為了改進(jìn)舊包裝生產(chǎn)線(xiàn)電子秤的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重性能,根據動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統中的數學(xué)模型時(shí)變非線(xiàn)性強、傳感器動(dòng)態(tài)品質(zhì) 差以及被測對象沖力、秤體振動(dòng)、空中余料難以確定等一些造成稱(chēng)重系統快速性和精度難以提高的因素,提出了零極點(diǎn)配置的自適應 動(dòng)態(tài)補償和基于哈明窗的fir低通濾波方法,實(shí)際應用表明:本方法能有效地改善稱(chēng)重精度,縮短信號衰減時(shí)間，提高稱(chēng)重速度。

1.前言

電子秤在包裝生產(chǎn)過(guò)程中是很重要的一環(huán)，它的性能好壞 直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟效益。包裝生產(chǎn)線(xiàn)的電子秤工作過(guò)程是 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重過(guò)程，被測物料在下落過(guò)程中具有的加速度會(huì )對稱(chēng)體 造成沖擊，給稱(chēng)量的精度帶來(lái)較大影響。在動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統中，解 決快速性問(wèn)題和提高動(dòng)態(tài)稱(chēng)量準確度是至關(guān)重要的。車(chē)間舊包 裝生產(chǎn)線(xiàn)電子秤稱(chēng)重系統的性能比較差，主要表現在速度慢、精 度低、波動(dòng)大。針對舊包裝生產(chǎn)線(xiàn)電子秤存在的問(wèn)題，提出了一 種改進(jìn)電子秤動(dòng)態(tài)性能的方法，在秤傳感器后串接補償環(huán)節以 實(shí)現動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性補償，并結合采用哈明窗低通濾波器進(jìn)行改 進(jìn)。車(chē)間聯(lián)合哈爾濱博實(shí)自動(dòng)化設備有限責任公司采用上述方 法對舊包裝生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行改造后，舊電子秤動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統的計量 偏差30袋平均值由原來(lái)的大于3%。變?yōu)樾∮?/span>1%。，稱(chēng)量速度由原 來(lái)的500袋/小時(shí)左右變?yōu)?/span>800袋/小時(shí)以上，有效地提高了動(dòng)態(tài) 稱(chēng)重系統的快速性和精度，取得了較好的效果。

2.電子秤動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統分析及其模型

電子秤工作過(guò)程中其稱(chēng)量的物料質(zhì)量是不斷變化的，動(dòng)態(tài) 稱(chēng)重過(guò)程的被控對象具有慣性、滯后、非時(shí)變等非線(xiàn)性環(huán)節的特 性，是單輸入單輸出的無(wú)自平衡能力的二階純滯后對象，其系 統為時(shí)變非線(xiàn)性系統。電子秤傳感器一般由應變片和彈性體組 成。彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結構件，它的主要作用是將力 轉換為形變，應變片將變形轉變成電阻變化。由于其彈性體的 阻尼比較小，稱(chēng)重過(guò)程振蕩嚴重，稱(chēng)重系統的動(dòng)態(tài)響應過(guò)程到達 穩態(tài)狀態(tài)的時(shí)間較長(cháng)，難以滿(mǎn)足快速生產(chǎn)的要求。

影響動(dòng)態(tài)稱(chēng)重性能的因素主要有：信號采集模塊的自身誤 差；稱(chēng)重傳感器自身誤差；彈性體的欠阻尼振蕩；被測物料加速 度的沖擊力；留在空中的物料誤差;機械振動(dòng)的干擾；噪聲干擾 等。其中，彈性體欠阻尼振蕩是影響比較大的因素之一，必須加 以改進(jìn)。

稱(chēng)重環(huán)節中的應變式稱(chēng)重傳感器和秤體構成稱(chēng)重部分，動(dòng) 態(tài)稱(chēng)重過(guò)程中，水平方向的振動(dòng)對稱(chēng)重精度影響較小，可忽略不 計，則稱(chēng)重部分可以等效為一個(gè)由彈簧、阻尼器組成的二階線(xiàn)性 系統，如圖1所示，其數學(xué)模型為：

式中：m為秤體質(zhì)量，M(t)為物料質(zhì)量，G(t)為物料重量，C 為等效阻尼系數，K為等效剛度，(t)為物料下落的沖擊力，X為 秤體相對參考零點(diǎn)的位移。

式（1)是秤體相對參考點(diǎn)的位移x與重量G(t)的函數模型， 由式可知，系統是一個(gè)時(shí)變線(xiàn)性系統。當系統質(zhì)量不變時(shí)，式

(1)是典型的二階線(xiàn)性系統。采用分段線(xiàn)性化法將該函數模型 近似為線(xiàn)性時(shí)不變系統來(lái)建立系統的數學(xué)模型，在很短的時(shí)間 段[t，t+Ad內，可以假定物料下落的質(zhì)量M(t)與沖擊力F(t)不 變，即G= Mg+F，則式(1)經(jīng)過(guò)拉普拉斯變換可得：

