（机械设计及理论专业论文）动态定量称量系统的研究.pdf

a b s t r a c t d y n a m i cw e i g h i n g f o r p r e d e t e r m i n e df i l l i n gm a t e r i a li sah o p e f u lt e c h n o l o g y i ti s n o tv e r y p e r f e c t f u lt h o u g hi th a sal o n gh i s t o r yi no u rc o u n t r y d y n a m i cw e i g h i n g i s m o r ed i f f i c u l tt h a ns t a t i cw e i 曲i n g n l ei n p u tv a l u eo fs t a t i cw e i g h i n gs y s t e mi s i i l s t a n ta n dt h ei n t e r f e r e n c ei ss m a l l n s ri sh i g h t h e ni n t e r f e r e n c es i g n a li se a s et o d i s p o s e w h i l ed y n a m i cw e i g h i n gs y s t e m s h a v ed i f f e r e n t s i g n a lm o d e s 、y a w p i n t e r f e r e n c em a g n i t u d es i z ea n dm o d ew h e ni ti si nd i f f e r e n tf a c i l i t i e sa n dd i f f e r e n t t e s t i n go b i e c t s i nt h i st h e s i sh a so p t i m u m a t t e m p ti nt h i sp o i n ta n df i n das o l u t i o n w h i c hh a s p e r f e c tp r a c t i c a l i t y i nt h es u m m a r i z eo ft h et h e s i sd i s c u s s e ds t a t u sq u oa n df u t u r ed e v e l o p m e n to f d y n a m i cw e i g h i n gs y s t e m ，a n dt h en e c e e s i t y a n dt h e e m e r g e n c y o fd y n a m i c w e i g h i n gs y s t e ma l s o h a v ei l l u m i n a t e d n i sa r t i c l ei n t r o d u c e sam e t h o do f d y n a m i cw e i g h i n ga n dp r e d e t e r m i n e dc o n t r o l l i n g a n d i no r d o rt om i n i s he r r o ri n d y n a m i cw e i g h i n g t h i sa r t i c l eh a sa d o p t e dm u l t i l e v e lc o n t r o l l i n gw i t has u i t o f c o n t r o l l i n ga r i t h m e t i c ，a n di t h a sa d o p t e dad y n a m i cw e i g h i n gm e t h o d ，s ot h e s p e e da n dp r e c i s i o no fw e i g h i n gh a v ei m p r o v e d a n dt os o m ee x t e n ti th a s0 仃j e t t h ed e f i c i e n c yi u s ti nu n i l a t e r a ld y n a m i cw e i g h i n go ru n i l a t e r a lp r e d e t e r m i n e d c o n t r o l l i n g d y n a m i cw e i g h i n gs y s t e mi sa sas e c o n d o r d e rs y s t e m a n ds e ti tu pm o d e l ，t h e n h a si t st r a n s f o i t nf u n c t i o nl a p l a c et r a n s f o r ma n dzt r a