（精密仪器及机械专业论文）电子定量包装秤动态称重系统及数据处理方法的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 电子称重技术是现代称重计量和控制系统工程的重要技术基础。电子定量包 装秤是电子称重技术在定量系统中的具体应用。在快速自动称量中如何提高动态 称量准确度，一直是企业急需解决的难题。另外，同时实现高称重精度和高称重 速度的动态定量称重技术也是计量领域的难题之一。 本文研究了数字滤波技术和神经网络及比例一积分一微分( p i d ) 控制技术在 电子定量包装秤动态称重系统中的应用。通过数字信号处理，采用数字滤波算法， 结合硬件的设计，消除了称重测量信号中的噪音信号，提高了动态测量的精度。 同时，基于复合控制的思想，以神经网络p i d 控制技术为控制核心，协调各种因 素，较好地解决了动态称重过程中精度和速度的矛盾，从而使动态称重的精度和 速度得到有效提高。 本文的主要研究工作： 1 综合国内外研究成果，探讨动态称量技术的原理、动态称量技术国内外 主要研究现状，以及定量包装秤的发展动态和发展方向。 2 分析研究定量包装秤的系统结构和电子定量称重技术的基本原理：同时， 研究影响定量包装秤称量精度与称量速度等性能的主要因素，并提出提高称量精 度和称量速度的方案，即应用数字滤波技术和神经网络p i d 控制技术实现高性能 的动态称量系统。 3 对称重采样信号进行时域分析与频域分析，得到信号的有效分布。研究 适合于定量包装秤动态称量系统的数字滤波算法，并用数字滤波算法进行滤波处 理。 4 根据定量包装秤动态称量系统具体的技术指标，最优化设计了一个f i r 滤波器和一个椭圆型i i r 滤波器；同时，利用t ic 5 4 1 6d s p 芯片完成了数字滤 波器的实现。 5 结合定量包装秤动态称量系统的控制特性，利用神经网络和p i d 控制二 者的优点，设计了基于r b f 神经网络的p i d 控制系统。 关键词：电子定量秤；动态称量；数字滤波；神经网络；p i d 控制 a b s t r a c t e l e c t r o n i cw e i g h i n gt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tb a s i sf o r t h em o d e mm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e me n g i n e e r i n g e l e c t r o n i cp a c k a g i n gm a c h i n ei sa r ta p p l i c a t i o no ft h e q u a n t i t a t i v es y s t e m 、 ，i t l le l e c t r o n i cw e i g h i n gt e c h n o l o g y rh a sb e e nad i f f i c u l t yf o r t h ee n t e r p r i s e st oi m p r o v et h ed y n a m i cw e i g h i n ga c c u r a c yi ne l e c t r o n i cw e i g h i n g m e a n w h i l e ，i th a sb e e nad i f f i c u l t yi nt h ef i e l do fm e a s u r e m e n tt og e tah i g hw e i g h i n g a c c u r a c y 谢ml l i g hw e i g h i n gs p e e d t h et h e s i sm a i n l ys t u d i e dt h ed i g i t a lf i l t e r i n gt e c h n o l o g y , n e u r a ln e t w o r ka n d p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l d i f f e r e n t i a l ( p i d ) c o n t r o lt e c h n o l o g yi nt h ea p p l i c a t i o no ft h e d y n a m i cw e i g h i n gs y s t e mo fe l e c t r o n i cq u a n t i t a t i v ep a c k a g i n gm a c h i n e t h r o u g h d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d i g i t a lf i l t e r i n ga l g o r i t h m s ，a n dd s ph a r d w a r ed e s i g n ，s i g n a l n