定量包装称重控制器的设计与实现

1、大连理工大学硕士学位论文定量包装称重控制器的设计与实现姓名：杨光伟申请学位级别：硕士专业：模式识别与智能系统指导教师：孟华20071201大连理工大学硕士学位论文定量包装称重控制器是一种将物料进行在线等重量称量并包袋的智能控制仪器，广 泛应用于化工、粮食加工、建筑等行业。定量包装称重控制器的开发，对于这些行业提 高劳动生产率、降低消耗起着重要的作用。随着现代电子技术的发展和电路集成度的大 幅度提高，工业仪表已经在功能和结构上发生了很大的变化，为进一步研究称重控制器 提供了可能性在对称重控制器的工作流程和称重过程进行深入分析的基础上，提出并解决了设计 过程中的几个关键问题。在称重信号的处理方面，

2、采用了参数估计的方法对随机噪声等 进行补偿，使控制器在物料的动态下料过程中估计出物料重量的真实曲线。在控制算法 方面，根据物料的下落过程，针对三料速定量包装秤，设计了的髙效实用的定量控制算 法。控制算法加入了落差自动修正功能，使控制器在工作的过程中不断的纠正和调整, 始终保持蜻小的称重误差。在实现方面，根据系统需求进行了硬件与软件设计。硬件设计主要包括：以单片机 W78E58为核心.设计了电源模块；采用24位高精度耳型AD转换器AD7730设计并 实现了数据采集模块：采用新型键盘显示芯片CH451实现了对8位LED和12个按键 的控制；选用DS12887实时时钟芯片为控制器提供时间和日期。软件

3、设计利用C语言 编制了校准模块、LED显示模块、通讯模块及自动控制模块等软件程序。定量包装称重控制器选择先进的处理算法和新型芯片，使得称重控制器在性能和成 本上具有很大的优势。在使用C3级称重传感器的情况下，控制器的精度达到0.1,包装 速度快，操作维护简单，能够满足现场的需要.关键词：称重控制器；在线测量；数据采集大连理工大学硕士学位论文The Design and Implement of Weighing Controller for Fix-value PackingAbstractFix-value Packing Weighing Controller is an intellig

4、ent on-line control instrument than used for equal weight measurement it is widely used in the fields of chemical, food processing, and construction. The research of Packing Weighing Controller is significance for raising labor productivity and cut the cost in those fields. With the development of m

5、odem electronic technology and the increase of integrated circuits, the function and structure of industrial instrumentation has undergone great changes, which provide the possibility for further study.With research of workflow of weighing controller and analysis about weighing process、 cirtical que

6、stions is proposed in the design. Parameter estimation method is used for weighing signal process. The system's less damping is compensated though the Parameter Estimation method, while real weight of the dynamic is approximately estimated. Three speeds value control method for dropping is desig

7、ned which sei匸adjust function is added to make sure the minimum error.Hardware and software is designed under the system's request The hardware include: W78E58 is selected as the 8re, power module is designed; data acquisition module which based on the 24-bit higi accuracy ADC AD7730 is created;

8、 Ch451 is adopted as the controller for LED and key input; Real Timer DS 12887 is selected to provide the time and data for system. The software using C language include: calibration module, LED display module, communication module and automatic control module.Being adopted advanced method and new c

9、hips, the controller get advantages in performance and cost. With C3-level weiiing sensor, the controller get 0.1 accuracy, and is tested to be fast, accuracy, and easy-maintained, which satisfy the industry requestKey Words: Weighing Controller; On-line Measurement; Data AcquisitionIII独创性说明作者郑重声明：本

10、硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果.尽我所知，除了文中待别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料.与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意.作者签名：爲拓伶日期:的1卩大连理工大学硕士研究牛学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将

11、本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。大连理工大学硕士学位论文1绪论1.1课题背景称重技术在人类生产、工艺流程中有着非常重要的作用。称垂分为静态称重和动态 称重两大类。日常生活中人们遇到的称重主要是静态称重，如汽车磅秤，电子秤等，静 态称重是指在秤体和所称物体之间达到静态平衡后再进行称量，无需考虑所称物体的冲 力.动态过程等因素，设计简单，精度比较高。有很多情况下需要我们在正常作业时测量出物体的重量，而且在这种情况下其重量 往往是一个随时间变化的量。例如，在粮食包装的过程，取市场上25公斤一袋的精装 大米为例，在对大米进行色选

12、、抛光之后，通过提升机送入料斗.然后在大米从料斗下 落到计量斗的过程中实时测量.并发出控制信号'在饲料配比中经常需要将多种原料按 一定的比例混合，这种将一种原料和其它多种原料按事先设定的比例进行混合的配料称 重系统在工业生产过程中有着重要的意义，它能根据事先设定的配料单，将各种不同的 原料在不同的称重设备中同时进行称重，然后实现按比例混合。这种动态称重系统有着如下的特点：(1) 被测对象处于非静止状态，在具有加速度的情况下进行测量。(2) 在短时间内进行快速精确测量，既要保持良好的时间响应特性，又要保证精度.(3) 多用于在线自动测量系统中。在动态过程中要考虑被测对象冲力、秤体振动.空

