JP2587236B2 - 粉体計量方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は粉体計量方法に関し、更に詳述すれば、計量
設定値及び実計量値に基づいて行うファジイ推論により
次サイクルの粉体の供給流速を可変にし、高精度，広範
囲及び短時間な計量を可能にする粉体計量方法に関す
る。

（従来技術） 従来、粉体の計量方法として、主にロードセルを用い
た重量式があり、計量容器に供給される粉体の流速は、
例えば特開昭56−148019号，同56−155412号，同57−29
114号公報等に開示されているとおり、計量設定値に対
応した一定流速を前提としている。

すなわち、計量容器で計量される実計量値に応じて流
速を逐次可変にするクローズドループの計量制御方法は
これまでになかった。

また、高精度な計量を実現するため、流速の異なる流
量調整器を並列に設置、または、例えば特開昭57−7201
5号公報に開示されている、流速を異なる固定条件に切
り換えられる機能を有した装置を設置して、計量設定値
の近傍にて、遅い流速側に切り換えて計量する方法があ
る。

なお、上述の方法に関連して、計量停止条件として、
計量容器への流れ込み量を予測して事前に計量を停止さ
せる方法もある。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来の計量制御方法では、前述のとお
り、流速一定或いは流速を二段に分割して切り換えてい
るものの所定範囲内では固定しての計量のため、下記の
欠点を有していた。

計量精度：外乱や粉体物性の変化による流速変動によ
り、精度が保証されない事態を生じる。

すなわち、粉体は物性にて移送する装置が異る、例え
ば顆粒状の粉体では流動性がよいため、ダンパー等を使
用し、流動性の悪い粉体ではスクリューフィーダ等を使
用する。しかし、粉体の流れは一律に決定出来ず粉体の
塊性とか粉体形状や振動等の外乱にて流れは変化する。

特に、吸湿性のある粉体とかブリッジを起こし易い粉
体では、その保存環境条件によってその粉体の流動性は
異なる。従って、供給容器に保存しながら使用するシス
テムでは、環境条件の変化（例えば、温度、湿度とか粉
体の流動性促進のための付帯設備−−バイブレータやエ
アーノッカー等−−による振動）により、その粉体の流
動性は変化する。このため、流速の条件が異なり計量精
度を悪化させてしまう。その対策として、保存量の制限
やその装置の設置環境条件の制限が、計量精度維持に必
要であり、その結果設備的にイニシャルコストやランニ
ングコストを増加させる。

計量範囲：計量範囲が狭い。

この理由は、計量停止しても、系の応答遅れによる流
れ込み量があり、この量が供給流速により決定されるた
め、流速一定のもとでは、計量範囲を狭めることによ
り、特許できる流れ込み量を保証している。従って、同
一粉体の計量であっても、計量設定値が大きく相違する
場合、おのおの適性な計量範囲の計量装置が必要とな
り、装置数が増加する。

計量時間：計量設定値により計量時間が左右される。

計量設定値が小さい場合は、計量時間は短く、大きい
場合は長くなる。従って、製造サイクル上適性な計量時
間の計量装置が計量設定値に応じて必要であり、装置数
が増加する。また、複数の原料粉を混合して新たな混合
粉を生産する場合、例えば原料粉毎に計量設定値が異な
ると、生産システムの製造能力は長時間計量を必要とす
る原材料によって決定される。

本発明の目的は、上記事情に基づいてなされたもの
で、外乱や粉体物性の変化による流速変動に影響されな
い高精度な計量を実現すると共に、広範囲な計量範囲を
確保し、かつ計量設定値の大小に左右されないで短時間
計量を実現する粉体計量方法を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） すなわち、本発明の上記目的は、供給容器から受入容
器に粉体を供給して計量するに際し、任意に設定される
計量設定値と実計量値とにより粉体の供給流速を変化さ
せるクローズドループの粉体計量方法において、流速を
制御する流量調整器の流量特性と計量設定値とによりフ
ァジイ推論を行って計量開始前の前記流量調整器の粉体
移送速度を決定すると共に、計量開始後は、逐次観測さ
れる実計量値と計量設定値との偏差及び偏差の時間的変
化の領域をメンバシップ関数表現し、特に、観測量に対
応する軸の分割を観測量の小さい区間は細かくするよう
に表現し、このメンバシップ関数で表現された領域の移
行関係をファジィルールで表現し、これからファジィ推
論を行い、その結果に基づいて前記移送速度を変化する
ことを特徴とする粉体計量方法により達成される。

（実施態様） 以下、図面により本発明の実施態様を説明する。

第１図は、本発明の１実施態様に適用される粉体計量
装置であり、本実施態様では、粉体を下流側に配置した
受入容器に移送し、該受入容器で計量を行う加算式計量
を示している。

図において、１は被計量粉体が充填された供給容器と
しての貯蔵ホッパ、２は貯蔵ホッパ１の出口に配置さ
れ、粉体の送流速度を制御する流量調整器としてのスク
リューフィーダ、３はシャッタゲート、４はロードセル
５上に配置されて計量機能を有した受入容器としての計
量ホッパ、６はロードセルアンプ、７は前記スクリュー
フィーダ２及びシャッタゲート３を制御する計量制御装
置、８は前記計量制御装置７により制御されるサーボド
ライバ、９は前記サーボドライバにより前記スクリュー
フィーダ２を回転駆動するサーボモータである。

