為了改進舊包裝生產線電子秤的動態稱重性能,根據動態稱重系統中的數學模型時變非線性強、傳感器動態品質 差以及被測對象沖力、秤體振動、空中余料難以確定等一些造成稱重系統快速性和精度難以提高的因素,提出了零極點配置的自適應 動態補償和基于哈明窗的fir低通濾波方法,實際應用表明:本方法能有效地改善稱重精度,縮短信號衰減時間，提高稱重速度。

1.前言

電子秤在包裝生產過程中是很重要的一環，它的性能好壞 直接影響到企業的經濟效益。包裝生產線的電子秤工作過程是 動態稱重過程，被測物料在下落過程中具有的加速度會對稱體 造成沖擊，給稱量的精度帶來較大影響。在動態稱重系統中，解 決快速性問題和提高動態稱量準確度是至關重要的。車間舊包 裝生產線電子秤稱重系統的性能比較差，主要表現在速度慢、精 度低、波動大。針對舊包裝生產線電子秤存在的問題，提出了一 種改進電子秤動態性能的方法，在秤傳感器后串接補償環節以 實現動態實時性補償，并結合采用哈明窗低通濾波器進行改 進。車間聯合哈爾濱博實自動化設備有限責任公司采用上述方 法對舊包裝生產線進行改造后，舊電子秤動態稱重系統的計量 偏差30袋平均值由原來的大于3%。變為小于1%。，稱量速度由原 來的500袋/小時左右變為800袋/小時以上，有效地提高了動態 稱重系統的快速性和精度，取得了較好的效果。

2.電子秤動態稱重系統分析及其模型

電子秤工作過程中其稱量的物料質量是不斷變化的，動態 稱重過程的被控對象具有慣性、滯后、非時變等非線性環節的特 性，是單輸入單輸出的無自平衡能力的二階純滯后對象，其系 統為時變非線性系統。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，稱重過程振蕩嚴重，稱重系統的動態響應過程到達 穩態狀態的時間較長，難以滿足快速生產的要求。

影響動態稱重性能的因素主要有：信號采集模塊的自身誤 差；稱重傳感器自身誤差；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。

稱重環節中的應變式稱重傳感器和秤體構成稱重部分，動 態稱重過程中，水平方向的振動對稱重精度影響較小，可忽略不 計，則稱重部分可以等效為一個由彈簧、阻尼器組成的二階線性 系統，如圖1所示，其數學模型為：

式中：m為秤體質量，M(t)為物料質量，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 秤體相對參考零點的位移。

式（1)是秤體相對參考點的位移x與重量G(t)的函數模型， 由式可知，系統是一個時變線性系統。當系統質量不變時，式

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

1/k為系統增量，con為角頻率，為阻尼比。這樣秤的動態特 性就可以用角頻率和阻尼比來表示。

利用測試系統動力學對傳感器進行建模，通過試驗來確定 該秤動態特性的角頻率和阻尼比。當電子秤體在空載狀態時， 手拿塑料錘用合適的力度敲擊秤臺，就可產生沖擊激勵信號，作 為產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，獲得實驗沖擊激勵過程曲線，見圖2。

用塑料錘敲擊秤體來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為曲線相隔n個周期的峰值，均可 直接從圖上量出來。

由式可知，電子秤稱重系統的阻尼比較小，振蕩大，秤的動 態響應特性較差，是導致傳感器短時間內采集到的信號不不能 及時反映被測物料真實重量的一個重要原因。并因其阻尼過 小，電子秤動態響應趨穩的調節時間太長，其達到穩態狀態的響 應時間T=450ms，電子秤稱重系統的速度不能滿足包裝快速流 水線的生產要求。

3.自適應動態補償原理與數據處理

由上述分析可知，由于秤稱重系統的阻尼比較小、振蕩大， 使電子秤稱重系統的動態特性不好，影響了電子秤稱重的速度 和精度，因此，在秤的動態稱重系統中加入串聯補償環節H(s)， 串聯在傳感器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重 系統。假設串聯補償環節傳遞函數為H(s)，希望的輸出傳遞函 數為仏(s)，原稱重系統的傳遞函數是O(s)。則稱重系統串聯補償 環節后的動態補償原理如圖3所示。