1/k為系統增量，con為角頻率，為阻尼比。這樣秤的動(dòng)態(tài)特 性就可以用角頻率和阻尼比來(lái)表示。

利用測試系統動(dòng)力學(xué)對傳感器進(jìn)行建模，通過(guò)試驗來(lái)確定 該秤動(dòng)態(tài)特性的角頻率和阻尼比。當電子秤體在空載狀態(tài)時(shí)， 手拿塑料錘用合適的力度敲擊秤臺，就可產(chǎn)生沖擊激勵信號，作 為產(chǎn)生單位脈沖的激勵源，該沖擊激勵信號可以近似為單位脈 沖函數，獲得實(shí)驗沖擊激勵過(guò)程曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2。

用塑料錘敲擊秤體來(lái)獲得系統的脈沖沖擊響應，獲得該秤 的阻尼比和其固有頻率。由公式得：

式中，f為振蕩頻率，An A2為曲線(xiàn)相隔n個(gè)周期的峰值，均可 直接從圖上量出來(lái)。

由式可知，電子秤稱(chēng)重系統的阻尼比較小，振蕩大，秤的動(dòng) 態(tài)響應特性較差，是導致傳感器短時(shí)間內采集到的信號不不能 及時(shí)反映被測物料真實(shí)重量的一個(gè)重要原因。并因其阻尼過(guò) 小，電子秤動(dòng)態(tài)響應趨穩的調節時(shí)間太長(cháng)，其達到穩態(tài)狀態(tài)的響 應時(shí)間T=450ms，電子秤稱(chēng)重系統的速度不能滿(mǎn)足包裝快速流 水線(xiàn)的生產(chǎn)要求。

3.自適應動(dòng)態(tài)補償原理與數據處理

由上述分析可知，由于秤稱(chēng)重系統的阻尼比較小、振蕩大， 使電子秤稱(chēng)重系統的動(dòng)態(tài)特性不好，影響了電子秤稱(chēng)重的速度 和精度，因此，在秤的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統中加入串聯(lián)補償環(huán)節H(s)， 串聯(lián)在傳感器O(s)后，把系統阻尼比增加到彳=0.707，則固有頻率 根據工作頻帶確定為753(md/s)，這樣就可構成理想傳感器稱(chēng)重 系統。假設串聯(lián)補償環(huán)節傳遞函數為H(s)，希望的輸出傳遞函 數為仏(s)，原稱(chēng)重系統的傳遞函數是O(s)。則稱(chēng)重系統串聯(lián)補償 環(huán)節后的動(dòng)態(tài)補償原理如圖3所示。

其中，ao、ai,a2、bi、2與M、m、T (采樣周期）有關(guān)，由式(1)和式

知，M是系統模型的參數之一。稱(chēng)重系統極點(diǎn)與不斷變化的 物料質(zhì)量M的值有密切關(guān)系。

電子秤定量稱(chēng)重是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，動(dòng)態(tài)稱(chēng)量精度與控制過(guò) 程中的每一個(gè)環(huán)節密切相關(guān)。它需要在短時(shí)間內對被稱(chēng)量物料 的質(zhì)量加以判斷、檢測，通過(guò)算法運算控制調整物料流量、修正 因空中飛料的測量誤差，為下一次稱(chēng)量做準備。物料的重量隨 著(zhù)不斷下落的物料而變化，傳感器的電壓輸出值也是隨著(zhù)不斷 變化的，由上述的式(2)可知，電子秤稱(chēng)重模型的傳遞函數的參 數M與其函數輸出值也是不斷變化的，它的參數M是用上一個(gè) 采樣點(diǎn)通過(guò)補償器后的輸出來(lái)替代，因而，補償傳遞函數也是不 斷變化的[4]。按照把系統阻尼比增加到彳=0.707的理想傳感器 稱(chēng)重系統來(lái)輸出動(dòng)態(tài)數值，并要使稱(chēng)重過(guò)程中系統始終保持為 最佳二階系統，那么串聯(lián)的補償環(huán)節就要動(dòng)態(tài)地給予系統補償，

當物料重量在動(dòng)態(tài)變化造成稱(chēng)重系統傳遞函數的零極點(diǎn)變化 時(shí)，自適應動(dòng)態(tài)補償器的模型也不斷地改變它自身的極點(diǎn)，隨稱(chēng) 重系統動(dòng)態(tài)模型不斷調整其自身的零點(diǎn)，與稱(chēng)重系統的極點(diǎn)相 互抵消，加入串聯(lián)自適應動(dòng)態(tài)補償環(huán)節的系統始終保持為最佳 二階系統，以此達到自適應動(dòng)態(tài)補償的效果。自適應動(dòng)態(tài)補償 原理如圖4所示。

