一种顶置式天平高精度加样系统和控制方法与流程

本发明属于高精度计量，涉及一种顶置式天平高精度加样系统，同时也涉及该加样系统的控制方法。

背景技术：

1、在化学、制药、材料科学及实验室自动化领域，固体粉末的自动称量加样装置是样品前处理、配方合成及高通量筛选等流程中的关键设备。

2、在上述应用场景中，尤其是药物早期筛选、催化剂配方优化、微量样品制备等环节，毫克级别甚至亚毫克级别的高精度固体加样已成为核心需求。但是，粉末状物料与液体不同，其流动性、堆积密度、静电荷、吸湿性及团聚倾向等物性差异极大，且同一批次内不同粉桶的粉体状态也可能发生变化。理论上，通过重量反馈闭环控制可以实现高精度加样，但在实际工程中，要实现对不同粉末（从自由流动的无机盐到粘附性强的有机粉末）的毫克级目标加样，现有技术面临以下系统性难题：

3、1）微量输送的非线性与死区问题。当接近目标量（如剩余十毫克）时，螺杆每转动一圈的输送量（克/转）并非恒定，而是呈现明显的非线性衰减甚至死区（螺杆空转但不落粉），导致常规比例控制无法实现微步逼近。

4、2）振动扰动对毫克级称量的淹没效应

5、现有下置式或侧挂式称量结构在加样过程中，加样头与反应器之间存在机械接触或振动传递，加样机构的移动、回转、螺杆旋转及振动器动作均会引入毫牛顿级的动态力干扰，使真实毫克级重量变化淹没在噪声中。

6、3）粉体物性在线辨识的缺失

7、对于流动性差异较大的粉体（如粘性、易团聚或易架桥粉体），单一模式难以兼顾连续输送与瞬时破桥需求，导致下料速率不稳定或堵塞。传统方案依赖离线标定或固定增益参数，无法在加样过程中根据实时反馈（如克/转的实际值及其波动方差）在线学习并调整控制策略，导致对不同粉体的适应性差，同一套参数换一种粉体后过冲率或加样时间显著劣化。

8、4）对过冲缺乏闭环控制机制。一旦实际加入量超出目标毫克量（例如过冲5 mg），现有装置普遍无法自动回调（如从反应器中反向取出粉末），只能人工干预或报废样品，这对于高通量自动化流程而言是严重缺陷。

9、因此，如何在兼顾加样效率的前提下，实现跨物性、毫克级精度的固体粉末自动加样，并同步解决振动干扰、在线学习、过冲回调等一系列耦合问题，是现有技术长期未能妥善解决的技术难题。

10、综上，现有固体粉末自动加样装置在结构布局兼容性、下料模式的多样性自适应、控制策略的在线学习与多阶段状态切换、称量信号的抗扰动后处理以及过冲后的闭环修正等方面，仍存在明显不足。因此，开发一种能够克服上述缺陷的新型固体加样装置及控制方法，具有重要的工程应用价值。

技术实现思路

1、本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种顶置式天平高精度加样系统的控制方法。

2、本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种上述加样系统。

3、为实现上述技术目的，本发明采用以下的技术方案：

4、根据本发明实施例的第一方面，提供一种顶置式天平高精度加样系统的控制方法，所述顶置式天平高精度加样系统包括悬架、固定于悬架上方的顶置天平、悬挂于顶置天平下方的粉桶及传动机构，包括以下步骤：

5、s1：开机初始化与参数预设，设定目标质量值；

6、s2：计算当前剩余量，根据所述当前剩余量与预设切换阈值的比较结果，判断当前阶段；

7、s3：根据所述当前阶段、克/转增益或克/周期增益及其标准差，选定下次下料操作的操作参数；

8、s4：根据s3中确定的操作参数，执行单次下料动作；

9、s5：采集所述顶置天平的质量信号；

10、s6：利用卡尔曼滤波器对所述质量信号进行滤波，得到稳态质量估计值；

11、s7：根据所述稳态质量估计值更新当前剩余量，并且利用指数移动平均算法实时更新所述克/转增益、克/周期增益及其标准差；

12、s8：若更新后的当前剩余量达到目标质量的允许误差范围，则结束加样；否则返回步骤s2，形成闭环控制。

13、其中较优地，步骤s7中，

14、更新后的当前剩余量：r_new = m_target - m_est，其中，m_target为目标质量，m_est为稳态质量估计值，

15、根据本次周期的实际质量增量δm = m_est - m_prev和本次周期的实际的螺杆转数turn_new和螺杆周期数cycle_new，计算本次观测增益 g_obs_turn和g_obs_cycle,统称为g_obs：