13、中余料等因素。另外，动态称重不同于静态称重的一个重要原因是因为动态称重有一个动态过程,因为被测对象是时刻变化的，传感器从一个状态变化到另一个状态要经历一个过渡过程，由于在过渡过程中，测量值与实际重量值相差很大，难以满足精度上的要求.只有系统趋于平稳后，才能得到准确的测量值。在实际过程中利用对传感器的动态过程的参数估计方法，实现了在动态过程中准确得到被测对象重量，并满足速度要求定量包装控制器就是基于称重技术发展的情况下，在线测量所要包装的物料重量并 根据重量执行相应动作的智能仪器。定童包装控制器广泛应用于工艺包装、配料流程中1.2定量包装称重控制器的发展历史与现状称重技术自古以来就被人们所重视，

14、在公元前人们为了对货物交换量进行估计，起 初采用木料或陶土制作的容器作为交换的计量，后来又采用简单的秤来测定质量。到了 近代，衡器的制造才有了进步，同时提高了称就效率和衡器的最大称址范围。大学硕 垢位论文从16世纪起，就有涉及衡器问题的科学文献记录。在意大利，除了伽利略，还出 现了 Benedetto Castelli等，他们相继发表了有关衡器的论文，正是他们的研究促进了称 量技术的发展。机械秤向电子秤发展是称重技术发展的一个趋势。随着第二次世界大战后的经济繁 荣，为了把衡器引入生产工艺的过程中去，对衡器提出了新的要求。希望称重过程自动 化，为此，电子技术不断的渗入衡器制造业中。特别是最近的3

15、0年以來，工艺流程中 的现场称重、配料定量称重以及产品的质址监测等工作，都离不开输出电信号的电子衡 器。近年来，电子衡器越来越多的参与到数据处理和过程控制之中.现代称重技术己经成为工艺技术、储运技术、预包装技术.收贷业务和商业销售领域中不可缺少的部分我国的电子称重技术在70年代中由于电阻应变式称重传感器技术上的突破.也取得了 很大的成就。各种电子称重系统如雨后春笋迅速出来并渗入到国民经济中的各个行业,如冶金工业中生产过程物料配比称重和钢水包浇铸件的称重；轻纺工业生产过程中的工艺称重和搭包计量：煤炭能源工业中的连续物料称重计量和能源结算：储运物质部门的材料孩算和物质称重；食品工业中的自动检验和分

16、选称盘、饮料的配料称重；总之,电子称逐技术在社会中发挥着越来越重耍的作用。静态称重向动态称重是称重技术发展的另一个重要趋势。为了提髙作业的效率，人 们期望得到快速连续的自动秤量的结果.使称重在正常作业中同时完成，而不占作业以外的时间.无论是传送带上的物料或吊钩上的悬挂货物还是要在工艺流程中要加工包装 的物料，均处于运动状态。在运动或是振动环境下的物体的质量，都必须在动态条件下实施快速测量，才能提高作业的效率。动态测量系统己由一个单一的称垂装置而逐渐的发展成一个集称童、自动控制的和信息处理等部分组成的综合性称重系统。所谓的动态测量是指在被测量值未达到稳定值之前，根据被测量随时间变化的规律，得出被

17、测量的稳定值的方法。随着系统的日趋成熟，这种称重系统必将随着科学技术的进步和丁业自动化水平的提高而继续向前发展成集小型化、模块化、智能化.集成化于一体的称重系统，其技术性能也将趋向于速度 高，准确度高，稳定性高，可靠性高：其应用性将趋于综合性、组织性。定量包装称重控制器是一种将批量被称物料化成若干等量载荷以达到称量目的的自动衡器，国外称为定咼秤或包装秤.该种衡器的最大特点是动态下的定灵测址，其中将先进控制技术引入定量自动衡器，提高称重品质，是国内外计量领域所共同关注 的，多学科交叉的前沿课题。MHalimic等人针对块状产品在传感器下的动态称重过程, 引入模糊逻辑估计，构成新型濾波器，借以提高

18、动态称重速度，改善称重准确度.W Balachandran等人研究了基于模糊控制器的称重传感器下的块状产品动态重最分选 器。外研究先进控制的动态称重过程多为抓捕器，并将其称为自动检验衡器或检验秤。这种自动衡器主要用来对传送中的包装物品或是单个载荷进行称量，应用最多的是分选秤，即将被称物品的质量与额定设置的值进行比较，按偏差大小进行分选。自动抓捕器不同于重力式装料机自动衡器，系统多为开环控制，技术关键在于动态称重信号的 滤波、估计和抗噪声，难度要小于后者。在电子秤中，虽然能应用的传感器不乏20多种，但最常用的仍然是电阻应变式的 称重传感器.近些年来由于剪切梁式传感器具有对侧向载荷力不敏感、外形矮