n s f o r i l l ，a tl a s th a saf o r m u l a t 1 1 a tmi so n l yr e l a t i o nt ot h es y s t e mp a r a m e t e r s t h i sa r t i c l eh a ss y s t e mi d e n t i f i e d w i t ht h er e c u r s i v el e a s t s q u a r e ( r l s ) m e t h o d a n d h a st h e s y s t e m p a r a m e t e r s ，w h i l e t h e a u t o r e g r e s s i v e m o v i n g a v e r a g e ( a r m a ) m o d e l f o rt h e s e c o n do r d e rw e i g h i n gs y s t e mi sf i r s t l yd e r i v e d a n dh a sae q u a t i o nw h i c ht h em a s si s o n l yc o r r e l a t i o nt ot h es y s t e mp a r a m e t e r s i nt h ea r t i c l eh a ss i m u l a t i o nw e i g h i n g s y s t e mw i 廿1t d n a c a c ss y s t e r na n dc a l c u l a t ei t st h e o r y v a l u ea n d c o m p a r e t ot h e v a l u eo fi d e n t i f i e d t h e nh a st h em a s sm a g n i t u d es i z e o nt h eo t h e rh a n di nt h ea r t i c l e u t i l i z eac o n t r o l l i n gm e t h o d a n d i tc o n t r o l l st h eh a r d w a r e ，t h e ni tc a ni m p r o v et h e d y n a m i cw e i g h i n gs y s t e mp e r f o r m a n c ea n d m i n i s ht h ee r r o ro f t h ed y n a m i c s y s t e m k e y w o r d s ：d y n a m i cw e i g h i n gs y s t e m i d e n t i f y s i g n a lp r o c e s s i n g c o n t r o l l i n g 天津科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 称量自古就与人类生活息息相关。称量分为静态称量和动态称量两大类， 日常的生活中人们遇到的称量问题主要是静态的称量，如磅秤，电子秤等，分 别利用了杠杆原理、胡克定律和应变传感器应变原理来直接称量物体的重量。 静态称量是秤体与物体之间达到静态平衡后进行的称量的，一般静态的称量方 法精度都比较高，如应变传感器可以达到万分之几。 但是在现实应用中，如自动生产线中物料的传输、产品的称量包装，汽车 加注汽油等等，不仅要求计量的精度还要求一定的计量速度，快速性和准确性 都是同等重要的指标，在满足精度要求的基础上，尽可能提高计量的速度。显 然，静态称量不能满足上述的要求，只能通过动态称量来实现。 任何物体或系统都具有惯性，当物体从一个状态改变到另一个状态时需要 一端时间，要经历一个过渡过程。动态称量是当秤体与被称的物体未达到平衡 状态，尚在过渡过程中对被称的物体进行的计量。一般情况下，误差较大，所 以快速性和准确性很难同时满足要求。目前，各种流行的动态方法快速性差不 多都能满足要求，而精度却不是很高。 1 2 称量技术的历史回顾和现状及发展 称量技术在近百年的历史中，大致经历了以下的四个发展阶段，约半个世 纪的机械式的模拟式称量时代，接着进入了电气时代称量和电子称量时代，至 七八十年代末期，全面进入了数字化称量及微机智能化称量的时代，至九十年 代，开始进入模型化称量的新时代。不仅要求取得称量的正确结果，而且要求 对称量结果的状态趋势进行估计，对动态变化中的量进行实时称量。这种要求 仅仅依靠传统的称量方法和数据处理的方法已经不可能实现的，只有模型化称 量才能为日趋复杂的动态称量问题开辟一条新的路径。国际上已经取得了动态 精密称量的技术突破，称量技术已经跨入了高技术王国。把激烈的市场竞争由 此推向了新的阶段，一个成功企业，无不重视高新技术的应用，使高新技术紧 密和行业特征相结合，技术成了市场竞争的核心，我国的电子衡器技术在我国 的大力支持下，已经取得了很大的发展，但主要的技术还是国际上早已成熟的 非自动衡器方面，虽然取得了一些进步，但与实际需要还有很大差距。