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

知，M是系統模型的參數之一。稱重系統極點與不斷變化的 物料質量M的值有密切關系。

電子秤定量稱重是一個動態過程，動態稱量精度與控制過 程中的每一個環節密切相關。它需要在短時間內對被稱量物料 的質量加以判斷、檢測，通過算法運算控制調整物料流量、修正 因空中飛料的測量誤差，為下一次稱量做準備。物料的重量隨 著不斷下落的物料而變化，傳感器的電壓輸出值也是隨著不斷 變化的，由上述的式(2)可知，電子秤稱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 采樣點通過補償器后的輸出來替代，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 稱重系統來輸出動態數值，并要使稱重過程中系統始終保持為 最佳二階系統，那么串聯的補償環節就要動態地給予系統補償，

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

存在干擾，應用給出的動態補償方法，對系統定量下料稱重過程進行了補償，應用上面的塑料錘敲擊秤 體的方法，得到自適應動態補償后的系統階躍響應特性，如圖5 所示。從圖中可以看出，加入動態補償環節后的稱重系統動態 響應特性在受到沖擊力的開始，有一個相對大的波形值，在稱重 穩定之前，所顯示的值一直是一個相對大些波動值，但相比較圖 2的波形有顯著的改進，電子秤稱重系統脈沖響應的最大振幅明 顯降低，并且達到穩態狀態的輸出時間減少為60ms左右，與之 前達到穩態狀態輸出時間為450 ms有很大的改進。說明在隨機 干擾和存在系統誤差的情況下，加入串聯動態補償環節后能很 好地提高電子秤的動態稱重速度。

4.動態稱重系統濾波處理

由于電子秤在正常工作過程中存在下落物料的沖擊，以及 機械振動、脈沖干擾等動態影響所形成的交變振動信號幅值比 較大，它甚至達到15%以上。減小秤振動對稱重傳感器信號的 影響是一個重要的課題。因此，除了在機械方面考慮受力的均 衡與連接外，上面提到的振動影響是不可避免的。雖然電子秤 稱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 號以及來自系統內部和外部的各種電氣干擾進行了模擬濾波， 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參雜進一些 新的干擾，加上A / D與A / D轉換器精度和電路方面各環節的 影響，對秤的稱重精度極為不利，通過數字濾波可以對這些干擾 進行消除。數字濾波器通過計算各頻率，當頻率特性逼近給定 的頻率特性時，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單，有規律可循，它根據性能要求 來選擇濾波器，并用合適的窗函數與濾波器在時域中的單位沖 激響應相乘，求出有限的脈沖響應，來逼近給定的頻響，就可得 到一個有限長的沖激響應數字系統，即FIR濾波器系統。FIR濾 波器有很多優點：穩定性好;對噪聲和量化誤差等有限字長效應的敏感性低；不會引入相位失真。通過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度N和截止頻率_相 同時矩形窗的過渡帶最窄，而阻帶衰減最小，布萊克曼窗的過渡 帶最寬，但換來的阻帶衰減最大。通過進行比較，選取哈明窗來 作為電子秤稱重系統的FIR數字濾波器，該濾波方法具有濾波效 果好、參數修改方便等優點。

本文在自適應動態補償的基礎上進行FIR濾波前和基于哈 明窗濾波器進行濾波后實際工作狀態的測試，在正常的包裝稱 重環境下，動態稱重偏差測試結果分別見表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 波器對正常生產環境的各種干擾等均有很好的過濾作用，提高 稱重系統的抗干擾能力。

5.結論

針對舊包裝生產線電子秤稱重系統速度慢、精度低、波動大 的問題，提出并采用了在秤傳感器后串接補償環節以實現動態 及時補償，并結合哈明窗FIR低通濾波器的方法應用于電子秤動 態稱重性能的改進，測試和實際應用說明該方法顯著地提高了 包裝線電子秤動態稱重系統的快速性和精度，達到穩態狀態輸 出的過渡時間由450ms減少到60ms，同時，動態稱重的單袋最大 相對偏差小于2%&30袋平均偏差小于1%&滿足現場的生產要 求。