為了改進(jìn)舊包裝生產(chǎn)線電子秤的動(dòng)態(tài)稱重性能,根據(jù)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)模型時(shí)變非線性強(qiáng)、傳感器動(dòng)態(tài)品質(zhì) 差以及被測(cè)對(duì)象沖力、秤體振動(dòng)、空中余料難以確定等一些造成稱重系統(tǒng)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(yīng) 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和基于哈明窗的fir低通濾波方法,實(shí)際應(yīng)用表明:本方法能有效地改善稱重精度,縮短信號(hào)衰減時(shí)間，提高稱重速度。

1.前言

電子秤在包裝生產(chǎn)過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(jì)效益。包裝生產(chǎn)線的電子秤工作過程是 動(dòng)態(tài)稱重過程，被測(cè)物料在下落過程中具有的加速度會(huì)對(duì)稱體 造成沖擊，給稱量的精度帶來較大影響。在動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中，解 決快速性問題和提高動(dòng)態(tài)稱量準(zhǔn)確度是至關(guān)重要的。車間舊包 裝生產(chǎn)線電子秤稱重系統(tǒng)的性能比較差，主要表現(xiàn)在速度慢、精 度低、波動(dòng)大。針對(duì)舊包裝生產(chǎn)線電子秤存在的問題，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(bǔ)償環(huán)節(jié)以 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性補(bǔ)償，并結(jié)合采用哈明窗低通濾波器進(jìn)行改 進(jìn)。車間聯(lián)合哈爾濱博實(shí)自動(dòng)化設(shè)備有限責(zé)任公司采用上述方 法對(duì)舊包裝生產(chǎn)線進(jìn)行改造后，舊電子秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的計(jì)量 偏差30袋平均值由原來的大于3%。變?yōu)樾∮?/span>1%。，稱量速度由原 來的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) 稱重系統(tǒng)的快速性和精度，取得了較好的效果。

2.電子秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)分析及其模型

電子秤工作過程中其稱量的物料質(zhì)量是不斷變化的，動(dòng)態(tài) 稱重過程的被控對(duì)象具有慣性、滯后、非時(shí)變等非線性環(huán)節(jié)的特 性，是單輸入單輸出的無自平衡能力的二階純滯后對(duì)象，其系 統(tǒng)為時(shí)變非線性系統(tǒng)。電子秤傳感器一般由應(yīng)變片和彈性體組 成。彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件，它的主要作用是將力 轉(zhuǎn)換為形變，應(yīng)變片將變形轉(zhuǎn)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(yán)重，稱重系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程到達(dá) 穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的時(shí)間較長，難以滿足快速生產(chǎn)的要求。

影響動(dòng)態(tài)稱重性能的因素主要有：信號(hào)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(cè)物料加速 度的沖擊力；留在空中的物料誤差;機(jī)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)。

稱重環(huán)節(jié)中的應(yīng)變式稱重傳感器和秤體構(gòu)成稱重部分，動(dòng) 態(tài)稱重過程中，水平方向的振動(dòng)對(duì)稱重精度影響較小，可忽略不 計(jì)，則稱重部分可以等效為一個(gè)由彈簧、阻尼器組成的二階線性 系統(tǒng)，如圖1所示，其數(shù)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(shù)，K為等效剛度，(t)為物料下落的沖擊力，X為 秤體相對(duì)參考零點(diǎn)的位移。

式（1)是秤體相對(duì)參考點(diǎn)的位移x與重量G(t)的函數(shù)模型， 由式可知，系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變線性系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)質(zhì)量不變時(shí)，式

(1)是典型的二階線性系統(tǒng)。采用分段線性化法將該函數(shù)模型 近似為線性時(shí)不變系統(tǒng)來建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在很短的時(shí)間 段[t，t+Ad內(nèi)，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)過拉普拉斯變換可得：