o i s ew a se l i m i n a t e da n dd y n a m i cm e a s u r e m e n ta c c u r a c yw a si m p r o v e d m e a n w h i l e ， b a s e do nt h ei d e ao fc o m p l e xc o n t r o lt h e o r y , u s i n gn e u r a ln e t w o r ka n dp i da st h ek e y c o n t r o lt e c h n o l o g y , t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e na c c u r a c ya n ds p e e do ft h ed y n a m i c w e i g h i n gw a ss o l v e dw e l l t h u s ，t h ea c c u r a c ya n ds p e e do ft h ed y n a m i cw e i g h i n gc a n b ei m p r o v e d 1 1 他m a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 a u t h o rs u m m a r i z e dt h er e s e a r c hi nt h et e c h n i c a lp r i n c i p l e so fd y n a m i c w e i g h i n g ，d y n a m i cw e i g h i n gt e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i cp a c k a g i n gm a c h i n e 2 t h es t r u c t u r eo f p a c k a g i n gm a c h i n ea n dt h eb a s i ct h e o r yo fe l e c t r o n i cw e i g h i n g t e c h n o l o g yw e r es t u d i e di nt h et h e s i s a f t e ra n a l y z i n gt h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c e t h ew e i g h i n ga c c u r a c ya n ds p e e d ，a u t h o rd e c i d e dt ou s ed i g i t a lf i l t e r i n gt e c h n o l o g y , n e u r a ln e t w o r k sa n dp i dc o n t r o la st h em a i nm e t h o dt oi m p r o v et h ew e i g h i n gs y s t e m 3 a u t h o ra n a l y z e dt h es a m p l i n gs i g n a li nt h et i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i n a n dg o tt h ee f f e c t i v ed i s t r i b u t i o no ft h es i g n a l a f t e rs t u d y i n gd i f f e r e n td i g i t a lf i l t e r i n g a l g o r i t h m st h a t a r ef i tf o r w e i g h i n gs y s t e m ，a u t h o rf i n i s h e dt h ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gw i t ht h o s ea l g o r i t h m s 4 a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c a t i o nr e q u i r e m e n to ft h ew e i g h i n gs y s t e m ，af i rf i l t e r a n da ne l l i p t i ci i rf i l t e rw e r ed e s i g n e d 、i t ho p t i m a lt h e o r y m e a n w h i l e ，ad i g i t a lf i l t e r w a sr e a l i z e du s i n gt m s 3 2 0 c 5 416d s pc h i p 5 