而从电 子衡器的综合水平，尤其是在动态电子称量方面，与国际水平不但没有接近而 是拉大了，致使我国要进口很多的称量装置，消耗大量的外汇，如果我国早 一点重视这个问题，就我国的工业基础和技术力量，完全有能力将自动化称量 技术形成产业化的市场产品，关键在于充分的重视和正确的导向，先择适宜的 起点，瞄准国际先进水平，摒弃低水平重复，将我国的电子称量技术推向一个 新的好层次是完全可能的【i j 。 天津科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 称量自古就与人类生活息息相关。称量分为静态称量和动态称量两大类， 日常的生活中人们遇到的称量问题主要是静态的称量，如磅秤，电子秤等，分 别利用了杠杆原理、胡克定律和应变传感器应变原理来直接称量物体的重量。 静态称量是秤体与物体之间达到静态平衡后进行的称量的，一般静态的称量方 法精度都比较高，如应变传感器可以达到万分之几。 但是在现实应用中，如自动生产线中物料的传输、产品的称量包装，汽车 加注汽油等等，不仅要求计量的精度还要求一定的计量速度，快速性和准确性 都是同等重要的指标，在满足精度要求的基础上，尽可能提高计量的速度。显 然，静态称量不能满足上述的要求，只能通过动态称量来实现。 任何物体或系统都具有惯性，当物体从一个状态改变到另一个状态时需要 一端时间，要经历一个过渡过程。动态称量是当秤体与被称的物体未达到平衡 状态，尚在过渡过程中对被称的物体进行的计量。一般情况下，误差较大，所 以快速性和准确性很难同时满足要求。目前，各种流行的动态方法快速性差不 多都能满足要求，而精度却不是很高。 1 2 称量技术的历史回顾和现状及发展 称量技术在近百年的历史中，大致经历了以下的四个发展阶段，约半个世 纪的机械式的模拟式称量时代，接着进入了电气时代称量和电子称量时代，至 七八十年代末期，全面进入了数字化称量及微机智能化称量的时代，至九十年 代，开始进入模型化称量的新时代。不仅要求取得称量的正确结果，而且要求 对称量结果的状态趋势进行估计，对动态变化中的量进行实时称量。这种要求 仅仅依靠传统的称量方法和数据处理的方法已经不可能实现的，只有模型化称 量才能为日趋复杂的动态称量问题开辟一条新的路径。国际上已经取得了动态 精密称量的技术突破，称量技术已经跨入了高技术王国。把激烈的市场竞争由 此推向了新的阶段，一个成功企业，无不重视高新技术的应用，使高新技术紧 密和行业特征相结合，技术成了市场竞争的核心，我国的电子衡器技术在我国 的大力支持下，已经取得了很大的发展，但主要的技术还是国际上早已成熟的 非自动衡器方面，虽然取得了一些进步，但与实际需要还有很大差距。而从电 子衡器的综合水平，尤其是在动态电子称量方面，与国际水平不但没有接近而 是拉大了，致使我国要进口很多的称量装置，消耗大量的外汇，如果我国早 一点重视这个问题，就我国的工业基础和技术力量，完全有能力将自动化称量 技术形成产业化的市场产品，关键在于充分的重视和正确的导向，先择适宜的 起点，瞄准国际先进水平，摒弃低水平重复，将我国的电子称量技术推向一个 新的好层次是完全可能的【i j 。 第一章绪论 称量问题是一个传统的问题，日常生活有各种应用场合，在实际的应用中人们 关心的是称量的精度，即尽可能准确地称出物体的重量，所以在传统的方法中主要 是研究如何利用各种原理来提高称的精度，近年来称量技术取得了惊人的发展，主 要是由静态称量到动态称量、在线称量和模型化称量方向发展，尤其是动态数学模 型的建立、系统理论、模糊理论、人工智能、神经网络、数字滤波、振动理论、阻 尼技术等科学技术在称量领域中的广泛应用，系统的自诊断、自适应及功能自组织 扩展形成、组合化和功能自适应方向发展。例如在称量系统中采用二阶系统自回归 滑动平均模型，使称量时间在不超过一个振荡周期的情况下，就可以获得精密的称 量结果，这种将事先掌握的信息和实验数据结合的称量称量技术，将成为称量技术 的扩大应用的主要发展方向1 2 l 。 近年来电子称量技术和电子衡器总的发展动向为： ( 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：电子称量技术与电予衡器产品的应用不断扩大，已渗透到一些学 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局有可组合性，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o ”。 生产线上称量或重量控制在自动连续称量的在线称量装置没有开发成功之前， 都是靠人工操作的，而且只能采用抽样检测的方法，这对高效生产和质量控制和确 保消费者利益等方面是完全不适应的。传统的抽检方式也不适应现代生产线和计量 法制管理的要求。在线重量检测是必然的发展趋势。在食品、医药、化工等行业， 这种自动在线称量将使生产管理者的工作变得更简洁、准确、安全和高效。在线自 动称量的衡器主要有以下几个方面： ( 1 ) 抓料秤。