19、、安装 费用低、能抵抗偏心载荷力等优点，其应用程度也越来越广泛。随着焊接密封技术的突 破以及材料选用和工艺技术的统一，能经受极瑞恶劣环境的称重传感器也陆续出现，它 将促进电子秤技术的普遍应用.为了适应用户的要求.国外不少传感器公司已经能做到大意、多品种，甚至按照用户的要求个别定制称重传感器。本课题以定量包装控制器为目标，分析了自动下料过程，采用了动态称重信号处理 和定量控制算法，设计并实现了一种低成本、高性能的称重控制器1.3定量包装称重控制器设计过程中的关键问题一个好的控制系统，关键是要解决动态特性和稳态误差的关系。对于定虽包装称重 控制器来说，两个关键问题就是称重精度和称重速度的问题.称重

20、精度和称重速度这两项指标要综合考虑同时兼顾。定量称至过程含有振荡、时 差、非线性以及随机干扰等因素，当加快称重速度时，称重传感器的欠阻尼震荡、物料 冲击力以及空中物料干扰等因素，都将进一步恶化称重精度，这使得称重速度受到限制。同时称重速度也是一个重要的指标。在工艺流程中快速包装往往是必须的。如本次 设计的称重控制器用于粮食的定量包装，对于25公斤大米来说.要求在10s钟内完成 整个包装过程。当然，更快的速度会进一步提髙生产效率。在尽可能高的精度下尽可能快的完成动态称重过程，是本次设计，也是计量领域的 难题之一。在本系统中，解决这个问题，转化解决以下三个问题：信号采集模块的设计, 动态称重信号处

21、理和定量控制算法。1.3.1信号采集模块的设计信号采集模块完成将称重传感器的信号转化为数字信号的功能，是整个控制器电路设计的核心，也是后续信号处理的基础.-3 -定量包装称重控制器的设计与实现称重传感器输岀信号很微弱，一般只有几亳伏.对这样的信号采样首先需要将信号 放大,采集模块中的放大电路要求髙精密、低温漂、高共模抑制比（CMRR）, 般采用 精密的仪用放大器或斩波放大器。要达到比较高的测量精度则需要高分辨率的ADC, 对于一般的称重系统在设计中要选用14位或更高有效分辨率的ADC.在将称重传感器信号（亳伏级）放大到通用AD的接口电压（卜5V）时,放大电路的诚 试是十分困难的工作t.3.2动

22、态称重借号的处理定量包装称重控制器是一种在线仪器，控制器所测量的物料重量是在不断变化中的，即控制器处于动态称重测量要实现定量下料的快速和高精度，首先要解决的问题 是系统的动态称霓精度问题。影响动态称重的精度的因素与静态称重不同，对于静态称莹，其影响因素有下面几 个：称重传感器的本身误差，信号采集模块的量化误差；噪声干扰等。动态称重不仅有上述因素的影响.而且还受以下因素影响【叫（1）称重系统的欠阻尼振荡；（2）被测对象下落时的冲击力：（3）物料的空中料柱的误差；（4）称体振动的干扰。其中称重系统的欠阻尼振荡是影响比较大的因素之一。称重系统的动态特性差是造 成从称重传感器得到的动态重量并非是物料真

23、实重量的主要原因，必须对系统的动态特 性加以改弄。设计中建立了系统的数学模型，并通过参数估计的方法来改善系统动态性 能，进而估计出被测物料的重量曲线。1.3.3定at控制算法定量控制算法是指在物料的重量达到所设定的包装重量的过程中，控制器根据重量 实时发出何种控制信号的判断方法。一般的过程如下：当控制器开始运行，物料从备料斗落入计量斗。计量斗的重量被 控制器实时测量。控制器根据当前物料的重就，控制备料斗按快.中.慢三个速度依次 向计量斗投料。当物料重量远小于所设定的目标重量时（一般为小于70）,快速投料； 当物料重量在目标重量70%70%时，中速投料：当物料重量大于目标重量90时，慢 速下料以

24、保证精度。当物料达到目标重量，立刻关闭投料。一般有一个提前关闭的落差 量，因为空中还有一部分物料的重量，以及执行机构有延时。在这个过程中.造成定量误差的原因有如下方面：大连理工大学硕士学位论文（1）给料装置的动作滞后及惯性任用,（2）空中物料的不确定性；（3）称体振动的干扰（尤其在双秤联机工作时）。1.4课题主要研究内容主要研究工作是针对解决上面提出的几个关键问题而进行的，有以下几个方面：（1）对于动态称重信号建立了数学模型，并利用模型参数估计的方法，使称重控制 器在重量动态变化的情况下估计出物料重量曲线。（2）设计了基于三种下料速度系统的定量下料控制算法。该算法充分考虑了整个下 落过程，提供