a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew e i g h i n gs y s t e m ，ap i dc o n t r o l s y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nr b fn e u r a ln e t w o r k s ，c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so f b o mp i da n dn e u r a ln e t w o r k s k e y w o r d s ：e l e c t r o n i cp a c k a g i n gm a c h i n e ；d y n a m i cw e i g h i n g ；d i g i t a lf i l t e r i n g ； n e u r a ln e t w o r k s ；p i dc o n t r o l 符号表 符号表 l 电磁辐射的强度( 哪 均方值 甜 质量吸收系数 m 面积质量( k g i n 2 ) 方差 占 弹性体的相对变形 q p通带最大衰减( a a ) 缸 弹性体的变化值( m ) 哎 阻带最小衰减( d b ) s 弹性体的横截面积( m 2 ) 比例系数 p 弹性体的泊松比 乃积分时间常数 气称量传感器的刚度( n m )微分时间常数 q 阻尼系数( k g s ) r 采样周期( s ) 甜( f ) 单位阶跃函数毛 积分系数 g 流量( m 3 s ) 乞 微分系数 l p物料的形状系数 p 误差 频率( h z )嘭 高斯基函数 s x ( n自功率谱密度函数既辨识网络的输入 足0 )自相关函数辨识网络的输出 x ( ，1 )滤波器输入 玎 学习速率 j ，( 功滤波器输出 f 7 1 动量因子 哆 通带边界频率( h z ) j l辨识器性能指标函数 形 阻带边界频率( h z ) e ( 七)神经网络整定指标 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 。 声明人( 签名) ： 罗钦侄 v 印年厂月5 7 e l 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： b 刁钉月亍j 日 年月日 侄鐾萋弼型麴鲤娑 第一章绪论 1 1 课题的来源及意义 第一章绪论 电子称重技术是集传感器技术、微电子技术、计算机控制及测试技术、机械 制造自动化技术、物料输送和管理技术等为一体的综合技术【l 】，是现代称重计量 和控制系统工程的重要技术基础。应用电子称重技术开发的电子称重系统，具有 广阔的应用领域和较强的渗透性。同其它高技术产业一样，电子衡器产业也是国 家经济和科学竞争的重要组成部分之一。 电子定量包装秤是电子称重技术在定量系统中的具体应用，是将机械、电气、 电子、计算机、自动控制与衡器等融为一体的智能机电结合计量设备。它是一种 按照事先设计的方法和程序，将大宗颗粒物料分成预定质量的小份载荷形式的自 动称量设备 2 1 。作为一种新型的称重控制系统，它广泛应用于港口码头、商品贸 易、化工原料、粮食加工、食品包装、医药配置、钢铁冶炼、水泥生产、玻璃制 造等领域。电子定量包装秤性能的好坏直接影响到企业的经济效益。通过定量称 重，可以控制产品质量、核算成本、管理企业，从而获得最佳经济效益。近年来， 随着称量技术的不断发展，全电子化的定量包装秤的性能也越来越稳定可靠。目 前，设计独特、性能优良、计量精度高、稳定可靠的定量包装秤在许多领域已起 着越来越重要的作用【3 1 。因此世界各国都在积极开发适合于不同领域的定量包装 系统，以提高各计量领域的自动化水平。 采用电子称量装置使静态称量准确度大大提高，但在企业加工连续生产过程 中，其动态准确度仍不能保证f 4 1 。动态定量称重的两个关键问题，一是称重精度， 二是称重速度。这两个方面都必须同时考虑，同时兼顾【5 1 。动态定量称重过程含 有时变、非线性以及随机干扰等因素。当加快称重速度时，物料冲击和空中飞料 等干扰因素将影响称重精度；为提高称重精度，有时就不得不降低称重速度。因 此，在快速自动称量中如何提高动态称量准确度，一直是企业急需解决的难题。 另外，同时实现高称重精度和高称重速度的动态定量称重技术也是计量领域的难 题之一【6 】。本课题将在分析影响电子定量秤精度和速度因素的基础上，研究如何 电子定量包装秤动态称重系统及数据处理方法的研究 提高电子定量秤的称重性能。 1 2 动态称量技术的发展概况 1 2 1 动态称量技术 动态称量是指为确定量的瞬时值及( 或) 其随时间变化所进行的称量，即被 测量是随时间而变化的；而静态称量则是指称量过程被测量可认为是恒定的量的 测量。动态称量的特征【7 】可以归纳为： ( 1 ) 被测对象处于非静止状态，即被称重或测力的物体在运动； ( 2 ) 测量环境处于非静止状态，即称量测力计量仪器也随着被称量物体一起 处于运动之中； ( 3 ) 在短时内进行快速测量，即测量时间短于称重测力计量仪器的调定时 间。 