为了改进旧包装生产线电子秤的动态称重性能,根据动态称重系统中的数学模型时变非线性强、传感器动态品质 差以及被测对象冲力、秤体振动、空中余料难以确定等一些造成称重系统快速性和精度难以提高的因素,提出了零极点配置的自适应 动态补偿和基于哈明窗的fir低通滤波方法,实际应用表明:本方法能有效地改善称重精度,缩短信号衰减时间，提高称重速度。

1.前言

电子秤在包装生产过程中是很重要的一环，它的性能好坏 直接影响到企业的经济效益。包装生产线的电子秤工作过程是 动态称重过程，被测物料在下落过程中具有的加速度会对称体 造成冲击，给称量的精度带来较大影响。在动态称重系统中，解 决快速性问题和提高动态称量准确度是至关重要的。车间旧包 装生产线电子秤称重系统的性能比较差，主要表现在速度慢、精 度低、波动大。针对旧包装生产线电子秤存在的问题，提出了一 种改进电子秤动态性能的方法，在秤传感器后串接补偿环节以 实现动态实时性补偿，并结合采用哈明窗低通滤波器进行改 进。车间联合哈尔滨博实自动化设备有限责任公司采用上述方 法对旧包装生产线进行改造后，旧电子秤动态称重系统的计量 偏差30袋平均值由原来的大于3%。变为小于1%。，称量速度由原 来的500袋/小时左右变为800袋/小时以上，有效地提高了动态 称重系统的快速性和精度，取得了较好的效果。

2.电子秤动态称重系统分析及其模型

电子秤工作过程中其称量的物料质量是不断变化的，动态 称重过程的被控对象具有惯性、滞后、非时变等非线性环节的特 性，是单输入单输出的无自平衡能力的二阶纯滞后对象，其系 统为时变非线性系统。电子秤传感器一般由应变片和弹性体组 成。弹性体是一个有特殊形状的结构件，它的主要作用是将力 转换为形变，应变片将变形转变成电阻变化。由于其弹性体的 阻尼比较小，称重过程振荡严重，称重系统的动态响应过程到达 稳态状态的时间较长，难以满足快速生产的要求。

影响动态称重性能的因素主要有：信号采集模块的自身误 差；称重传感器自身误差；弹性体的欠阻尼振荡；被测物料加速 度的冲击力；留在空中的物料误差;机械振动的干扰；噪声干扰 等。其中，弹性体欠阻尼振荡是影响比较大的因素之一，必须加 以改进。

称重环节中的应变式称重传感器和秤体构成称重部分，动 态称重过程中，水平方向的振动对称重精度影响较小，可忽略不 计，则称重部分可以等效为一个由弹簧、阻尼器组成的二阶线性 系统，如图1所示，其数学模型为：

式中：m为秤体质量，M(t)为物料质量，G(t)为物料重量，C 为等效阻尼系数，K为等效刚度，(t)为物料下落的冲击力，X为 秤体相对参考零点的位移。

式（1)是秤体相对参考点的位移x与重量G(t)的函数模型， 由式可知，系统是一个时变线性系统。当系统质量不变时，式

(1)是典型的二阶线性系统。采用分段线性化法将该函数模型 近似为线性时不变系统来建立系统的数学模型，在很短的时间 段[t，t+Ad内，可以假定物料下落的质量M(t)与冲击力F(t)不 变，即G= Mg+F，则式(1)经过拉普拉斯变换可得：

1/k为系统增量，con为角频率，为阻尼比。这样秤的动态特 性就可以用角频率和阻尼比来表示。

利用测试系统动力学对传感器进行建模，通过试验来确定 该秤动态特性的角频率和阻尼比。当电子秤体在空载状态时， 手拿塑料锤用合适的力度敲击秤台，就可产生冲击激励信号，作 为产生单位脉冲的激励源，该冲击激励信号可以近似为单位脉 冲函数，获得实验冲击激励过程曲线，见图2。

用塑料锤敲击秤体来获得系统的脉冲冲击响应，获得该秤 的阻尼比和其固有频率。由公式得：

式中，f为振荡频率，An A2为曲线相隔n个周期的峰值，均可 直接从图上量出来。

由式可知，电子秤称重系统的阻尼比较小，振荡大，秤的动 态响应特性较差，是导致传感器短时间内采集到的信号不不能 及时反映被测物料真实重量的一个重要原因。并因其阻尼过 小，电子秤动态响应趋稳的调节时间太长，其达到稳态状态的响 应时间T=450ms，电子秤称重系统的速度不能满足包装快速流 水线的生产要求。

3.自适应动态补偿原理与数据处理

由上述分析可知，由于秤称重系统的阻尼比较小、振荡大， 使电子秤称重系统的动态特性不好，影响了电子秤称重的速度 和精度，因此，在秤的动态称重系统中加入串联补偿环节H(s)， 串联在传感器O(s)后，把系统阻尼比增加到彳=0.707，则固有频率 根据工作频带确定为753(md/s)，这样就可构成理想传感器称重 系统。假设串联补偿环节传递函数为H(s)，希望的输出传递函 数为仏(s)，原称重系统的传递函数是O(s)。则称重系统串联补偿 环节后的动态补偿原理如图3所示。