25、给用户灵活的接口，可满足各种场合的需要，并且该算法中加入落差自动 修正功能.实现了误差自动调整功能。（3）设计并实现整个电路系统。其中数据采集模块是其中的难点。该模块的模数转 换器采用了美国ADI公司的AD7730o在做电路板时考废了电磁兼容、滤波、电源.抗 干扰等问题，本部分中借鉴了大量的资料和应用实例，最终达到良好的效果。5定董包装称畫控制器的设计与实现2定量包装称重控制器的工作过程定量包装称重控制器是定量包装秤的核心。简单介绍了定量包装秤的机械结构，阐 述了定量包装称重称制器在包装秤中的工作流程。根据称重控制器的工作流程，分析了 称重过程中产生误差的主要因素及解决方案。对称重控制器的称重

26、部分建立了数学模 型，并分析了模型的动态性能.2.1定量包装称重控制器的工作流程定承包装称重控制器是定量包装秤的核心，定量包装秤由定量称重控制器和备料斗、计量斗、夹袋机构等部分组成，如图2.1所示. # -定董包装称畫控制器的设计与实现备料斗用于存放要包装的物料，如大米，小麦等，通过提升机保证备料斗有足够的 物料；计量斗底部装有重量传感器，可实时反应斗内物料重童；夹袋机构可根据控制信 号夹住或松开包装袋。定量包装称重控制器是整个系统的核心。开始运行时，称重控制器对备料斗发出投 料信号，物料从备料斗卸入计量斗计量斗把物料重量信息反馈给控制器。控制器根据 当前重量和目标更量，自动控制备料斗依次按大

27、、中、小三种速度向计量斗卸料，使物 料快速精确进入计量斗。当计量斗物料重量达到目标值，停止卸料。若此时包装袋已准备好，控制器通知计量斗向包装袋卸料，卸料结束后松开包装袋自动开始下一个过程图2.1定量包装称重控制器的工作流程Fig. 2.1 Flow of fix-value packing weighing controller # -大学硕如位论文根据备料斗向计量斗送料方式的不同，可将称重控制器分为连续送料称重控制器和 离散送料称重控制器。连续称重控制器的输岀信号为模拟信号或PWM信号，用于驱动 电机使备料斗进行连续可调的下料；离散称重控制器的输岀信号一般只是几个开关童， 用于驱动备料斗的相

28、应阀门.备料斗的下料速度只能是离散的。本系统属于离散送料称重控制系统，备料斗理想的投料曲线如图2.2.这样的系统也称为三料速定量称重控制系统。显然，大中投量决定系统的速度，小 投决定系统的精度2.1.1称重控制器的课差分析从上面的称重控制器的工作过程，不难分析出彩响称量精度的一些因素.(1) 称重控制器数据采集模块的精度；(2) 称重部分动态测量误差；(3) 秤体振动；(4) 下料的冲击力；(5) 空中和残留在斗中的物料；(6) 执行机构的滞后；(7) 控制器采样时间.在上述分析中，数据采集模块的精度、传感器动态测量误差、秤体振动.下料的冲 击力和空中残留的物料是影响比较大的因素。传感器的动态

29、测量误差是由于在动态测量的过程中，由于测量的重量始终在变化而 产生的当传感器感受到一个重量时，堇量已经由一个受力状态变为另一个状态，由于 大连理工大学硕士学位论文中间有一个过渡过程，在这个过渡过程中，测量与实际重量值相差很大。秤体振动也是在现场发现的比较难以克服的问题。由于定量包装秤采用气动阀门作 为执行机构.当阀门动作时，秤体会产生剧烈的振动，秤体振动会带动计量斗振动，这 种振动所产生的干扰信号会加入被测物料的真实信号中使控制器难以测量到物料真正 的重:在双秤同时测量的系统里.由于阀门的动作频繁，这种干扰尤英难以克服。下料冲击量是指物料在下落到计量斗时产生的冲击重量，空中物料是指备料斗已经

30、关闭时仍然运动在空中的物料。显然，这些因素给精确称量带来了较大的困难.2.1.2解决方案上述问题的解决方法要从称重信号获取与处理和定量控制算法上着手。在称重信号处理方面:(1) 设计高精度可靠的数据采集模块是一切信号处理的基础，也是硬件部分设计的核心。在参考了大量方法和论文以后，选用型AD转换器，根据技术的发展，选择 调整电路集成于芯片内部的芯片进一步减小设计难度和可靠性。(2) 为了克服传感器的动态测量谋差，建立了动态称重系统的数学模型，并采用了 一种适用于测量中动念校准建立数字模型的极大似然法，精确估计出模型的参数，实現了较髙精度的动态称重; 在定量控制策略；(1) 采用自适应的方法，不断