存在干擾，應用給出的動(dòng)態(tài)補償方法，對系統定量下料稱(chēng)重過(guò)程進(jìn)行了補償，應用上面的塑料錘敲擊秤 體的方法，得到自適應動(dòng)態(tài)補償后的系統階躍響應特性，如圖5 所示。從圖中可以看出，加入動(dòng)態(tài)補償環(huán)節后的稱(chēng)重系統動(dòng)態(tài) 響應特性在受到?jīng)_擊力的開(kāi)始，有一個(gè)相對大的波形值，在稱(chēng)重 穩定之前，所顯示的值一直是一個(gè)相對大些波動(dòng)值，但相比較圖 2的波形有顯著(zhù)的改進(jìn)，電子秤稱(chēng)重系統脈沖響應的最大振幅明 顯降低，并且達到穩態(tài)狀態(tài)的輸出時(shí)間減少為60ms左右，與之 前達到穩態(tài)狀態(tài)輸出時(shí)間為450 ms有很大的改進(jìn)。說(shuō)明在隨機 干擾和存在系統誤差的情況下，加入串聯(lián)動(dòng)態(tài)補償環(huán)節后能很 好地提高電子秤的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重速度。

4.動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統濾波處理

由于電子秤在正常工作過(guò)程中存在下落物料的沖擊，以及 機械振動(dòng)、脈沖干擾等動(dòng)態(tài)影響所形成的交變振動(dòng)信號幅值比 較大，它甚至達到15%以上。減小秤振動(dòng)對稱(chēng)重傳感器信號的 影響是一個(gè)重要的課題。因此，除了在機械方面考慮受力的均 衡與連接外，上面提到的振動(dòng)影響是不可避免的。雖然電子秤 稱(chēng)重系統的中間電路對被測物料的沖擊信號、其它脈沖干擾信 號以及來(lái)自系統內部和外部的各種電氣干擾進(jìn)行了模擬濾波， 但仍然不能完全消除這些干擾信號，尤其是較低頻率的干擾信 號。這些不能被完全消除的干擾信號在濾波后也會(huì )參雜進(jìn)一些 新的干擾，加上A / D與A / D轉換器精度和電路方面各環(huán)節的 影響，對秤的稱(chēng)重精度極為不利，通過(guò)數字濾波可以對這些干擾 進(jìn)行消除。數字濾波器通過(guò)計算各頻率，當頻率特性逼近給定 的頻率特性時(shí)，去除干擾提取有用信號，達到消除干擾的目的。 窗函數法數字濾波設計比較簡(jiǎn)單，有規律可循，它根據性能要求 來(lái)選擇濾波器，并用合適的窗函數與濾波器在時(shí)域中的單位沖 激響應相乘，求出有限的脈沖響應，來(lái)逼近給定的頻響，就可得 到一個(gè)有限長(cháng)的沖激響應數字系統，即FIR濾波器系統。FIR濾 波器有很多優(yōu)點(diǎn)：穩定性好;對噪聲和量化誤差等有限字長(cháng)效應的敏感性低；不會(huì )引入相位失真。通過(guò)調整窗函數的參數使其 逼近理想濾波器的性能參數就可實(shí)現濾波要求。

常用的窗函數有矩形窗、三角窗、漢寧窗、哈明窗、布萊克曼 窗、凱塞窗六種。根據窗函數的基本參數表(表1所示）比較各 窗函數的特性，在相同條件下即窗函數長(cháng)度N和截止頻率_相 同時(shí)矩形窗的過(guò)渡帶最窄，而阻帶衰減最小，布萊克曼窗的過(guò)渡 帶最寬，但換來(lái)的阻帶衰減最大。通過(guò)進(jìn)行比較，選取哈明窗來(lái) 作為電子秤稱(chēng)重系統的FIR數字濾波器，該濾波方法具有濾波效 果好、參數修改方便等優(yōu)點(diǎn)。

本文在自適應動(dòng)態(tài)補償的基礎上進(jìn)行FIR濾波前和基于哈 明窗濾波器進(jìn)行濾波后實(shí)際工作狀態(tài)的測試，在正常的包裝稱(chēng) 重環(huán)境下，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重偏差測試結果分別見(jiàn)表2(30袋平均偏差 3.01 %)和表3 (30袋平均偏差0.96%。），由測試結果知，哈明窗濾 波器對正常生產(chǎn)環(huán)境的各種干擾等均有很好的過(guò)濾作用，提高 稱(chēng)重系統的抗干擾能力。

5.結論

針對舊包裝生產(chǎn)線(xiàn)電子秤稱(chēng)重系統速度慢、精度低、波動(dòng)大 的問(wèn)題，提出并采用了在秤傳感器后串接補償環(huán)節以實(shí)現動(dòng)態(tài) 及時(shí)補償，并結合哈明窗FIR低通濾波器的方法應用于電子秤動(dòng) 態(tài)稱(chēng)重性能的改進(jìn)，測試和實(shí)際應用說(shuō)明該方法顯著(zhù)地提高了 包裝線(xiàn)電子秤動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統的快速性和精度，達到穩態(tài)狀態(tài)輸 出的過(guò)渡時(shí)間由450ms減少到60ms，同時(shí)，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的單袋最大 相對偏差小于2%&30袋平均偏差小于1%&滿(mǎn)足現場(chǎng)的生產(chǎn)要 求。