水果动态称重与自动分选控制系统研究与开发

摘要

高附加值农产品的生产、包装、存贮与销售是21世纪农业发展的重要方向之一。水果自动分选,是集约化水果生产与销售的重要一环,对于提高水果的产后附加值,提高我国水果市场竞争力,促进果业产业化与国际化具重要的意义。基于称重的水果自动分选以其分选速度快,分级包装精度高在水果分选方法中占有独特地位。此外,基于称重信息的自动分选技术研究,在食品、矿产,交通等领域的计量分级或结算工作也有应用价值。
　　 目前国内的水果称重分选系统无论是在称重精度、分选速度还是在控制系统的灵活性实用性上与国外分选线仍存在一定差距,且进口分选线价格高昂,一定程度上制约了我国果业规模化售前处理的进一步发展,因此自主研制一套满足我国需求的水果称重自动分选控制系统变得尤为紧迫。
　　 围绕国内市场对水果称重分选的实际需求,结合某农业产业化技改项目研发工作,论文重点研究了水果分选系统中,动态信号处理、低速与高速称重策略、位置同步跟踪、分选线分级口负荷均衡等关键技术,完成了一套水果动态称重与自动分选控制系统的设计与开发工作,并经现场安装、调试与初步投运,分析验证了该控制系统在实际水果分选生产线中的适用性。论文的主要工作和创新点如下:
　　 (1)研究了动态称重信号处理技术和称重稳态信号预测策略针对称重模块的结构特点,研究分析了动态称重信号产生的全过程,对各称重段信号的物理意义进行了分析解释;应用基于自适应噪声抵消方法,以消除系统噪声干扰,推导了归一化LMS(最小均方)算法,讨论了阶数及迭代步长对滤波效果的影响,实验验证了所研究方法对分选线的称重信号噪声具有很好的抑制效果;针对高速分选状态下称重信号稳态值过短的问题,提出了基于AR(自回归)模型的称重策略,它基于上升段称重信号通过自回归预测稳态值,实验结果表明该模型具有很强的信息凝聚能力,可快速准确预测出称重信号的稳态值。
　　 (2)研究了自动分选技术并设计了分选策略根据水果自动称重分选系统运动和工作同步信号的设计特点,基于脉冲触发指令移位操作设计了一种水果(果杯)位置同步跟踪软件方法,保证系统可实时跟踪水果位置并具有良好的可扩展性;针对实际生产中卸同一等级水果的数个分级口之间卸果负荷不均衡的难题,基于令牌环思想设计了一套分级口闻卸果权平均分配策略,通过实时更新分级口权限索引表保证了在任意分级口配置下,卸同一等级水果的数个分级口均享有平等的卸果权;为提高装箱精度同时兼顾分选效率,设计了一套分级口分级区间自动修正策略,应用结果表明该策略保证了装箱精度和分选率都可满足生产要求。
　　 (3)完成了水果动态称重与自动分选控制系统的设计与开发,并进行现场应用将基于三层C/S网络体系的PCS系统引入到水果称重分选系统中,研究开发了控制系统的操作站软件与控制站软件,并进行实际安装、调试和投运,球形水果称重分选速度可达14个/秒,单果称重误差小于2％左右,满足了动态称重分选需要,提高了实际生产的效率。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 水果生产的现状

1.1.2 水果产后处理技术

1.1.3 水果分选的意义

1.2 国内外水果分选的研究现状

1.2.1 基于大小分选的研究现状

1.2.2 基于外部品质分选的研究现状

1.2.3 基于内部品质分选的研究现状

1.3 基于称重分选的研究意义与研究现状

1.4 论文主要研究内容

1.5 本章小结

第二章 水果动态称重与自动分选控制系统架构设计

2.1 水果称重分选控制系统结构

2.2 称重模块

2.2.1 果杯结构

2.2.2 称重区域结构

2.2.3 桥路信号测量系统

2.3 同步信号发生器

2.4 本章小结

第三章 动态信号处理技术与称重策略研究

3.1 动态称重信号分析

3.1.1 信号产生过程

3.1.2 动态信号分析

3.1.3 干扰来源

3.2 基于自适应滤波的动态称重噪声对消

3.2.1 自适应噪声对消原理

3.2.2 归一化LMS算法原理

3.2.3 实际滤波效果

3.3 低速分选状态下称重策略设计

3.3.1 采样起始点确定

3.3.2 缓冲区数据处理

3.3.3 重量拟合

3.4 高速分选状态下称重策略研究

3.4.1 ARMA模型与AR模型

3.4.2 AR模型参数的估计

3.4.3 AR模型的适用性检验

3.4.4 实际预测效果

3.5 本章小结

第四章 自动分选技术与分选策略研究

4.1 整体果杯出厂标定

4.1.1 问题的提出

4.1.2 承重片受力分析

4.1.3 自动标定程序的实现

4.2 水果位置同步跟踪实现

4.3 分级口负荷均衡策略设计

4.3.1 负荷均衡问题的提出

4.3.2 负荷均衡策略设计

4.4 分级口分级区间的自动修正

4.5 本章小结

第五章 水果动态称重与自动分选控制系统构建技术

5.1 计算机控制系统的基本设计原则

5.2 三层C/S体系的网络结构

5.2.1 三层C/S网络体系

5.2.2 操作站

5.2.3 控制站

5.3 操作站软件开发的关键技术

5.3.1 数据的刷新与同步

5.3.2 以太网数据流控制逻辑设计

5.3.3 数据类型及控件开发

5.3.4 软件开发需要注意的一些问题

5.4 控制站软件开发的关键技术

5.4.1 PLC控制站的构建

5.4.2 基于结构化的编程

5.4.3 程序架构设计

5.4.3 软件开发需要注意的一些问题

5.5 本章小结

第六章 现场应用与效果

6.1 操作站人机界面

6.2 系统应用效果

第七章 总结和展望

7.1 论文工作总结

7.2 工作展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间的研究成果

附录