31、的修正提前量，从而解决执行机构的滞后、物料冲击力和空中物料造成的误差问题。(2) 在称量过程设置多个定时器和多个重童参数，并且每一个定时器和重量参数值 都可以调整，从而可以最大限度的调整下料过程，以适合各种场合的需要。控制器的采集速率可以从50Hz调整到lKHz,但髙的采样率会导致有效数据位降 低，而过低的采样率会使控制策略失效。经过现场调试和兼顾各个指标，控制器的采样 率设为88Hz是较为合理且在工业包装过程广泛适用的2.2称重部分的问题分析与数学模型建立在称重控制器的称重测量过程中，由于其处于在线和动态测量的状态下，所以不仅 要求得到当前的重量，而且要求对研究对象进行状态估计.诊断和趋势分

32、析。因此仅仅 利用传统的方法直接测量和数据处理，就显得十分困难。此时，数学模型的利用就显得 尤为重要。在简述了参数估计测量方法和动态称重技术概况后，建立了称重部分的数学模型2.2.1称賣部分的问题分析称重部分是指由称重传感器和秤体所构成的检测部分，由于物料处于动态下落过 程，所以称垂部分的称量处于动态称量状态下.动态称重是指在被测物与称重装置处于运动状态下实现的被称物体的称重测址。人 们为了提高效率和质量，期望获得快速.准确和自动的称量结果，使称重在正常作业的 过程中同时完成，不占用作业以外的时间。例如，在轧钢生产过程中，从坯料加热至轧 制成材，要求在连续作业的同时对钢材进行快速称量：又如.处

33、于传送带或悬吊的货物, 它们均处于运动状态，要求对这些运行中的货物进行称量；再如，对衽振动冲击下的物 体进行称量何。动态测量具有如下特点，(1) 在被测量物体处于线性运动或振动，且具有加速度的状态下进行测量.(2) 被测量物体处于运动或振动的环境条件下。(3) 在短时间内进行快速计量，允许时间小于称重仪器的调整时间。随着科技的发展，要求在线测量和动态测量的场合日益增多.人们己不满足于对单 参数或简单的组合参数的测量，而且要求对研究对象进行状态估计、诊断和趋势分析。 此时，仅仅采用传统的测量方法和数据处理手段來解决上述问题就显得相当困难。它要 求充分掌握被测对象的运动规律和检测系统的动态特性，表

34、征复杂的因果关系，直接或 间接地动用数学模型这一工具。因此提出了参数估计测量方法。参数佔计测量方法是指将测量看作一个过程，将测量仪表看成一个系统，根据测量i理、仪表特点和实验数据，采用各种方法建立测量仪器的数学模型，全面描述测量仪器。在测童过程中，依据其数学模型，通过相应的算法，进行数据处理，不仅测量出正 确结果，而且对测量结果的状态和变化趋势进行估计，对动态变化中的量进行实时测量.在参数估计测量中有以下关键问题:(1)进行专门的、确定性的实验，将已知特性的信号作用于测量系统，得到表征彼 测对象和测量系统的本质的数据。(2)建立数据模型。建模的方法有系统辨识、神经网络等方法。(3) 根据被测对

35、象的特性、测量系统的特点和测量时间要求，选择合适的微机和算 法，实时实现.近年来，在动态称重方面，常用的方法就是参数估计方法。通常采用有关称重系统 的经验知识，推导出一个含有未知数的数学模型，然后拟合称重过程信号，以使得最小 平方误差最小的参数估计。通过得到的模型加以估计和测量，得到接近真实重塑的值.在动态数学建模的基础上，系统理论、模糊理论、人工智能、神经网络、数字滤波. -9 -定量包装称重控制器的设计与实现振动理论等技术取得了广泛的应用，并且形成了称重系统的自诊断、自适应及功能的自 组织等功能，使得称重测議向信息处理智能化.组合化和功能自适应化方向发展.2. 2.2系统称重部分数学模型的

36、建立对于典型的称重传感器，称重传感器及秤体构成的称重部分可以等效为一个二阶系 统.构造的模型如图23.这一模型由质量、弹性和阻尼器组成.通过研究系统模型， 对于了解动态称重的基本特性是十分必要的.根据力学分析，下料称重系统的数学模型如图2.3所示】.图2. 3称重部分模型 Fig> 23 Model for weighing put1<<(2.1)-11 -定量包装称重控制器的设计与实现-# -定量包装称重控制器的设计与实现式中，m 秤体质量c等效阻尼系数k一弹簧弹性系数40 一秤体相对于参考零点的位移AD 一物料重量g(0 F料冲力在上式中，g(/)物料重量主要与下料高度有

