设计示例：实现最佳效果的介绍

定量包装秤应用于工农业自动化生产自动定量包装，整个称量过程由电脑控制，自动完成。其功能包括自动称量和自动包装，主要性能指标包括秤量范围、工作节拍、可靠度、失效率、秤量精度、自动化程度及成本等。本节以定量包装秤为对象，进行该系统总体方案优化设计。

定量包装秤的性能指标为：包装重量范围为1～10kg/袋；秤量精度0.2%；工作节拍7s；销售价格低于5500元。

控制方式通常包括开环控制、半闭环控制、闭环控制及复合控制四种。定量包装秤的控制方式根据控制对象分类，包括容积式开环控制、容积式半闭环控制、质量半闭环控制和质量闭环控制。每种控制方式可达到的性能指标如表8-6所示。

定量包装秤总体结构功能框图如图8-6所示。当定量包装秤进入自动运行状态后，称重控制系统打开给料门开始加料，该给料装置分为快、慢两级给料方式；当物料重量达到快给料设定值时，停止快给料，保持慢给料；当物料重量达到最终设定值时，关闭给料门，完成动态称重过程。物料重量为被控制物理量，控制系统将被控量与输入量进行比较，完成称重功能。

根据性能指标要求与功能分析可以得出，定量包装秤控制方式采用重量闭环控制。

表8-6 控制方式与相应性能指标

在控制方式和总体结构方案选定之后，便可进行机电等效性和互补性分析，以便优化选择最佳的总体结构方案。

定量包装秤的精度指标是一个必须要达到的指标，影响称量精度的因素包括外部环境干扰和系统内部结构的非理想特性，其中机械有害振动是外部干扰的主要体现形式。抑制有害振动的方法有机械隔振、模拟滤波和数字滤波等，在前一节中已经介绍了利用等效功能的分配方法，完成定量包装秤的功能分配，这里不再详述。

影响称量精度的系统内部结构包括电动机、给料器、传感器、放大器、A/D转换器、控制器等，既有机械环节，也有电气环节，具有机电互补性，因此需要将精度指标按机电统筹的方法合理地分配到各影响环节。影响称量精度的系统内部结构的特性如表8-7所示。

表8-7 影响称量精度的系统内部结构的特性

定量称重秤的精度指标按外部干扰0.05%、内部环节0.13%、精度余量0.02%进行分配，并取精度指标作为特征指标，失效率和成本作为优化指标，采用多目标规划的方法便可确定出最佳的结构方案。(www.xing528.com)

影响定量包装秤精度的内部结构主要有五个，每个结构的实现方式有三种，系统总体结构可组合出3⁵=243种方案。采用线性加权法构造评价函数，并取失效率和成本的权重系数各为0.5，利用式（8-16）～式（8-19）在满足精度指标0.13%的可行域内对系统总体结构方案进行评价，最后选出总体结构最佳总体结构方案如表8-8所示。

表8-8 定量电子秤最佳总体结构方案

由表8-5与表8-8可知，定量包装秤整体结构方案包括机械结构方案与电气结构方案。机械结构设计方案为：

1）给料机构采用步进电动机驱动的叶片式给料，给料精度优于0.85g，给料速度高于2kg/s。

2）机座部分应有机械隔振装置，对5Hz以上的机械振动具有优于-20dB的衰减能力。

3）秤斗部分可称量1～10kg、密度大于0.5kg/cm³的散状物料，物料排出时间少于1s。

电气结构设计方案为：

1）传感器精度优于0.03%。

2）放大器精度优于0.01%。

3）数字滤波器对5Hz以上的波动信号具有优于-20dB的衰减能力。

4）控制器运算过程中的截尾误差、舍去误差等运算误差小于0.005%。