为了进行快速、连续、准确的测量，求得被测量的稳态示值，就要求对称重 测力传感器、信号适调、处理、显示、记录及由此而组成的动态称重测力系统进 行正确的描述和分析，还要求减小动态测量的不确定度、提高动态响应速度、解 除多分量间的耦合，以进行动态补偿。如图1 1 所示。 i - ji _ ji _ ji - j 图1 1 动态称重测力系统方框图1 7 l 动态称量的常用方法及原理f 8 1 可以归纳为： ( 1 ) 冲量法：计算公式如式( 1 - 1 ) 所示。 if ( t ) d t = m ( v 2 一v 1 ) ( 1 1 ) 若已知物体的速度h 和，可用冲量流量计测得冲量r f ( t ) d t ，由此求得物 料的质量m 。这种方法称量精度不高，一般原料输送计量采用此法。 ( 2 ) 体积法：计算公式如式( 1 2 ) 所示。 m=pv(1-2) 若已知物料比重p ，只要测量出体积v ，就可求出物料的质量m 。此法由 2 第一章绪论 于物料的密度p 容易发生改变，且体积测量精度有限，所以称量精度也不高。 ( 3 ) 辐射吸收法：辐射吸收法利用的是朗伯特一比尔申( l a m b e r t b e e r s c h e n ) 定律【，即当强度为厶的高能平行电磁辐射，穿过一段由均匀密度为成的物质所 充满的路程d 时，该辐射按指数关系衰减，离开物质时的剩余强度为j 。这种方 法可以在很大范围内，对许多难以计量的称量对象，直接进行面积质量的非接触 式测量。计算公式如式( 1 3 ) 所示。 i = i o e 一材凡一= i o e 一以心( 1 - 3 ) 式( 1 3 ) 中，o 为高能平行电磁辐射的初始强度，为末强度。”为质量吸收 系数，它取决于辐射的能量( 频率) 、物质的几何形状和化学原子系数。 成d = m , 4 为面积质量。服从吸收定律的有口一、一、厂一或韧致辐射源，以及 几乎接近光速的电子。辐射吸收法利用物料对辐射线的吸收原理进行测量，精度 很低，尤其是物料少时。这种方法不能用于种子称重，种子经过各种射线后，可 能使种子的基因改变，造成减产的可能性，当然也有增产的可能性。 核子皮带秤是应用这种方法的典型实例。 ( 4 ) 重力法：计算公式如式( 1 4 ) 所示。 g = m g ( 1 _ 4 ) 重力法应用最广泛，主要利用应变传感器把重物压在传感器应变片上产生的 形变转换成电压信号，实现称量。它易于用计算机来计量和控制，所以大多数定 量称量系统均使用此方法。 ( 5 ) 质量法：计算公式如式( 1 5 ) 所示。 f=ma(1-5) 利用牛顿第二定律，通过测量力f 和加速度口来求得质量聊。这种方法会增 加测量的难度，所以在工程应用中非常少。 1 2 2 动态称量技术国内外研究近况 随着控制理论和计算机等科学技术的发展，将先进的智能控制理论如神经网 络、模糊控制理论、最优化算法，以及数字滤波技术等应用于动态称量系统，用 电子定量包装秤动态称重系统及数据处理方法的研究 于解决称量精度和速度的协调问题，已逐渐引起人们的关注。 1 国外主要研究近况 mh a l i m i c 等学者在1 9 9 5 年、1 9 9 6 年、2 0 0 3 年撰文【9 】【l o l 【l l 】，针对块状产品 ( m a s sp r o d u c t i o n ) 、测力传感器( 1 0 a dc e l l ) 下的动态称量过程，分别引入了线性高 斯法( l q g ) 、卡尔曼滤波( k a l m a nf l i t e r ) 、模糊逻辑估计( f u z z yl o g i ce s t i m a t o r ) ， 分析研究了基于上述三种方法的数据滤波问题，并得出确定性结论，即将这些先 进的方法构成新型滤波器，有助于提高动态称量的速度，改善称量精度。 w b a l a c h a n d r a n 等学者1 9 9 4 年、1 9 9 5 年撰文【1 2 】【1 3 】研究基于模糊控制器 ( f u z z yc o n t r o l l e r ) 、称量传感器( w e i g h i n gc e l l ) 下的块状产品动态重量分选器 ( d y n a m i cc h e c k w e i g h e r ) 。需要说明的是，由于产品分选过程属于开环控制，文 中的模糊控制器主要是起数字滤波作用。 s a l m o d a r r e s i 等学者1 9 9 9 年撰文【1 4 1 ，提出在动态称量过程中，引入特征提 取( f e a t u r ee x t r a c t o r ) 和两层人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ) ，借以实现振 动噪声下的称量信号正确估计。通过引入特征提取，减少了所需神经元的数量， 从而减少了计算的复杂程度，为实时测量提供了可能性，并通过系统仿真和实时 测量验证了该方法的可行性。 d a n i e l 等学者1 9 9 9 年撰文【1 5 】，针对线性和非线性动态测量系统，研究了如 何应用人工神经网络( a n n ) 改进动态测量的精度和速度，对所述方法进行了比较 和实验验证，并探讨了所述方法的应用领域和大规模集成电路( v l s i ) 的实现问 题。 