37、关，相当于系统来说其仅在启动快速投 料时影响比较大，但快速投料并不影响系统最后的精度，而且冲量消失后系统马上会调整过来，所以g(f)在本模型中可以忽略.則上式简化为由上式可知，系统是一个线性时变系统.当系统的质量不变时，式(2.2)是典型的二 阶线性系统.将其进行拉氏变换，并化成标准形式，即可得到传感器的传递函数：-# -匸大学硕舞付论文皿1F(s) ms2 +式中:%=£为系统自然频率'为系统的阻尼比.-# -为了测量到系统中称重传感器的动态曲线特性，在系统稳定的情况下，突然敲击一 下计量斗（相当于给称重传感器一个冲激脉冲），将实时的曲线通过称重传感器的串口上 传到计算机，

38、并将重量数据记录下来，即可得到系统的冲激响应。多次实验即可得到系统的离线模型，冲激响应如图24所示。图2.4系统中称巫传感器的冲激响应曲线Fig- 24 Impulse response of weighing sensor in packing system因为串行数据的传输时间比较长，所以上图中的曲线应该更加密集，但通过这个曲 线井不影响对这个系统的分析：阻尼比很小，震荡严重。-# -定董包装称重控制番的设计与实現3称重信号处理和定量控制算法动态称重信号的处理和定量控制算法是定量包装称電控制器两个核心算法.包装控制器是一种在线测量物体重量的智能仪器.从图2中可以看出，在包装过 程中，物料重

39、量是处于动态变化过程中的，对于称重部分的动态信号处理是十分必要的. 动态称重信号的处理主要是利用系统的数学模型和参数估计等理论，从动态信号出估计 出近似的物料重量曲线Z叫定量控制算法是控制器应用的控制策略，使系统在保证精度的情况下尽可能快的完 成包装过程。3. 1称重信号处理根据前面的分析，定量包装称重控制器是一种在线仪器，控制器所测量的物料重量 是在不断变化中的，即控制器处于动态称重过程。由于称重系统中的不确定性因素，在 称重部分传感器模型的基础上加入了随机扰动噪声。称重控制器在建立了数学模型的基础上，通过参数估计的方法，结合最大似然的思 想，对系统进行动态校正，起到了比较良好的效果。3.1

40、.1参数估计方法介绍系统的数学模型是指人们对所研究的客观系统所做的数学描述。数学模型分为有参 数和无参数模型。参数模型又包括连续时间模型、离散时间模型.输入输出模型、时变 模型、时不变模主等.在确定系统模型的方法中，系统辨识是目前比较成熟的也是较为常用的方法之一. 系统辨识是人们利用实验的方法，根据系统的输入输出数据，对系统的内部的结构和参 数做出的相应的判断和估计，以构造岀一个真实地反映客观对象的数学模型的一种模型 方法。系统辨识包括三个部分：一、指定被观测系统所属模型类（指系统结构和类型）； 二.获得被测系统的输入输出数据：三.规定估计和推断所用的优良性能准则。系统就 是按照一定的优良性能

41、准则，根据所测得的输入输出数据，在事先指定的模型类中找出 一个被测系统在某种意义上的等价模型。模型结构确定后，模型的未知部分大多情况下是以未知参数形式岀现.需要用获得 的输入输岀数推按一定的准则函数来估计这些未知参数，就是参数估计.参数估计又可分为在线参数估计和离线参数估计。离线估计是指当获得了被观测系 统的全部输入输出数据以后，按照一定的算法进行估计，其优点是时间上没有苛刻的要 求，可以达到较高的精度要求。而在线估计算法则是在系统运行过程的，不斷的测量被 工大学硕+W论文观测系统的输入输出数据，不断地根据这些数据去修正模型中的参数估计值，即一边测 量数据，一边修正模型。在线算法又称为递推估计

42、算法，它需要计算机有足够的计算速 度，在一次采样周期内，能完成一次迭代运算，对递推的收敛速度有要求.本文是采用 在线识别的。由于动态系统的参数模型包括差分方程模型，传递函数模型和状态方程模型等，只 要知道一种形式就可以推导出其它形式。由于称重控制器是单片机控制，所以传递函数 用差分方程的形式实现为最佳，这样可以非常方便的应用递推表达式。在线系统的识别有很多方法，如最小二乘法和极大似然法等。在此选极大似然法。 极大然法是求点估计的一个重要而又普遍的方法。它是在总体X的分布类型为已 知的情况下，对其中一个或多个未知参数进行估计。极大似然法中是基于“概率大的事件岀现的可能性大”这一原理上的。一般地，

