面向系统输入物料参数；

32、所述物料参数包括当前物料的类型、物料的流动性等级和物料的堆积密度值。

33、作为本技术方案的进一步改进，所述参数自适应匹配模块部预先存储了一个参数配置数据库，用于基于大量实验数据和现场调试经验建立针对不同物料类型、不同流动性等级和不同堆积密度范围的组合，分别对应的控制参数，所述控制参数包括采样时间间隔、重量滤波系数、流量滤波系数、控制增益系数、抗干扰等级补料降速幅度和补料降速时间。

34、作为本技术方案的进一步改进，所述参数自适应匹配模块的在线优化方式为：

35、在运行过程中持续监控实际流量与设定流量之间偏差的方差值、补料后实际流量超过设定流量的最大超调量，以及补料完成后到实际流量重新稳定所需的调节时间；

36、当所述偏差的方差值超过预设方差阈值，或者所述最大超调量超过预设超调量阈值，或者所述调节时间超过预设时间阈值时，以预设的步长增加或减小控制参数，其中：

37、参数调整的方向还参考所述喂料状态识别模块输出的状态等级分布，若在一定时间窗口内的发生次数或时间占比超过了预先设定阈值的处于第二等级状态则适当提高控制增益，若在一定时间窗口内的发生次数或时间占比超过了预先设定阈值的处于第三等级状态则适当降低控制增益或增大滤波系数。

38、与现有技术相比，本发明的有益效果：

39、该失重式喂料系统中，通过多维度干扰识别模块实现重量波动特征对干扰的存在提供第一重证据，流量偏差趋势对干扰是否为持续性提供第二重证据，驱动信号稳定性用于区分干扰源是外部环境还是系统自身共振，还交叉验证机制只有在多个维度同时出现异常时才做出确定性判断，有效避免了单一维度判断的误报率高的缺陷，同时能够准确区分突发冲击型、持续扰动型和共振型三种不同性质的干扰；

40、然后，喂料状态识别模块将运行状态划分为多个等级，使补料操作的触发和执行严格依据系统当前的综合运行状态进行，并综合了干扰状态信息、重量波动特征和流量偏差趋势三个维度的信息进行状态判定，使状态等级的划分具有多维度的验证支撑，避免了单一信息源误判导致的状态等级错分；

41、使补料过程智能优化模块在补料触发前执行预补偿控制以抵消低料位导致的流量下滑趋势，在补料过程中执行分级降速控制以抑制落料冲击，在补料完成后执行渐进式恢复控制以避免速度突变引发的流量震荡，实现了对补料全过程三个阶段的针对性优化，且降速幅度和恢复步长根据喂料状态识别模块输出的状态等级动态调整，第二等级时降速幅度增大至基础值的预定倍数、恢复步长缩小至基础值的预定比例，使补料策略能够自适应地匹配系统当前状态，在状态良好时追求效率，在状态欠佳时确保安全。