d a n a c i 等学者1 9 9 9 年撰文【1 6 1 ，研究了非线性回归( n l r ) 在动态称量过程中 的应用，数字仿真结果表明：该方法对称量速度和称量精度的协调有一定的作用。 y o s h i h i r o 等学者2 0 0 2 年撰文【1 7 l ，研究了一种在运动条件下的高精度质量测 量方法。详细讨论了称重物体重心的位置对于运动物体的影响，并对此设计了相 应的称量系统。通过仿真和实验，验证了所用方法的有效性。 2 国内主要研究近况 董蔚等学者1 9 9 5 年撰文【1 8 1 ，介绍了一种以8 0 3 1 单片机最小系统并配以几个 主要的集成电路器件研制成功的智能定量称量电子秤。系统利用单片机硬件、软 件功能，有效地解决了高性能与低成本之间的矛盾，开拓了电子秤的应用领域。 4 第一章绪论 石永坤等学者1 9 9 9 年撰文【1 9 1 ，介绍了模糊控制在定值输出中的应用，提供 了一条提高定值秤系统计量精度和工作效率的技术途径。 张海清等学者1 9 9 8 年撰文1 2 们，针对定量下料问题提出了利用动态称重方法 的解决方案。具体分析了定量下料问题，建立了该问题的数学模型和参数辨识模 型，然后提出利用下料速度积分得到下料质量的方法。同时，推导了下料速度的 计算公式，提出了利用双曲h o u s e h o l d e r 限定记忆最小二乘法的计算方法。通过 样机设计和实验，验证了该方法的可行性。 白瑞林等学者在1 9 9 9 年发表的论文中【2 1 1 ，提出了一种实用的仪器用模糊神 经网络p i d 控制器闭环设计方法，研制了模糊神经网络控制器设计开发软件，进 行了大量的不同工业背景的计算机仿真，得出的控制器参数( 网络权值，网络阈 值_ ) 由单片机控制系统实现。实验表明，该方法在被控对象输出特性和d a 输出 给执行器的动作特性上具有满意的曲线效果，证明了这是一种实现仪器仪表智能 化的有效方法。白瑞林等学者在2 0 0 0 年发表的论文中蚴，以传送带、料门给料 的称量过程为研究对象，提出了一种新动态定量称量控制方法，在其研究中是基 于多元复合技术的原则，在控制策略上，经典控制( p ) 与智能控制o 烈) 优势互补； 在执行机构上，变频器与步进电机协调控制传送带和料门。同时，根据具体的动 态过程，选用合适的传感器，并相应配套设计了投料机械装置。自瑞林等学者在 2 0 0 0 年发表的另一篇论文中田】，基于多元复合控制思想，称重策略采取分段控 制并引入模糊神经网络控制技术，调节量采取给料门和传送带两个自由度协调。 通过实验，证明该方法能够比较理想地解决动态定量称重过程中速度与准确度的 矛盾。 肖绚在其硕士论文中【2 4 】，针对动态称量器软硬件的实现问题，对数据处理采 用了一个较新的方法，就是应用经典控制理论求得系统的传递函数，再利用现代 控制理论，由传递函数求得系统的状态空间方程，然后进行离散化，求出离散方 程的解，最后利用离散状态方程求解系统的称量值。但是在进行系统参数识别时 没有考虑到系统参数是随物料的增加而变化的，因此算出的称量值误差较大。 袁明新等学者2 0 0 3 年撰文【2 5 l ，针对动态称重系统中数据处理的复杂性，利 用径向基函数网络对系统进行了非线性建模，并通过仿真表现出良好的精度。另 外，从硬件和软件上，对如何实现动态称重仪的设计进行了简述。 电子定量包装秤动态称重系统及数据处理方法的研究 宋爱娟等【2 6 1 介绍了利用d s p 芯片控制的动态称重系统结构和实现方法。系 统主要功能是动态测量行驶过程中的车辆轮胎所受的力，同时计算出相应静态车 辆的重量，实现全自动的动态称重计量。 g a oz h 等【5 】针对动态称量系统，提出了基于最小二乘法和预测方法的参数 识别方法，用于解决动态称量中速度和精度的性能问题，并通过实验，验证了该 方法能改善称重速度和精度。 王书鹤在其发表的论文中【2 7 1 ，提出了一种新型螺旋加料动态定量称重控制方 法。该方法基于自校正预测控制算法，采用“先快后慢、最后点动 的动态控制 方式，从而有效地解决了动态定量称重过程中精度和速度的矛盾。通过理论和实 验研究表明，该方法对动态在线定量装料、定量包装和称重配料等方面具有广泛 的应用潜力。 1 3 定量包装秤的发展概况 1 3 1 有关定量包装秤的国际建议 根据国际法制计量组织( o i m l ：o r g a n i s a t i o ni n t e m a t i o n a l ed em 6 t r o l o g i e l 6 9 a l e ) 第r 6 1 号国际建议，电子定量包装秤是通过自动称量程序，把物料分成 预定的、重量恒定的散状物品( 载荷) 装入容器的自动秤，通常包括选择组合秤、 多斗组合秤及减量装料秤三种。它们主要由一个或多个自动给料器、一个或多个 与称量单元相关的装置，以及适当的控制装置和卸料装置组成【2 引。若定量包装秤 是在非自动状态下使用时，应符合o i m lr 7 6 非自动衡器的要求【2 9 】。定量包 装秤生产的带标签包装物品需要符合o i m lr 8 7 包装物的净含量的要求【3 0 l 。 