前記スクリューフィーダ２は回転速度を変化する事で
供給粉体流量を広範囲に亘って変化させることができる
ものである。

次に、本発明の粉体計量方法について、第２図の制御
ブロック図を第１図と併用して説明する。

任意量の計量設定値が計量制御装置７に与えられる
と、計量制御装置７のファジイ制御部72は、前記スクリ
ューフィーダ２の流量特性からファジイ推論によるスク
リューフィーダの初期回転速度を算出する。この時の、
メンバシップ関数は、第８図に示すように、計量の設定
値に対してスクリューフィーダ２の初期の粉体移送速度
の係数を関係付けるものであり、例えば、設定値が1000
gであれば、初期粉体移送速度の係数は×0.5となる。こ
のようにして得た初期粉体移送速度が、第５図ないし第
７図の計量時間ゼロにおけるスクリューフィーダ２の回
転出力として表される。

計量制御装置７は、計量開始と同時にこの初期回転速
度で前記スクリューフィーダ２のサーボモータ９が回転
するように、前記サーボドライバ８を制御し、かつシャ
ッタゲート３を開く。

これにより、粉体は貯蔵ホッパ１から計量ホッパ４に
移送されて、計量ホッパ４により実重量値が計量され
る。この際、前記計量ホッパ４は所定の制御周期にて、
時々刻々と変わる実計量値を観測しており、ロードセル
５により計量された実計量値はロードセルアンプ６を介
して計量制御装置７にフィードバックされる。

計量制御装置７はフィルタ演算部71がこのフィードバ
ックされる実計測値と計量設定値との偏差及び偏差の時
間的変化量を算出すると共に、これら量にローパスフィ
ルタ処理を施した観測量を算出する。

前記ファジイ制御部72は、この観測量をもとにファジ
イ推論を行い、すなわち、偏差と偏差の時間的変化分を
メンバシップ関数に表現し、それぞれのバランス領域に
移行する条件を定めたファジィルールに従って粉体移送
速度変化分を求めるファジイ推論を行い、次の制御周期
における前記スクリューフィーダ２の回転速度を算出
し、流速を変更する。

この際、ファジイ推論によるメンバーシップ関数は、
第３図および第９図に図示するように、偏差量及び偏差
時間変化量の各物理量に対応する軸の分割が、物理量の
小さい区間を細かくした例えば片対数として表現され
る。これは、計量精度向上並びに短時間計量を目的とす
るためであり、偏差量が大であれば、制御性の良い事は
必要なく、偏差量が小である場合に制御精度を向上させ
る必要があるからである。このことは、ローパスフィル
タ処理機能にも当てはまり、偏差量等が小さい場合にロ
ーパスフィルタの偏差量等を使用し、計量検出器（ロー
ドセル）の動特性を緩和して計量精度を向上させる。

なお、第９図は、メンバシップ関数のそれぞれの区間
に対応する、偏差及び偏差の時間的変化量のバランス領
域を示し、図中のバランス点は、それぞれの領域におい
て粉体移送速度の変更を必要としない点を示している。

計量開始後、観測量が第９図中のどこに位置するかに
対応して、それぞれのバランス領域に移行する条件を定
めたファジィルールに従ってファジィ推論を行い、その
結果により前記スクリューフィーダ２は適切な回転速度
となるように制御され、次第に計量偏差が小さくなるに
つれ、回転速度も次第に遅くなる方向になり、流速は少
なくなる。計量偏差、計量偏差時間の時間変化量が小さ
くなり、計量偏差がある値以下となると、計量停止し、
シャッタゲート３は閉となり、スクリューフィーダ２の
回転数は０となり、回転を停止する。このとき、流速は
微小であり、流れ込み量は微小である。よって、計量範
囲において、計量設定値とかプロセスの系によりスクリ
ューフィーダ２の動作が変わり、計量設定値の大小を問
わず同一計量装置にて計量ができ、計量範囲が拡大す
る。但し、検出端の静的精度内である。

又、計量時間においても、シャッタゲート３の動作パ
ターンが変化し、計量設定値の大小を問わず、ほぼ同一
の短時間の計量ができる。

以上の様に、本発明の計量方法は、ロードセル５の観
測量を基に、定められた制御周期にてスクリューフィー
ダの回転数をクローズドループ（第２図）にてファジイ
制御し、結果として流速を制御する。

なお、前記実施態様では、流速を可変する流量調整器
としてスクリューフィーダを挙げたが、スクリューフィ
ーダと同様に回転数の指令にて流れを可変させるロータ
リ式であってもよい。また、流動性のよい粉体であれ
ば、位置指令により開度を可変にして流れを変化させる
開度ダンパも適用できる。さらに駆動装置としてはサー
ボモータに限らずインバータモータでも可能であり、回
転数や位置が変化できる装置であればいずれの装置でも
よい。