1/k為系統(tǒng)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表示。

利用測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)傳感器進(jìn)行建模，通過試驗(yàn)來確定 該秤動(dòng)態(tài)特性的角頻率和阻尼比。當(dāng)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(tái)，就可產(chǎn)生沖擊激勵(lì)信號(hào)，作 為產(chǎn)生單位脈沖的激勵(lì)源，該沖擊激勵(lì)信號(hào)可以近似為單位脈 沖函數(shù)，獲得實(shí)驗(yàn)沖擊激勵(lì)過程曲線，見圖2。

用塑料錘敲擊秤體來獲得系統(tǒng)的脈沖沖擊響應(yīng)，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(gè)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(tǒng)的阻尼比較小，振蕩大，秤的動(dòng) 態(tài)響應(yīng)特性較差，是導(dǎo)致傳感器短時(shí)間內(nèi)采集到的信號(hào)不不能 及時(shí)反映被測(cè)物料真實(shí)重量的一個(gè)重要原因。并因其阻尼過 小，電子秤動(dòng)態(tài)響應(yīng)趨穩(wěn)的調(diào)節(jié)時(shí)間太長，其達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的響 應(yīng)時(shí)間T=450ms，電子秤稱重系統(tǒng)的速度不能滿足包裝快速流 水線的生產(chǎn)要求。

3.自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理與數(shù)據(jù)處理

由上述分析可知，由于秤稱重系統(tǒng)的阻尼比較小、振蕩大， 使電子秤稱重系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性不好，影響了電子秤稱重的速度 和精度，因此，在秤的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中加入串聯(lián)補(bǔ)償環(huán)節(jié)H(s)， 串聯(lián)在傳感器O(s)后，把系統(tǒng)阻尼比增加到彳=0.707，則固有頻率 根據(jù)工作頻帶確定為753(md/s)，這樣就可構(gòu)成理想傳感器稱重 系統(tǒng)。假設(shè)串聯(lián)補(bǔ)償環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為H(s)，希望的輸出傳遞函 數(shù)為仏(s)，原稱重系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是O(s)。則稱重系統(tǒng)串聯(lián)補(bǔ)償 環(huán)節(jié)后的動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(tǒng)模型的參數(shù)之一。稱重系統(tǒng)極點(diǎn)與不斷變化的 物料質(zhì)量M的值有密切關(guān)系。

電子秤定量稱重是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，動(dòng)態(tài)稱量精度與控制過 程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)密切相關(guān)。它需要在短時(shí)間內(nèi)對(duì)被稱量物料 的質(zhì)量加以判斷、檢測(cè)，通過算法運(yùn)算控制調(diào)整物料流量、修正 因空中飛料的測(cè)量誤差，為下一次稱量做準(zhǔn)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(shù)的參 數(shù)M與其函數(shù)輸出值也是不斷變化的，它的參數(shù)M是用上一個(gè) 采樣點(diǎn)通過補(bǔ)償器后的輸出來替代，因而，補(bǔ)償傳遞函數(shù)也是不 斷變化的[4]。按照把系統(tǒng)阻尼比增加到彳=0.707的理想傳感器 稱重系統(tǒng)來輸出動(dòng)態(tài)數(shù)值，并要使稱重過程中系統(tǒng)始終保持為 最佳二階系統(tǒng)，那么串聯(lián)的補(bǔ)償環(huán)節(jié)就要?jiǎng)討B(tài)地給予系統(tǒng)補(bǔ)償，

當(dāng)物料重量在動(dòng)態(tài)變化造成稱重系統(tǒng)傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)變化 時(shí)，自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的模型也不斷地改變它自身的極點(diǎn)，隨稱 重系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型不斷調(diào)整其自身的零點(diǎn)，與稱重系統(tǒng)的極點(diǎn)相 互抵消，加入串聯(lián)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的系統(tǒng)始終保持為最佳 二階系統(tǒng)，以此達(dá)到自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)男ЧＷ赃m應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償 原理如圖4所示。