对重量非预置的离散的物料进行自动称量，按重量对物体进行 分类，如检验秤、分选秤，也可以对单个物体进行计价并打上标志，如价格标签等。 ( 2 ) 连续累计自动秤。对一批物料分成若干不连续的各不相等的载荷，按预 定的程序一次称量，并对每次称量的载荷进行累计以求得该批的总量。如散料秤， 用于称量粮食或化工原料。 ( 3 ) 力式装料自动秤。把重量预置的、实际上是恒定的散状物品装入容器， 通过自动称量程序进行称量，简称定量秤。 ( 4 ) 自动配料系统。主要用于生产过程中的多种物料按配方规定的比例进行 2 天津科技大学硕士学位论文 自动配料称量。在食品、医药、建材、饲料、化工等场合应用广泛。 模型化称量是称量技术的新时代，它不仅要求得到称量结果，而且还对称量结 果进行综合评估，对被称量值进行状态估计、诊断、趋势分析。对多变量实施动态 称量，只采用传统的称量方法和数值手段是不够的，而要借助于模型的建立和参数 的估测，实现智能化称量。智能化称量仪与微机的显著区别就在于，智能化称量仪 具有学习、推理、判断和自适应能力、功能自组织等功能。这就需要各种数学模型 和知识层构成。 模型化称量把称量视为一个过程，把计量仪器视为一个系统，根据系统知识以 及事物数据，利用系统辨识建立计量仪器的数学模型，对被称量物进行数据处理和 性能状态的估计，通过软件改善硬件的性能。模型化称量为解决日趋复杂的动态称 量问题开辟了一条新的途径。 在自动称量技术中，称量软件对未来称量技术的发展的重要性将日益增长，只 有优越的软件设计才能使系统的硬件得到充分的发挥，使系统达到最佳状态【2 1 。 1 3 动杏称量技术及其价值 1 3 1 动态称量技术 要研究动态称量技术必须先对其进行分析，一般包括以下几个方面： 1 ) 动态称量的特征 ( a ) 被测对象处于非静止状态，即被称量或测力的物体在运动。 ( b ) 称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。 ( c ) 在短时间内进行快速称量，即称量时间短于称量测力计量仪器的调定时间。 2 ) 动态称量的常用方法及原理 ( a ) 冲量法：公式f 2f ( t ) d t = m ( v 2 一v 1 ) 已知v l ，v 2 ，用冲量流量计测得冲量rf ( t ) d t 来求得物料的质量，精度不高， t - 一般原料输送计量采用此方法。 ( b 1 体积法：利用m = p v 已知物料比重p 测量出体积v 来求物料的质量，由于物料的密度p 易发生改变， 体积测量精度有限，所以精度也不高。 ) 辐射吸收法：，= l o e 。“。 利用物料对辐射线吸收原理进行测量，尤其物料少时，精度很低。 ( d ) 重力法：g = m g 应用最广泛，主要使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原理。 ( f ) 质量法：公式f = m a ，通过测量力f 和加速度a 来求得质量m 。 3 天津科技大学硕士学位论文 自动配料称量。在食品、医药、建材、饲料、化工等场合应用广泛。 模型化称量是称量技术的新时代，它不仅要求得到称量结果，而且还对称量结 果进行综合评估，对被称量值进行状态估计、诊断、趋势分析。对多变量实施动态 称量，只采用传统的称量方法和数值手段是不够的，而要借助于模型的建立和参数 的估测，实现智能化称量。智能化称量仪与微机的显著区别就在于，智能化称量仪 具有学习、推理、判断和自适应能力、功能自组织等功能。这就需要各种数学模型 和知识层构成。 模型化称量把称量视为一个过程，把计量仪器视为一个系统，根据系统知识以 及事物数据，利用系统辨识建立计量仪器的数学模型，对被称量物进行数据处理和 性能状态的估计，通过软件改善硬件的性能。模型化称量为解决日趋复杂的动态称 量问题开辟了一条新的途径。 在自动称量技术中，称量软件对未来称量技术的发展的重要性将日益增长，只 有优越的软件设计才能使系统的硬件得到充分的发挥，使系统达到最佳状态【2 1 。 1 3 动杏称量技术及其价值 1 3 1 动态称量技术 要研究动态称量技术必须先对其进行分析，一般包括以下几个方面： 1 ) 动态称量的特征 ( a ) 被测对象处于非静止状态，即被称量或测力的物体在运动。 ( b ) 称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。 ( c ) 在短时间内进行快速称量，即称量时间短于称量测力计量仪器的调定时间。 2 ) 动态称量的常用方法及原理 ( a ) 冲量法：公式f 2f ( t ) d t = m ( v 2 一v 1 ) 已知v l ，v 2 ，用冲量流量计测得冲量rf ( t ) d t 来求得物料的质量，精度不高， t - 一般原料输送计量采用此方法。 ( b 1 体积法：利用m = p v 已知物料比重p 测量出体积v 来求物料的质量，由于物料的密度p 易发生改变， 体积测量精度有限，所以精度也不高。 ) 辐射吸收法：，= l o e 。“。 利用物料对辐射线吸收原理进行测量，尤其物料少时，精度很低。 ( d ) 重力法：g = m g 应用最广泛，主要使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原理。 ( f ) 质量法：公式f = m a ，通过测量力f 和加速度a 来求得质量m 。 3 天津科技大学硕士学位论文 自动配料称量。在食品、医药、建材、饲料、化工等场合应用广泛。 模型化称量是称量技术的新时代，它不仅要求得到称量结果，而且还对称量结 果进行综合评估，对被称量值进行状态估计、诊断、趋势分析。对多变量实施动态 称量，只采用传统的称量方法和数值手段是不够的，而要借助于模型的建立和参数 的估测，实现智能化称量。智能化称量仪与微机的显著区别就在于，智能化称量仪 具有学习、推理、判断和自适应能力、功能自组织等功能。这就需要各种数学模型 和知识层构成。 模型化称量把称量视为一个过程，把计量仪器视为一个系统，根据系统知识以 及事物数据，利用系统辨识建立计量仪器的数学模型，对被称量物进行数据处理和 性能状态的估计，通过软件改善硬件的性能。模型化称量为解决日趋复杂的动态称 量问题开辟了一条新的途径。 在自动称量技术中，称量软件对未来称量技术的发展的重要性将日益增长，只 有优越的软件设计才能使系统的硬件得到充分的发挥，使系统达到最佳状态【2 1 。 1 3 动杏称量技术及其价值 1 3 1 动态称量技术 要研究动态称量技术必须先对其进行分析，一般包括以下几个方面： 1 ) 动态称量的特征 ( a ) 被测对象处于非静止状态，即被称量或测力的物体在运动。 ( b ) 称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。 ( c ) 在短时间内进行快速称量，即称量时间短于称量测力计量仪器的调定时间。 2 ) 动态称量的常用方法及原理 ( a ) 冲量法：公式f 2f ( t ) d t = m ( v 2 一v 1 ) 已知v l ，v 2 ，用冲量流量计测得冲量rf ( t ) d t 来求得物料的质量，精度不高， t - 一般原料输送计量采用此方法。 ( b 1 体积法：利用m = p v 已知物料比重p 测量出体积v 来求物料的质量，由于物料的密度p 易发生改变， 体积测量精度有限，所以精度也不高。 ) 辐射吸收法：，= l o e 。“。 利用物料对辐射线吸收原理进行测量，尤其物料少时，精度很低。 ( d ) 重力法：g = m g 应用最广泛，主要使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原理。 ( f ) 质量法：公式f = m a ，通过测量力f 和加速度a 来求得质量m 。 3 第一章绪论 还有在动态称量领域中，尽管传感器在硬件方面起着重要的作用，但基于动力 学系统的模型技术，对于设计动态称量的方法方面将是更为本质和更为重要，一般 是采用系统数学模型、振动理论、阻尼技术、滤波技术综合处理，主要问题的解决 应放在软件方面，使硬件和软件有机结合，这是目前动态称量中主要研究方向。 1 3 2 动态称量技术的价值 随着社会的发展，工业生产越来越采用自动化技术，称量不仅需要精度而且 需要速度，传统的静态的称量设备越来越不能胜任自动化生产过程快速准确非人工 参与的要求，市场迫切需要自动化的动态称量设备。例如交通运输部门的车辆货物 称量，在静态称量条件下，车辆过秤时必须停车、熄火、等到信号稳定后才进行称 量，这必然大大增加了称量时间，对于一些诸如码头、仓库、煤矿等车流密度较大 的情况下，静态称量显然不能满足工作需要。再如，随着食品法的实施，袋装 食品的实际重量与标明重量之间的误差不得大于5 ，所以食品在出厂前都必须进行 重量的检测。 在课题调研过程中，通过查阅文献资料以及市场调研，发现动态称量虽然已 经出现，但是仍然处于发展阶段。市场上现有的一些动态称量产品价格高，精度却 不高，抗干扰能力差，因而只能应用于一些精度要求不高，干扰不大的场合。如国 内一公司生产的动态汽车衡称量范围为4 0 0 0 k g ，准确度为2 0 k g ，它的准确度低于 国际上的同类产品。对食品( 质量较小) 进行动态称量的电子秤，目前我国还不见 生产。严格讲，现有的动态称量系统的精度都低于静态称量的精度。同时，我们专 门走访了某国家二级企业衡器厂，该厂的工程师告诉我们，动态称量技术是这几年 才发展起来的一项新技术，他们正准备下一步的研究开发计划即是研究开发动态称 量电子秤。可见如果能够找到一个较好的动态的称量方法而且能满足自动化生产的 快速准确的要求，成功地应用于实际称量设备中，必然具有巨大的实用价值。 1 3 3 国内外动态定量称量研究近况 随着科学技术的进步，将智能控制、最优化等技术应用于动态定量称量，解决 称量精度和称量速度的协调问题，已逐渐引起了人们的关注。 1 国外研究情况情况 1 9 9 1 年，日本大阪，小野敏郎在其论文中叙述了一种微处理机辅助的动态称 量法的理论基础，并给出了适于微处理机的补偿计算方法的推导，说明了硬件的配 置以及所制造的作为实试验性的估计装置的软件，并在述发展一种实用的动态称量 装置的同时，由动态称量试验中给出一些结果f 4 1 。 