43、设 随机试验有儿B, C,等若干个可能的试验结果，若在一次试验中结果/已经岀现, 则一般说来当时的试验条件应最有利于结果4的出现，从而使结果4的概率最大，称为 最大似然法原理。由此，当对未知参数p可供作为估计值的选择有多个时，自然应该选 择使结果A出现的概率为最大的那一个力作为p的估计值。这就是最大似然估计法选择 未知参数估计值的基本思想。一般来说最大似然法分为离散型总体和连续型总体两种情况，在仅介绍离散型总体 的情况，因为只有离散型的算法才能在计算机上实现。设离散型总体X的分布律为-13 -工大学硕+W论文其中0/是未知参数。如果取得样本值劝，旳，斗，那么出现此样 本的概率为显然，式(32)

44、是未知参数仇，例的函数，称之为似然函数。-# -工大学硕+W论文-# -工大学硕+W论文根据最大似然原理，既然己取得样本值xp X2,，斗，就可以认为当时确定总体成分的未知参数仿，02,»的取值，应使样本值X" X2，出现的概率厶为最大。于是，可选择$,，別的适当值玄，§2，,使max £ = 口卩(旺；玄怡2，怡)(3 3)-# -定量包装称重控制器的设计与实现由式(3.3)所确定的玄，鳥，a称为未知参数九际,的最大似然估计值。最大似然估计值玄，玄与样本值和勁Xo有关.常记为A切(斗宀，,耳)，"12丿. # 定量包装称重控制器的设计与实现相

45、应的统计量&(X|,/2,X，i = l,2,-,/.称为最大似然估计量。根据上述定义，求未知参数枷，际 ,別的堆大似然估计最，可归结为求似然函 数Z的最大值点初 £，玄。在很多情况下，厶是8”乐，仿的可微函数，按(3.5)照微分学中求函数最大值的方法，£的最大值点玄，©“，玄可从方程组碧 0, 2,2,/解出.方程组(34)为似然方程组。3.1.2参数估计在动态称雹信号处理中的应用根据223中建立的动态称重数学模型叫式中，sr0 =型丄Fk(3.6)为系统自然频率，"金为系统的阻尼比。由222节分析知本系统为二阶典型的欠阻尼系统在实际称重过程中

46、.料斗振荡、 冲力等随机噪声在精确测量中往往会对称重精度产生影响.在这种非线性系统中，不仅我们建立的模型会与实现有一些偏差以使校正环节实现 起来比较困难，其阻尼也是在变化的，这样校正或配置极点的方法难以实施。根据参数估计的基本思想，对系统建立含有未知参数的数学模型，利用己经得到的 样本值去确定模型中的未知参数.然后由系统的输入和模型计算出输出考虑到实际测量的噪声，仅依靠式(3.6)来计算输出值，会有很大的误差。为了更好 的逼近系统，应该建立一个具有附加噪声的动态校准试验，以便使数学模型更接近实际。在数据输入的数据采集端加入了两种常见的数字滑波方法：滑动平均滤波和程序判 断滤波的方法。经过简单的

47、滤波以后，输入部分的噪声可以忽略不计，仅在输出加入扰 动噪声即可。扰动噪声主要是观测嗥声,没有明显的相关性，可以近似看成随机噪声 # 定包装称重控制器的设计与实现系统以计算机实现，为离散系统，其结构图如3.1所示.-# *定包装称重控制器的设计与实现图3.1输出端加入随机噪声后的系统结构图Fig. 3 System chart for adding white noise in output根据随机信号处理理论，大部分的随机噪声都符合正太分布，图中3.1中假设Wt) 为扰动均值为零.方差为/，服从正态分布的不相关随机噪声。分别为系统的 输入输出变量，系统可以描述为：z(Ar) =如g 咻)吨)

48、(3. 7)&旷!)其中，A(q) = + aql +a2'2 +十斗厂1+A? 1 +切 J + +W"结合本系统.极大似然法的物理意义在于：如果模型输出是正确的，则此时的系统 参数一定是促使正确值出现的概率最大的参数，从而确定系统参数。主要的问题是构造一个以随机观测数据和未知参数e为自变量的似然函数，当这个 在某一个参数上达到极大时，就得到了有关参数的估计值.由于输入信号与输岀信号久©是独立分布的，根据极大似然法原理，对数据 zN =z(0),z(2),z(N】)r寻找似然函数为NLg= JpU(灯/%,”,)(3 8)A-1式中，& = 。/2

49、，,兔,人上2，丁山 *(1),“(2),“(耐由(37可以得知，在如,则和条件下，似然函数"/叫,0)的值取决于咻) 的概率分布，即似然曲数(38)进一步转化为N氏亦0”口詆咻)冋，砒(39)<1由于叫t)是服从均值为零、方差为/的正态分布的不相关随机噪声，似然函数可写 为：1 N呢加")=(加#exp-v2(*)为使上式值达到最大，即有飒z")二 0da2(3.10)(3.11)此时的於即是使得极大似然函数最大的值，记为护，由(311)得.(3.12)(3.13)代入(3.9)可得-# *定包装称重控制器的设计与实现-# *定包装称重控制器的设计与实现由