其中，ao、ai,a2、bi、2与M、m、T (采样周期）有关，由式(1)和式

知，M是系统模型的参数之一。称重系统极点与不断变化的 物料质量M的值有密切关系。

电子秤定量称重是一个动态过程，动态称量精度与控制过 程中的每一个环节密切相关。它需要在短时间内对被称量物料 的质量加以判断、检测，通过算法运算控制调整物料流量、修正 因空中飞料的测量误差，为下一次称量做准备。物料的重量随 着不断下落的物料而变化，传感器的电压输出值也是随着不断 变化的，由上述的式(2)可知，电子秤称重模型的传递函数的参 数M与其函数输出值也是不断变化的，它的参数M是用上一个 采样点通过补偿器后的输出来替代，因而，补偿传递函数也是不 断变化的[4]。按照把系统阻尼比增加到彳=0.707的理想传感器 称重系统来输出动态数值，并要使称重过程中系统始终保持为 最佳二阶系统，那么串联的补偿环节就要动态地给予系统补偿，

当物料重量在动态变化造成称重系统传递函数的零极点变化 时，自适应动态补偿器的模型也不断地改变它自身的极点，随称 重系统动态模型不断调整其自身的零点，与称重系统的极点相 互抵消，加入串联自适应动态补偿环节的系统始终保持为最佳 二阶系统，以此达到自适应动态补偿的效果。自适应动态补偿 原理如图4所示。

存在干扰，应用给出的动态补偿方法，对系统定量下料称重过程进行了补偿，应用上面的塑料锤敲击秤 体的方法，得到自适应动态补偿后的系统阶跃响应特性，如图5 所示。从图中可以看出，加入动态补偿环节后的称重系统动态 响应特性在受到冲击力的开始，有一个相对大的波形值，在称重 稳定之前，所显示的值一直是一个相对大些波动值，但相比较图 2的波形有显著的改进，电子秤称重系统脉冲响应的最大振幅明 显降低，并且达到稳态状态的输出时间减少为60ms左右，与之 前达到稳态状态输出时间为450 ms有很大的改进。说明在随机 干扰和存在系统误差的情况下，加入串联动态补偿环节后能很 好地提高电子秤的动态称重速度。

4.动态称重系统滤波处理

由于电子秤在正常工作过程中存在下落物料的冲击，以及 机械振动、脉冲干扰等动态影响所形成的交变振动信号幅值比 较大，它甚至达到15%以上。减小秤振动对称重传感器信号的 影响是一个重要的课题。因此，除了在机械方面考虑受力的均 衡与连接外，上面提到的振动影响是不可避免的。虽然电子秤 称重系统的中间电路对被测物料的冲击信号、其它脉冲干扰信 号以及来自系统内部和外部的各种电气干扰进行了模拟滤波， 但仍然不能完全消除这些干扰信号，尤其是较低频率的干扰信 号。这些不能被完全消除的干扰信号在滤波后也会参杂进一些 新的干扰，加上A / D与A / D转换器精度和电路方面各环节的 影响，对秤的称重精度极为不利，通过数字滤波可以对这些干扰 进行消除。数字滤波器通过计算各频率，当频率特性逼近给定 的频率特性时，去除干扰提取有用信号，达到消除干扰的目的。 窗函数法数字滤波设计比较简单，有规律可循，它根据性能要求 来选择滤波器，并用合适的窗函数与滤波器在时域中的单位冲 激响应相乘，求出有限的脉冲响应，来逼近给定的频响，就可得 到一个有限长的冲激响应数字系统，即FIR滤波器系统。FIR滤 波器有很多优点：稳定性好;对噪声和量化误差等有限字长效应的敏感性低；不会引入相位失真。通过调整窗函数的参数使其 逼近理想滤波器的性能参数就可实现滤波要求。

常用的窗函数有矩形窗、三角窗、汉宁窗、哈明窗、布莱克曼 窗、凯塞窗六种。根据窗函数的基本参数表(表1所示）比较各 窗函数的特性，在相同条件下即窗函数长度N和截止频率_相 同时矩形窗的过渡带最窄，而阻带衰减最小，布莱克曼窗的过渡 带最宽，但换来的阻带衰减最大。通过进行比较，选取哈明窗来 作为电子秤称重系统的FIR数字滤波器，该滤波方法具有滤波效 果好、参数修改方便等优点。

本文在自适应动态补偿的基础上进行FIR滤波前和基于哈 明窗滤波器进行滤波后实际工作状态的测试，在正常的包装称 重环境下，动态称重偏差测试结果分别见表2(30袋平均偏差 3.01 %)和表3 (30袋平均偏差0.96%。），由测试结果知，哈明窗滤 波器对正常生产环境的各种干扰等均有很好的过滤作用，提高 称重系统的抗干扰能力。

5.结论

针对旧包装生产线电子秤称重系统速度慢、精度低、波动大 的问题，提出并采用了在秤传感器后串接补偿环节以实现动态 及时补偿，并结合哈明窗FIR低通滤波器的方法应用于电子秤动 态称重性能的改进，测试和实际应用说明该方法显著地提高了 包装线电子秤动态称重系统的快速性和精度，达到稳态状态输 出的过渡时间由450ms减少到60ms，同时，动态称重的单袋最大 相对偏差小于2%&30袋平均偏差小于1%&满足现场的生产要 求。