（実施例） 次に、本発明に基づいて行った実験結果について述べ
る。

この実験は、先の第１図に示した計量装置において行
った。

本結果の計量装置は、最大5kgの計量ができ、ロード
セルの精度は2500分の１である。スクリューフィーダは
インバータモータにて回転数制御され、計量制御装置か
ら回転数指令（電圧出力）が出力される。

第４図は、２種類の粉体の各々のインバータ入力電圧
（回転数）に対する流量（平均値）特性を示す。この２
種類の粉体の特徴について記すと、粉体Ａは顆粒状であ
り、見掛け比重0.5程度であり、粉体Ｂは付着性の強い
小麦粉状のものであり、見掛け比重は0.5程度である。
この２種類の粉体について第１図の構成系にて、各々制
御方式等全く変更せずに計量を行った。

第５図は、その時の粉体Ａの1kg計量結果を示す。
又、第６図に粉体Ｂの1kg計量結果を示す。第５図と第
６図から明らかな通り、スクリューフィーダの回転数の
動作パターンは変わるが、ほぼ同じ計量時間で高精度の
計量結果が得られた。

又、貯蔵ホッパに振動を加え粉体を圧縮し、流動性を
変化させるなど、流動特性に変化を加えたが、当然スク
リューフィーダの動作パターンは異なるものの、計量時
間、計量精度共に同一の結果を得た。

第１表は、計量設定値に対する計量時間及び計量精度
の関係を示す。尚、計量精度に別の検定された重量計に
て流出粉体を計測したものである。5kgの計量では、本
実験系で使用したインバータモータの最大回転数の制限
にて計量時間は長くなったものの計量精度は±2gであっ
た。このインバータモータの能力を上げれば、計量時間
については短縮可能である。図７に粉体Ｂの5kg計量結
果を示すが、これから明らかなように最大回転数で流出
しており、この流出速度が向上すれば更に時間短縮とな
る。

又、本実験系では、2500分の１の精度のロードセルを
使用したため、50g計量の場合、精度は±2gであり、こ
れはロードセルの静荷重精度と等しい。したがって、ロ
ードセルとして5000分の１のタイプを使用すれば、計量
レンジ1:100において±1.0％の精度が得られることが分
かる。更に、本実験系では、インバータモータを使用
し、回転数レンジ（最低回転数と最大回転数の比）は1:
10であった。このモータをサーボモータに変更すれば、
より回転数レンジが広がり計量レンジ1:100において同
一の計量時間並びにより高精度の計量が可能である。

（発明の効果） 以上記載したとおり、本発明の粉体計量方法により、
流量調整器の流量特性、計量システムの構成等に依存せ
ず、同一のメンバーシップ関数並びにファジイルールに
て、下記の効果が得られる。

外乱や粉体物性の変化による流速変動に影響されな
い高精度な計量の実現 計量設定値の範囲の広いワイドレンジの計量の実現 計量設定値の大小に依存しない短時間の計量の実現 更に、計量制御装置として、低容量のメモリにて容易
に製作でき、装置価格のコストダウンができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施態様に適用される粉体計量装置
を説明する図、第２図は第１図の装置における制御プロ
セスを説明するブロック図、第３図はファジイ制御のメ
ンバーシップ関数を説明する図、第４図は２種類の粉体
のスクリューフィーダによる流量特性図、第５図ないし
第７図は本発明に基づいて行った実施例の計量特性図、
第８図は粉体移送速度の初期値を決めるメンバシップ関
数を説明する図、第９図は偏差と偏差の時間的変化量か
ら粉体移送速度を決めるメンバシップ関数を説明する図
である。 １……貯蔵ホッパ,2……スクリューフィーダ， ３……シャッタゲート,4……計量ホッパ， ５……ロードセル,6……ロードセルアンプ， ７……計量制御装置,8……サーボドライバ， ９……サーボモータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 忠造 南足柄市中沼210番地 富士写真フイル ム株式会社内 (72)発明者 大西 弘志 南足柄市中沼210番地 富士写真フイル ム株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−56118（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−202504（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−185826（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−127832（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−171540（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭56−157630（ＪＰ，Ｕ) 計測自動制御学会論文集，Ｖｏｌ. 20、Ｎｏ．８昭和59年８月、Ｐ．720〜 726，自動学習ファジーコントローラの 項参照

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】供給容器から受入容器に粉体を供給して計
   量するに際し、任意に設定される計量設定値と実計量値
   とにより粉体の供給流速を変化させるクローズドループ
   の粉体計量方法において、流速を制御する流量調整器の
   流量特性と計量設定値とによりファジィ推論を行なって
   計量開始前の前記流量調整器の粉体移送速度を決定する
   と共に、計量開始後は、逐次観測される実計量値と計量
   設定値との偏差及び偏差の時間的変化量を観測量とし、
   偏差と偏差の時間的変化の領域をメンバシップ関数表現
   し、かつ、観測量に対応する軸の分割を観測量の小さい
   区間は細かくするように表現し、このメンバシップ関数
   で表現された領域の移行関係をファジィルールで表現
   し、これからファジィ推論を行い、そのファジィ推論の
   結果に基づいて前記移送速度を変化させることを特徴と
   する粉体計量方法。