1 3 2 定量包装秤的发展动态和方向 近二十年来，由于我国经济的发展，大中小城市超市的涌现，使得定量包装 秤从无到有、从单一到多品种和多工位、从平面分布到立体空间分布、从直线到 圆周、从机电结合到智能控制，在数量上和质量上保证了相关行业的要求【3 l 】。另 据中国衡器协会最近几年发布的中国衡器工业年鉴【3 2 i t 3 3 1 【3 4 1 报告，国内衡器企业 2 0 0 3 年全年实现工业总产值4 3 0 亿元，同比增长1 2 3 ；实现工业增加值8 8 6 第一章绪论 亿元，同比增长6 6 。2 0 0 4 年全年实现工业总产值6 1 8 亿元，同比增长2 9 6 ； 实现工业增加值1 1 6 亿元，同比增长3 3 3 。2 0 0 5 全年实现工业总产值6 7 6 亿 元，同比增长6 1 。对于定量包装秤，出口量由2 0 0 3 年的2 3 3 5 台增加到2 0 0 5 年的2 0 5 9 0 4 台；进口量由2 0 0 3 年的1 9 0 台增加到了2 0 0 5 年的2 9 2 台。相对而 言，出口的单价远远低于进口的单价，这主要是由于产品的性能和科技含量等主 要因素造成的。但从定量包装秤的工业总产值和出口量可以发现，定量包装秤最 近几年保持了良好的发展势头。 在衡器业内，由于小量程和微小量程传感器技术的发展，高速高分度数的称 重仪表的出现，并配之智能系统，以及数字传感器的介入，使得这一行业得到快 速发展。现在的衡器已不再是单纯的槽轮机构的单一机电结合系统，而是代之以 进料的气动系统、步进电机移位、自动多次称量，对落料称量全过程进行智能控 制，模糊控制、自适应、自诊断等智能系统及相应的自动机械系统，控制储料仓 给料系统、称量系统、混料系统、输送系统及上位机的中心控制系统，其中电脑 组合秤将高身价融入定量包装行业中。当然粗细称量过程只是包装机的一道工 序，但它是定量包装机的核心，也是瓶颈，因此只能以衡器专业技术为核心，吸 纳机械、电气、电子、计算机、自动控制等技术完成此大业。 近年来，电子定量包装秤等电子衡器的总的发展方向为1 3 5 1 ： ( 1 ) 小型化：体积小，高度低，质量轻，即小薄轻。 ( 2 ) 模块化：电子衡器的承载器采用模块式一体组合或分体组合，不但提高 了产品的通用性和可靠性，而且也大大提高了生产效率，降低了成本。 ( 3 ) 智能化：与电子计算机组合或开发称量用计算机，利用计算机的智能来 增加称量显示器的功能，使其在原有功能的基础上增加推理、判断、自诊断、自 适应、自组织等功能。 ( 4 ) 集成化：对于某些电子衡器可以实现承载器和称量传感器一体化。 ( 5 ) 综合性：电子称量技术与电子衡器产品的应用不断扩大，己渗透到某些 学科和工业自动控制领域。 ( 6 ) 组合性：在工业生产过程或工艺流程中具有可组合性，即称量范围可以 任意设定，硬件能够依据一定的工作条件和环境作某些调整等。 除了以上几个主要的发展方向外，绿色包装也将一定程度上指导包装材料、 7 电子定量包装秤动态称重系统及数据处理方法的研究 包装机械的发展方向【3 6 1 。 1 4 主要研究内容 1 综合国内外研究成果，探讨动态称量技术的原理、动态称量技术国内外 主要研究现状，以及定量包装秤的发展动态和发展方向。 2 分析研究定量包装秤的系统结构和电子定量称重技术的基本原理；同时， 研究影响定量包装秤称量精度与称量速度等性能的主要因素，并提出提高称量精 度和称量速度的方案，即应用数字滤波技术和神经网络p i d 控制技术实现高性能 的动态称量系统。 3 对称重采样信号进行时域分析与频域分析，得到信号的有效分布。研究 适合于定量包装秤动态称量系统的数字滤波算法，并用数字滤波算法进行滤波处 理。 4 根据定量包装秤动态称量系统具体的技术指标，最优化设计了一个f i r 滤波器和一个椭圆型i i r 滤波器；同时，利用t ic 5 4 1 6d s p 芯片完成了数字滤 波器的实现。 5 结合定量包装秤动态称量系统的控制特性，利用神经网络和p i d 控制二 者的优点，设计了基于r b f 神经网络的p i d 控制系统。 8 第二章系统分析 2 1 引言 第二章系统分析 如何提高定量包装秤的称量性能，即如何同时实现高称重精度和高称重速度 的动态定量称重技术是计量领域的难题之一，也是本文研究的重点。本文研究的 定量包装秤，不是单一的称重衡器，它是将机械、电气、电子、计算机、自动控 制与衡器融为一体的智能机电结合计量设备。在分析如何提高定量包装秤的性能 之前，有必要深入了解定量包装秤系统。本章将从分析定量包装秤的系统结构入 手，首先探讨其系统组成、系统参数和系统功能，然后探讨电子称重技术的原理 及其在定量包装秤中的应用，并对定量包装秤的工作流程进行分析。最后，将从 多方面分析影响定量包装秤性能的主要原因，并提出相应的改进措施。 2 2 定量包装秤系统结构 2 2 1 组成结构 定量包装秤组成机构如图2 1 所示。它由料仓、给料机、称重传感器、称量 斗、放料门、夹袋机构、包装机和传送设备等组成。 