1 9 9 5 - 1 9 9 6 年，h a l i m i c ，m 等学者连续撰文，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 i l 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 ) ，分别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1 5 】【6 】。 t 第一章绪论 还有在动态称量领域中，尽管传感器在硬件方面起着重要的作用，但基于动力 学系统的模型技术，对于设计动态称量的方法方面将是更为本质和更为重要，一般 是采用系统数学模型、振动理论、阻尼技术、滤波技术综合处理，主要问题的解决 应放在软件方面，使硬件和软件有机结合，这是目前动态称量中主要研究方向。 1 3 2 动态称量技术的价值 随着社会的发展，工业生产越来越采用自动化技术，称量不仅需要精度而且 需要速度，传统的静态的称量设备越来越不能胜任自动化生产过程快速准确非人工 参与的要求，市场迫切需要自动化的动态称量设备。例如交通运输部门的车辆货物 称量，在静态称量条件下，车辆过秤时必须停车、熄火、等到信号稳定后才进行称 量，这必然大大增加了称量时间，对于一些诸如码头、仓库、煤矿等车流密度较大 的情况下，静态称量显然不能满足工作需要。再如，随着食品法的实施，袋装 食品的实际重量与标明重量之间的误差不得大于5 ，所以食品在出厂前都必须进行 重量的检测。 在课题调研过程中，通过查阅文献资料以及市场调研，发现动态称量虽然已 经出现，但是仍然处于发展阶段。市场上现有的一些动态称量产品价格高，精度却 不高，抗干扰能力差，因而只能应用于一些精度要求不高，干扰不大的场合。如国 内一公司生产的动态汽车衡称量范围为4 0 0 0 k g ，准确度为2 0 k g ，它的准确度低于 国际上的同类产品。对食品( 质量较小) 进行动态称量的电子秤，目前我国还不见 生产。严格讲，现有的动态称量系统的精度都低于静态称量的精度。同时，我们专 门走访了某国家二级企业衡器厂，该厂的工程师告诉我们，动态称量技术是这几年 才发展起来的一项新技术，他们正准备下一步的研究开发计划即是研究开发动态称 量电子秤。可见如果能够找到一个较好的动态的称量方法而且能满足自动化生产的 快速准确的要求，成功地应用于实际称量设备中，必然具有巨大的实用价值。 1 3 3 国内外动态定量称量研究近况 随着科学技术的进步，将智能控制、最优化等技术应用于动态定量称量，解决 称量精度和称量速度的协调问题，已逐渐引起了人们的关注。 1 国外研究情况情况 1 9 9 1 年，日本大阪，小野敏郎在其论文中叙述了一种微处理机辅助的动态称 量法的理论基础，并给出了适于微处理机的补偿计算方法的推导，说明了硬件的配 置以及所制造的作为实试验性的估计装置的软件，并在述发展一种实用的动态称量 装置的同时，由动态称量试验中给出一些结果f 4 1 。 1 9 9 5 - 1 9 9 6 年，h a l i m i c ，m 等学者连续撰文，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 i l 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 ) ，分别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1 5 】【6 】。 t 第一章绪论 还有在动态称量领域中，尽管传感器在硬件方面起着重要的作用，但基于动力 学系统的模型技术，对于设计动态称量的方法方面将是更为本质和更为重要，一般 是采用系统数学模型、振动理论、阻尼技术、滤波技术综合处理，主要问题的解决 应放在软件方面，使硬件和软件有机结合，这是目前动态称量中主要研究方向。 1 3 2 动态称量技术的价值 随着社会的发展，工业生产越来越采用自动化技术，称量不仅需要精度而且 需要速度，传统的静态的称量设备越来越不能胜任自动化生产过程快速准确非人工 参与的要求，市场迫切需要自动化的动态称量设备。例如交通运输部门的车辆货物 称量，在静态称量条件下，车辆过秤时必须停车、熄火、等到信号稳定后才进行称 量，这必然大大增加了称量时间，对于一些诸如码头、仓库、煤矿等车流密度较大 的情况下，静态称量显然不能满足工作需要。再如，随着食品法的实施，袋装 食品的实际重量与标明重量之间的误差不得大于5 ，所以食品在出厂前都必须进行 重量的检测。 在课题调研过程中，通过查阅文献资料以及市场调研，发现动态称量虽然已 经出现，但是仍然处于发展阶段。市场上现有的一些动态称量产品价格高，精度却 不高，抗干扰能力差，因而只能应用于一些精度要求不高，干扰不大的场合。如国 内一公司生产的动态汽车衡称量范围为4 0 0 0 k g ，准确度为2 0 k g ，它的准确度低于 国际上的同类产品。对食品( 质量较小) 进行动态称量的电子秤，目前我国还不见 生产。严格讲，现有的动态称量系统的精度都低于静态称量的精度。