為了改進舊包裝生產線電子秤的動態(tài)稱重性能,根據動態(tài)稱重系統(tǒng)中的數學模型時變非線性強、傳感器動態(tài)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(tǒng)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(tài)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(huán)，它的性能好壞 直接影響到企業(yè)的經濟效益。包裝生產線的電子秤工作過程是 動態(tài)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(tài)稱重系統(tǒng)中，解 決快速性問題和提高動態(tài)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(tǒng)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(tài)性能的方法，在秤傳感器后串接補償環(huán)節(jié)以 實現動態(tài)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(lián)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(tài)稱重系統(tǒng)的計量 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/小時左右變?yōu)?/span>800袋/小時以上，有效地提高了動態(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量是不斷變化的，動態(tài) 稱重過程的被控對象具有慣性、滯后、非時變等非線性環(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象，其系 統(tǒng)為時變非線性系統(tǒng)。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(tǒng)的動態(tài)響應過程到達 穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的時間較長，難以滿足快速生產的要求。

影響動態(tài)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(huán)節(jié)中的應變式稱重傳感器和秤體構成稱重部分，動 態(tài)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(tǒng)，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(tǒng)是一個時變線性系統(tǒng)。當系統(tǒng)質量不變時，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模型 近似為線性時不變系統(tǒng)來建立系統(tǒng)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(tǒng)增量，con為角頻率，為阻尼比。這樣秤的動態(tài)特 性就可以用角頻率和阻尼比來表示。

利用測試系統(tǒng)動力學對傳感器進行建模，通過試驗來確定 該秤動態(tài)特性的角頻率和阻尼比。當電子秤體在空載狀態(tài)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(tǒng)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(tǒng)的阻尼比較小，振蕩大，秤的動 態(tài)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(tài)響應趨穩(wěn)的調節(jié)時間太長，其達到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的響 應時間T=450ms，電子秤稱重系統(tǒng)的速度不能滿足包裝快速流 水線的生產要求。

3.自適應動態(tài)補償原理與數據處理

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，在秤的動態(tài)稱重系統(tǒng)中加入串聯(lián)補償環(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(tǒng)。假設串聯(lián)補償環(huán)節(jié)傳遞函數為H(s)，希望的輸出傳遞函 數為仏(s)，原稱重系統(tǒng)的傳遞函數是O(s)。則稱重系統(tǒng)串聯(lián)補償 環(huán)節(jié)后的動態(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，由式(1)和式

知，M是系統(tǒng)模型的參數之一。稱重系統(tǒng)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(tài)過程，動態(tài)稱量精度與控制過 程中的每一個環(huán)節(jié)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(tǒng)阻尼比增加到彳=0.707的理想傳感器 稱重系統(tǒng)來輸出動態(tài)數值，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)的補償環(huán)節(jié)就要動態(tài)地給予系統(tǒng)補償，

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

存在干擾，應用給出的動態(tài)補償方法，對系統(tǒng)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(tài)補償后的系統(tǒng)階躍響應特性，如圖5 所示。從圖中可以看出，加入動態(tài)補償環(huán)節(jié)后的稱重系統(tǒng)動態(tài) 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(wěn)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(tǒng)脈沖響應的最大振幅明 顯降低，并且達到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的輸出時間減少為60ms左右，與之 前達到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)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(tǒng)誤差的情況下，加入串聯(lián)動態(tài)補償環(huán)節(jié)后能很 好地提高電子秤的動態(tài)稱重速度。

4.動態(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 機械振動、脈沖干擾等動態(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(huán)節(jié)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(guī)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(tǒng)，即FIR濾波器系統(tǒng)。FIR濾 波器有很多優(yōu)點：穩(wěn)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(tǒng)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。

本文在自適應動態(tài)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(tài)的測試，在正常的包裝稱 重環(huán)境下，動態(tài)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(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.結論

針對舊包裝生產線電子秤稱重系統(tǒng)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(huán)節(jié)以實現動態(tài) 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(tài)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(tài)稱重系統(tǒng)的快速性和精度，達到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)輸 出的過渡時間由450ms減少到60ms，同時，動態(tài)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。