夹袋机构 包装机 传送设备 图2 1 定量包装秤组成结构图1 3 1 9 电子定量包装秤动态称重系统及数据处理方法的研究 1 给料机 给料机是根据物料的粒度、流动性等理化特性和定量精度来综合选型的。常 见的给料方式有如下几种：闸门式给料，用于自由流动、不易结块的物料，如玉 米、大米、小麦等粒料；螺旋输送式给料，用于不粘着的、粉状或细粒状的物料， 如饲料、面粉等；振动式给料，用于自由流动、粒度较大的物料，如食品、片饲 料等。 2 称重部分 称重部分主要由称重传感器、称量斗、放料门等组成。称重部分的设计一般 结合物料的最大定量值和比重来进行，可设计成不同大小的称量斗。其中称重传 感器是称重部分的关键部件，建议选用高精度称重传感器。传感器宜采用精度和 长期稳定性好的钢制弹性体，以便在饲料加工等粉尘环境下连续工作。 放料门采用气动式放料门。这种类型的放料门动作迅速，可长期稳定可靠地 工作，维修也简单方便。气源为压缩空气，气源压力0 4 - 0 8 m p a 。 3 夹袋及包装输送部分 夹袋机构的动作是由两个夹袋缸来执行，用于夹住包装袋。夹袋机构附近有 一个脚踏式行程开关，用于发出夹袋信号将包装袋牢牢夹住。包装输送部分由包 装机和输送设备组成。当定量给料结束时，夹袋机构松袋，包装袋落在输送设备 上，脚踏包装开关，即可完成包装袋封口工作。 2 2 2 系统功能简介 本节以美特科技有限公司生产的o c s 系列电子定量包装秤【3 7 1 为例，介绍系统 参数和系统的基本功能。d c s 系列电子定量包装秤实物图如图2 2 所示，结构示 意图如图2 3 所示。 1 0 第二章系统分析 图2 2d c s 系列电子定量包装秤实物图p 7 l 图2 3d c s 系列电子定量包装秤结构示意图1 3 刀 1 系统基本参数 电子定量包装秤动态称重系统及数据处理方法的研究 d c s 系列电子定量包装秤系统基本参数如表2 - 1 所示。 表2 1d c s 系列电子定量包装秤参数表网 型号d c s 2 5d c s 5 0 包装重量( k g ) 2 忍55 5 0 最小分度值( g ) 5 1 0 计量精度o 1 f s 最大包装速度( 包d , 时) 4 2 04 2 0 电源a c 2 2 0 v 5 0 h z ，8 0 v a 气源0 4 - - 0 8m p a 压缩空气，l m 3 h 工作环境温度2 0 0 c - - 4 0 0 c ，相对湿度9 0 ( 不凝露) ( 1 ) 包装重量：包装重量在称量范围内，是一个可以调节的参数。主要由用 户按需要进行设定。 ( 2 ) 最小分度值：表示电子定量秤的称量分辨率。对于不同的称量段，有不 同的数值。即电子定量秤的允许误差与称量范围有关，不同的称量段允许误差不 同，称量范围高的允许误差大。 ( 3 ) 计量精度：f s 是应变式传感器国家标准g b 7 5 5 1 8 7 中传感器精度指标 的表示方法，其定义是额定输出百分比。 ( 4 ) 最大包装速度：该项参数是针对某些具体的称量值而言的。据实地测量， 对于d c s 一5 0 ，量程调为1 5 k g 或2 0 k g 时，可达到最大包装速度。 2 系统基本功能 根据定量称重系统的特点，定量包装秤控制系统应具备以下基本功能： ( 1 ) 自动零点跟踪功能 包装秤在称重过程中，进料的冲击、开关门的振动、传感器的漂移均可导致 空秤零点的变化，零点跟踪功能就是考虑克服和解决这个问题。 ( 2 ) 自动落差修正功能 当最后小投结束后，供料和称量斗相离空间内留有一些物料，它们将迅速落 入称重斗中变成称重的一部分，尽管重量不大但也会影响计量的准确度，因此控 制器应具有落差自动修正功能。 ( 3 ) 量程自动切换功能 1 2 第二章系统分析 在宽量程的定量系统中一般都有1 至5 个量程，每个量程对于称重控制器来 说它的控制参数是不一样的，因此控制器应具有量程的自动切换功能。选择不同 的量程，也就选择不同的控制参数。 ( 4 ) 超差报警功能 当控制器测量的重量超欠量程时，应具有报警功能。 ( 5 ) 定量秤控制器应具有过冲抑制和抗振动的能力 当大投料流量较大时，容易发生没有慢加料就卸料，使实际重量达不到目标 值的现象，即过冲现象。这是由于大料流对秤斗的冲击造成的。控制器应具有抑 制过冲的能力。 ( 6 ) 手动置零功能 手动置零功能以人工操作方式强迫定量秤的空秤显示为零，便于调试、检测 和维修等工作的进行。这在一定程度上补充了零点跟踪的不足。 ( 7 ) 自动控制功能 称重定值控制器在完成重量值检测后，应具有一定的输入输出接口与外设进 行交互，控制外设完成整个定量过程。 对于d c s 系列电子定量包装秤而言，它还具备一系列扩展功能，如：设备 进入暂停状态后仪表自动转为电子表显示日期与时间；累计包数、累计重量实时 显示；可预设2 0 种包装类别和4 个生产班别；控制参数备份与恢复功能，可快 捷备份、恢复参数设置；4 8 5 通讯接口，实现远程监视与控制。 2 3 电子称重技术原理 2 3 1 电子称重原理 称重技术的根本任务是测量各种状态下物体的重量，实质上是测量被称物体 的质量。我们知道，质量的测量是通过物体在重力场下的重力测量获得的，换算 公式为g = m g ，其中g 是物体的重力，g 是在重力场的重力加速度，m 是物体 的质量。 