同时，我们专 门走访了某国家二级企业衡器厂，该厂的工程师告诉我们，动态称量技术是这几年 才发展起来的一项新技术，他们正准备下一步的研究开发计划即是研究开发动态称 量电子秤。可见如果能够找到一个较好的动态的称量方法而且能满足自动化生产的 快速准确的要求，成功地应用于实际称量设备中，必然具有巨大的实用价值。 1 3 3 国内外动态定量称量研究近况 随着科学技术的进步，将智能控制、最优化等技术应用于动态定量称量，解决 称量精度和称量速度的协调问题，已逐渐引起了人们的关注。 1 国外研究情况情况 1 9 9 1 年，日本大阪，小野敏郎在其论文中叙述了一种微处理机辅助的动态称 量法的理论基础，并给出了适于微处理机的补偿计算方法的推导，说明了硬件的配 置以及所制造的作为实试验性的估计装置的软件，并在述发展一种实用的动态称量 装置的同时，由动态称量试验中给出一些结果f 4 1 。 1 9 9 5 - 1 9 9 6 年，h a l i m i c ，m 等学者连续撰文，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 i l 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 ) ，分别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1 5 】【6 】。 t 天津科技大学硕士学位论文 1 9 9 9 年，a l m o d a r r e s i ，s 等学者撰文，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。并通过系统仿真和实时测量验证了方法的可行性【7 j 。 1 9 9 4 年，b a l a c h a n d r a n ，w 等学者撰文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1 8 】【9 1 。 1 9 9 9 年，d a n a c i 等学者撰文，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【1 0 】。 1 9 9 8 年，l a u b e r 等学者撰文，研究了称量信息的数据集成和基于数字技术的 智能变送器i l “。 美国g r a v i m e r i k 公司的解决方案是采用逆平衡传感器测量物料的重量，并 反馈重量的信号至变频调速器，控制电机，进一步控制传送带的运动。其图形如1 1 1 - 1 控制图 意大利某公司的解决方案。采用如图所示的方案。应变传感器感受物料重 量，并反馈重量的信号至控制器，控制器控制阀门的开启。为了同时照顾精度和速 度，采用了两个阀门，一个大和一个小，开始下料时，两个阀门同时打开，加快下 料速度，快接近额定值时，关闭大阀门，只打开小阀门，达到额定值时，关闭小阀 门f 1 2 1 。 2 国内研究情况 1 2 控制图 第一章绪论 1 9 9 6 年，杨青等学者撰文，针对粉状物料配料系统引入自适应估计方法，并在 8 0 3 1 单片机实现和验证i j 。 1 9 9 9 年，石永坤等学者撰文，研究了模糊控制应用于动态称量的可行性，并进 行了方法性探讨i i 。 1 9 9 7 年，罗映云在其论文中介绍了用于线材动态称量的链钩秤的称量原理、组成 部分、技术性能及生产应用情况。从他的数学模型到原理，从软件饿硬件两个途径 建立链钩秤的称量方法。实践证明了是可行的【1 ”。 1 9 9 7 年，陈少华在其论文中阐述了在动态称量仪研制过程中的用有限元法对结 构进行强度、刚度校核，提出了应变测量区( 面板) 的参考尺寸；根据面板中心线 上各点的应变影响线，找出应变片的分布规律和具体位置，使一定重量的车辆压在 动态称量仪的任何位置上都可以称量出起准确重量i i “。 2 0 0 0 年，周山雪在其论文中提出了根据单摆原理，利用已知物体重量推导出了 计算被称物体重量的公式，进一步讨论了产生误差的原因，并给出了具体的实现方 法，较好地解决了吊秤动态称量的难题i l ”。 1 9 9 9 年，白瑞林等在其撰文中提出了一种实用的仪用模糊神经网络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，进行了大量的不同的工 业背景的计算机仿真，得出的控制器参数( 网络权值，网络阀值) 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，证明是一种实现仪器仪表智能化的有效方法i l ”。 2 0 0 0 年，白瑞林等在其发表的论文中以传送带、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( n n ) 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，并相应配套设计投料机械装置【l ”。 2 0 0 1 年，张海清等在其论文中提出了一个模糊控制器来提高改善动态称量系统 性能、提高其测量精度，给出了模糊控制器的校正算法，相应的称量样机，并给出 了实际的称量结果【2 。 