16、g_obs_turn = δm/turn_new；

17、g_obs_cycle = δm/cycle_new，

18、其中，m_prev为上一周期的稳态质量；

19、然后，基于上一周期的克/转增益g_old_turn和克/周期增益g_old_cycle和标准差σ_old，更新得到本次周期的克/转增益g_new_turn和克/周期增益g_new_cycle与方差σ_new：

20、g_new_turn = (1-α)·g_old_turn + α·g_obs_turn

21、g_new_cycle = (1-α)·g_old_cycle + α·g_obs_cycle

22、σ_new2 = (1-β)·σ_old2 + β·(g_obs- g_new)2，或者，σ_new = (1-α)·σ_old+ α·|g_obs - g_old|，

23、其中，α、β取0.1–0.3，按阶段调整取值。

24、其中较优地，步骤s3中，

25、基于当前阶段、当前克/转增益或克/周期增益及其标准差，从候选集中在线选择最优下料模式，所述候选集包括由不同转速档与不同振动角度组合构成的多个选项；

26、并且，出现振动失效时，回退至纯旋转模式。

27、其中较优地，步骤s2中，

28、判断当前阶段，至少包括fast、medium、slow阶段，

29、其中，在fast 阶段当前剩余量为三个阶段中最大量，per_round_target最大；

30、在slow阶段当前剩余量为三个阶段中最小量，per_round_target最小。

31、其中较优地，在slow阶段，

32、在剩余量坐标上布设检查点的数量，比fast或medium阶段的检查点更密集，

33、每到达一个检查点则主动暂停并执行卡尔曼滤波重估真实质量，以更新当前剩余量。

34、其中较优地，在slow阶段，

35、读取当前标准差σ，若σ超过当前阶段允许的σ阈值则降低 per_round_target，然后重新计算检查点。

36、将所述顶置天平输出的原始质量信号输入卡尔曼滤波器，以估计当前的稳态质量。

37、根据本发明实施例的第二方面，提供一种顶置式天平高精度加样系统，包括：

38、悬架；

39、顶置天平，固定于所述悬架的上方；

40、粉桶，悬挂于所述顶置天平的下方；

41、传动机构，安装于所述悬架并用于驱动所述粉桶内的螺杆；

42、总控制器，被配置为执行以下操作：

43、根据目标质量值与稳态质量估计值计算当前剩余量，并基于所述剩余量与预设阈值的比较结果切换阶段，所述阶段包括learn阶段、fast阶段、medium阶段、slow阶段和jog阶段；

44、在加样过程中，利用指数移动平均算法实时更新克/转增益和/或克/周期增益及其标准差；

45、利用卡尔曼滤波器对所述顶置天平输出的质量信号进行滤波，并以滤波后的稳态质量估计值作为闭环反馈控制的依据。

46、其中较优地，所述总控制器被配置为执行如前述的控制方法。

47、其中较优地，还包括倾角/姿态传感器，固定安装于所述悬架或所述顶置天平的刚性壳体上，用于安装时检测姿态偏移量；

48、其中较优地，所述传动机构包括中阻尼轴承和大扭矩电机，使每次启停的对齿误差稳定。

49、其中较优地，还包括对桶体的振动执行器，所述悬架的结构设计满足满足对来自传动机构与振动执行器的扰动进行隔振的要求。

50、与现有技术相比较，本发明通过结构隔振、抗回转传动、多源信号融合、ema在线学习、多阶段状态机、动态安全裕度、检查点回调及候选模式选择等多重机制的协同作用，在不牺牲加样效率的前提下，实现了跨粉体物性、毫克级精度的自适应闭环控制。本发明能够针对不同粉体的流动性、堆积密度差异进行动态识别调整，自学习实现动态加样参数调整以适配不同物性的粉体，降低加样精度波动，稳定维持毫克级的加样准确度，无需人工提前标定参数，即可适配不同种类粉体的加样需求，从控制层面补足了物性辨识缺失带来的精度缺陷。