目前无论是利用杠杆原理，还是利用弹性元件的弹力与被测物体的重力达到 平衡来测量物体的质量，都没有离开两个必须的条件：一是重力场，二是静力平 电子定量包装秤动态称重系统及数据处理方法的研究 衡。 随着现代传感技术的发展，人们已从传统的机械杠杆原理测量物体的质量， 发展到现在的电子称重，即用传感器把重力信号转变成电信号，利用电子计算机 技术，根据电信号同重力信号的数学模型，间接地求出物体的质量。目前广泛应 用的是电阻应变片式称重传感器。 电阻应变式传感器主要由两个部分组成：一个是弹性敏感元件，称为弹性体， 它把被测物的重量转变成弹性体的应变值；另一个是电阻应变片，它把弹性体的 应变同步地转换成电阻值的变化。弹性体在弹性范围内的变化符合下列数学公 式： 占= 等= 面f ( 2 - 1 ) 占= = j u 式( 2 - 1 ) 中： g 一弹性体的相对变形； 三一弹性体的长度( m ) ； 业一弹性体的变化值( m ) ； f 一弹性体受到的外力( n ) ； e 一弹性体的弹性模量( n l m 2 ) ； s 一弹性体的横截面积( m 2 ) 。 电桥图如图2 4 所示： 图2 4 传感器电桥图嘲 对于以上电桥，墨和r 。相对电阻的变化如式( 2 2 ) 所示。r ：和恐相对电阻的 变化如式( 2 3 ) 所示。其中，式( 2 2 ) 针对受压桥，式( 2 - 3 ) 针对受拉桥。 1 4 第二章系统分析 竽= 竽地 ( 2 - 2 ) 墨r 卜纠 等= 等一廊 ( 2 - 3 ) = 一= 一一，r f 、 尼尼 。 卜叫 在有供桥电源甜时，称重传感器的电桥输出电压为： 铲“ 等蓑 p 4 ， 若忽略分母中含有g 的项，式( 2 - 4 ) 可以近似为： 掰。= 等( 1 + ) 后占( 2 - 5 ) 式( 2 3 卜式( 2 5 ) 中： k 一电阻应变计的应变灵敏度； 一弹性体的泊松比。 根据以上分析知道，可以利用称重传感器把物体的重量通过传力机构作用于 称重传感器，传感器输出电信号给单片机或d s p 系统的前置电路，该信号经滤 波放大、模数转换后传给计算机。计算机系统利用其快速的数据处理能力，通过 线性变换把它转换成重力信号并且完成显示及控制功能。 2 3 2 定量包装秤数学模型 定量包装秤结构可以等效为如图2 5 所示的称量系统。 图2 5 定量包装秤结构模型图0 2 0 l 根据n e w t o n 第二定律，建立定量包装秤称重部分的数学模型： 聊+ m ( f ) 】戈( f ) + q 文( f ) + c b x o ) = m o ) g 扰( f ) + f ( f )( 2 6 ) 1 5 电子定量包装秤动态称重系统及数据处理方法的研究 式( 2 6 ) q a ： m 一秤体的自身质量( m ) ； m ( t ) 一被称物体的质量( m ) ； 一称量传感器的刚度( n m ) ； c l 一阻尼系数( k g s ) ； x ( f ) 一秤体相对于参考零点的位移( m ) ； 甜( f ) 一单位阶跃函数； ，( ，) 一物料下落的冲击力( n ) 。 根据式( 2 6 ) 可知，定量给料系统称重装置部分的模型随给料过程而变化， 是一个时变非线性系统。完成定量给料任务，必须准确快速地测量已经通过给料 阀门的物料质量，及时控制给料阀门的开闭。通常的方法是直接利用称重传感器 输出信号的采样值，减去物料下落冲击力，加上系统对输入斜坡信号的跟踪误差， 并且滤除干扰噪声，加上留空物料质量。所谓留空物料是指已经通过给料阀门但 尚未落到秤体上而处于空中的那部分物料。然而，对于噪声的处理是一个较为复 杂的问题，必须结合好的滤波算法和控制算法，才能够取得较好的效果。 2 3 3 定量包装秤工作原理 1 控制系统结构设计 根据以上分析，设计出的定量包装秤控制系统结构如图2 6 所示。 m o ) ( ，) + ，( ，) 为系统输入信号，应变传感器的输出信号经过信号处理电路 输出x ( t ) ，加上干扰信号w ( t ) ，一起构成系统的输出信号。控制器a d 采集模 块对输出信号x ( r ) + 形( f ) 进行采样，产生信号系列x ( k ) ；控制器按照定的算 法进行信号处理，求得下料重量的估计值r ( k ) ；控制器再按照现场一些参数来 修正信号】，( 七) 的大小去控制执行机构的动作，使执行机构驱动阀门的开启闭合。 1 6 第二章系统分析 m ( t ) g u ( t ) 图2 6 定量包装秤控制系统结构图嗍 2 系统工作原理 如图2 6 所示的定量包装秤控制系统，整个系统由秤体，传感器，执行器， 控制器组成，是一个闭环系统。控制器是控制及信号处理的核心，它的输入来自 应变传感器的信号，经过信号处理电路，然后按照一定的算法计算出容器中物料 的重量，按照重量的大小来给出相应的控制信号，再按照控制算法来控制执行机 构。通过控制给料门开口的大小来改变下料的速度。当物料到达控制点时，完成 自动切换。对于三级给料系统，系统的工作流程如图2 7 所示。下面是d c s 电 子定量包装秤5 0 k g 称量值的给料过程： ( 1 ) 粗给料阶段：给料门开口达到最大，系统设定的称重余量为1