2 0 0 1 年，肖绚在其硕士论文中在动态称量器软硬件实现中，对数据处理采用了 一个较为新的方法，其是在通过经典控制理论来求得系统的传递函数，利用现代控 制理论，由经典控制理论中的传递函数来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，利用离散状态方程求解系统的称量值。但是其在进行系统 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，故算出的称量值会使误 差较大【3 l 。 殳伟群和张海清在重量信号处理做了很大的工作，他们认为动态称量时，动态 的过渡过程包含有被称对象重量的信息，利用这些信息建立参数模型进行重量估 计，真正达到动态时就把“重量”称出来【”j 。 6 天律科技大学硕士学位论文 另外，还有许多的工程技术学者在传统动态称量方法的改进上作了大量的有实 用价值的工作阱1 1 2 3 】【2 4 】【2 5 1 1 2 6 1 1 2 7 l 【2 8 】【2 9 】【3 0 】【3 1 】【3 2 】【3 3 】1 3 4 1 3 5 l 【3 6 】【3 7 】【3 8 1 。 1 3 4 本论文研究的主舞内容及意义 经对上述文献分析，国外研究先进的动态称量过程多为自动抓捕器( a u t o m a t i c c a t c h w e i g h i n gi n s t r u m e n t ) ，并将其称为自动检验衡器或检验秤( a u t o m a t i c c h e c h w e i g h i n g i n s t r u m e n to rc h e c h w e i g h i n g e r ) 。这种自动衡器主要用来对传送的包 装物品或单个载荷进行称量，应用最多的是分选秤，即将被称的物体的质量与额定 设置值进行比较，按偏差大小进行分选。自动抓捕器不同与力式装料自动衡器，系 统多为开环控制，技术关键在于动态称量的信号的滤波，估计和抗噪，难度比后者 明显小。国内许多的文献都是单独对其硬件或软件进行改善，很少把二者结合起来 或是即使结合起来也未能得到较好的结果。 本文研究的内容主要是从以下几个方面着手： ( 1 ) 首先是把称量系统看作是一个二阶系统，建立数学模后，进行拉普拉斯 变换和z 变换盾得出一个质量仅与系统参数有关的关系式，从而把称量问题转化为 一个系统参数识别问题来解决。 ( 2 ) 通过编写的程序来采集系统信号并进行处理( 运用渐消递推最小二乘法) 对系统参数进行识别，从而得出称量结果。 ( 3 ) 本文是通过t d n - a c a c s 系统进行仿真个二阶系统产生一个阶跃信号， 这样系统的参数可以从理论上算出，本文通过采集信号，对信号进行处理辩识出系 统的参数与其理论值进行比较，同时多次改变系统的中的r 值来改变系统参数，并 进行识别和比较，结果是比较满意的。 ( 4 ) 由于控制对称量精度影响同样很重要，所以本文还运用了一种计算方法 来改善控制过程，由于在不同的环境下，控制的设备不同，系统的一些参数也要变 化，这样如果把控制点确定为固定的值，有时误差会很大，本文是在每次识别系统 一些参数如：流量和加料口到秤体的高度等来改变控制点的大小。这样就减小了称 量系统的误差，提高了称量精度。 7 天律科技大学硕士学位论文 另外，还有许多的工程技术学者在传统动态称量方法的改进上作了大量的有实 用价值的工作阱1 1 2 3 】【2 4 】【2 5 1 1 2 6 1 1 2 7 l 【2 8 】【2 9 】【3 0 】【3 1 】【3 2 】【3 3 】1 3 4 1 3 5 l 【3 6 】【3 7 】【3 8 1 。 1 3 4 本论文研究的主舞内容及意义 经对上述文献分析，国外研究先进的动态称量过程多为自动抓捕器( a u t o m a t i c c a t c h w e i g h i n gi n s t r u m e n t ) ，并将其称为自动检验衡器或检验秤( a u t o m a t i c c h e c h w e i g h i n g i n s t r u m e n to rc h e c h w e i g h i n g e r ) 。这种自动衡器主要用来对传送的包 装物品或单个载荷进行称量，应用最多的是分选秤，即将被称的物体的质量与额定 设置值进行比较，按偏差大小进行分选。自动抓捕器不同与力式装料自动衡器，系 统多为开环控制，技术关键在于动态称量的信号的滤波，估计和抗噪，难度比后者 明显小。国内许多的文献都是单独对其硬件或软件进行改善，很少把二者结合起来 或是即使结合起来也未能得到较好的结果。 本文研究的内容主要是从以下几个方面着手： ( 1 ) 首先是把称量系统看作是一个二阶系统，建立数学模后，进行拉普拉斯 变换和z 变换盾得出一个质量仅与系统参数有关的关系式，从而把称量问题转化为 一个系统参数识别问题来解决。 ( 2 ) 通过编写的程序来采集系统信号并进行处理( 运用渐消递推最小二乘法) 对系统参数进