存在干擾，應(yīng)用給出的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，對(duì)系統(tǒng)定量下料稱重過程進(jìn)行了補(bǔ)償，應(yīng)用上面的塑料錘敲擊秤 體的方法，得到自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后的系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性，如圖5 所示。從圖中可以看出，加入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)后的稱重系統(tǒng)動(dòng)態(tài) 響應(yīng)特性在受到?jīng)_擊力的開始，有一個(gè)相對(duì)大的波形值，在稱重 穩(wěn)定之前，所顯示的值一直是一個(gè)相對(duì)大些波動(dòng)值，但相比較圖 2的波形有顯著的改進(jìn)，電子秤稱重系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的最大振幅明 顯降低，并且達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的輸出時(shí)間減少為60ms左右，與之 前達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)輸出時(shí)間為450 ms有很大的改進(jìn)。說明在隨機(jī) 干擾和存在系統(tǒng)誤差的情況下，加入串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)后能很 好地提高電子秤的動(dòng)態(tài)稱重速度。

4.動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)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(jī)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(hào)幅值比 較大，它甚至達(dá)到15%以上。減小秤振動(dòng)對(duì)稱重傳感器信號(hào)的 影響是一個(gè)重要的課題。因此，除了在機(jī)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 稱重系統(tǒng)的中間電路對(duì)被測(cè)物料的沖擊信號(hào)、其它脈沖干擾信 號(hào)以及來自系統(tǒng)內(nèi)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(hào)，尤其是較低頻率的干擾信 號(hào)。這些不能被完全消除的干擾信號(hào)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(zhuǎn)換器精度和電路方面各環(huán)節(jié)的 影響，對(duì)秤的稱重精度極為不利，通過數(shù)字濾波可以對(duì)這些干擾 進(jìn)行消除。數(shù)字濾波器通過計(jì)算各頻率，當(dāng)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(hào)，達(dá)到消除干擾的目的。 窗函數(shù)法數(shù)字濾波設(shè)計(jì)比較簡單，有規(guī)律可循，它根據(jù)性能要求 來選擇濾波器，并用合適的窗函數(shù)與濾波器在時(shí)域中的單位沖 激響應(yīng)相乘，求出有限的脈沖響應(yīng)，來逼近給定的頻響，就可得 到一個(gè)有限長的沖激響應(yīng)數(shù)字系統(tǒng)，即FIR濾波器系統(tǒng)。FIR濾 波器有很多優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好;對(duì)噪聲和量化誤差等有限字長效應(yīng)的敏感性低；不會(huì)引入相位失真。通過調(diào)整窗函數(shù)的參數(shù)使其 逼近理想濾波器的性能參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)濾波要求。

常用的窗函數(shù)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(jù)窗函數(shù)的基本參數(shù)表(表1所示）比較各 窗函數(shù)的特性，在相同條件下即窗函數(shù)長度N和截止頻率_相 同時(shí)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(jìn)行比較，選取哈明窗來 作為電子秤稱重系統(tǒng)的FIR數(shù)字濾波器，該濾波方法具有濾波效 果好、參數(shù)修改方便等優(yōu)點(diǎn)。

本文在自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)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(cè)試，在正常的包裝稱 重環(huán)境下，動(dòng)態(tài)稱重偏差測(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)果知，哈明窗濾 波器對(duì)正常生產(chǎn)環(huán)境的各種干擾等均有很好的過濾作用，提高 稱重系統(tǒng)的抗干擾能力。

5.結(jié)論

針對(duì)舊包裝生產(chǎn)線電子秤稱重系統(tǒng)速度慢、精度低、波動(dòng)大 的問題，提出并采用了在秤傳感器后串接補(bǔ)償環(huán)節(jié)以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài) 及時(shí)補(bǔ)償，并結(jié)合哈明窗FIR低通濾波器的方法應(yīng)用于電子秤動(dòng) 態(tài)稱重性能的改進(jìn)，測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用說明該方法顯著地提高了 包裝線電子秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的快速性和精度，達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)輸 出的過渡時(shí)間由450ms減少到60ms，同時(shí)，動(dòng)態(tài)稱重的單袋最大 相對(duì)偏差小于2%&30袋平均偏差小于1%&滿足現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)要 求。