50、极大似然原理可知，参数0的极大似然估计值©必须使式(3.13)取得最大，也即(3.14)咻)1厂扯")/ A-I取得最大。将式(3. 14)代入式(3. 7),利用牛顿-拉普生迭代方法确定出方的值，从而在线修正 了系统的模型。输入通过模型计算出输出，同时加入样本库重新调整模型。根据分析，vGt)以观测噪声的岀现，即使vG)不服从正态分布，只要0的估计值满 足(3.14),都可以取得比较满意的效果""由于系统模型的广泛性，以及参数估计利用结果去校正结果的特点，上面分析的算 法不仅实现了由于动态振荡、冲力等产生的干扰，而且对于常见的噪声、尖峰干扰等一 样起滤

51、波作用。对上述仿真结果进行验证：修改程序，使控制器在自动包装的过程中通过RS-232 串行接口向上位机发送重量数据，把未加算法的和加入算法的重量数据分别通过串口输3.2所示。入到计算机并保存，然后把数据用Matlab画出曲线，得到仿真效果如从曲线上可以看出，在系统的动态过程或者有振动的过程情况下，参数估计算法能 够很好的去除原始信号中的动态振荡和干扰因素，近似恢复出物料重量的真实曲线.-17 *大连理匸大学硕士学位论文称重部分冲橄响应曲线时间©02s)时间(0.02s)图3.2参数估计算法的仿真曲线Fig 32 Curve for parameter estimation algor

52、ithm3.2定量控制算法定量控制算法是指根据用户所设置的目标包装重量，如何开关备料斗的三个阀门,使物料尽可能快的而且精确的进入计量斗.采用了基于时间的流程控制，并且结合误差的学习和自调整功能，实现了良好的效果.3. 2.1三料速定控制算法定量包装称重控制器能够实现除人工上袋处的全部过程，包括自动控制快.中、慢 下料，计量斗卸料.松袋等动作。图22为理想的三料速控制方法，但在实际应用中考虎到秤体振动、机械延迟等因 素，真实的投料曲线如图3.2所示.是否可靠卸料（卸料门关延迟时间），秤体是否稳定（秤体稳定时在定量控制算法中，不仅要考虎物料下料情况，而且考虑外界因素，如是否可靠夹 袋（即夹袋延迟时

53、间）， 间）等。设计一个好的控制流程，是控制算法的关键.定量控制方法采用 其工作过程如下：根据系统的特点，基于时间的流程控制，启动，同时开启大投，快速卸料；当物料的称重值大投值，则关闭大投进行中速卸料，并等待n时间（用于避免过冲）；（§）继续卸料，当称重值中投值，关闭中投进行慢速卸料，并且等待/I时间：当物料的称重值目标值提前值时，则关闭小投停止卸料，并启动"定时器（用于避免计量斗振动）；2时间到后，判断夹袋延时 时间“是否到，时间没到则等待，到则将物料卸入包装袋；卸料过程屮，当称重值 大连理工大学硕士学位论文v=零区值时，廷时3后关闭卸料信号，同时开启定时器和©

54、6到则通知夹袋机构松 开包装袋；时间到则启动下一个过程。自动控制信号的时序如图3.3所示，其中目标值、大投值、中投值.落差值.零区 值以及各时间参数由用户设定，需要用户或技术员根据现场的实际情况去调整，以满足 现场包装的需要。而实际上，控制器内已经存储好十组常用的参数，每一组称为一个配 方。当要包装的目标量变化，或要包装的物料不同时.只需要载入相应的配方即可。显然，大投阀和中投阀的关闭决定系统的速度，小投阀的关闭决定系统的精度。目 前，在流程中大投值、中投值不能动态调整，也是本方案需要改进的地方之一.图3.3实际下料曲线和控制信号时序图Fig. 3.3 Real weighing drop c

55、urve and control signal timing在上述过程中需要设置的定时器如表3.1所示.表3.1自动下料控制中的定时器Tab. 3.1 Timers in auto-control systea for dropping序号范围（3）说明tl0 99禁止判别时间大投和中投结束后.系统停止采样时间t2t3t4t5099秤体離动判定时间099卸料门开延时时间.计竄斗中物料卸完以后.延时3时间关闭卸料门099过程间隔时间。在一个包装过程完毕以后，延时（4时间开始进料下个过程099夹袋延时.即夹袋后，延时15时间后才允许卸料°99松袋延时.即知料门关后，延时t6时间厉才允许松

56、袋在上述过程中需要设置的目标量参数如下:表3. 2自动下料控制中的更址参数Tab. 32 Weighing parameters in auto-control system for dropping名称菜单序号说明目标值1.1自动控制时，所要包装的目标量.大投值1.2自动控制时，若称重值大投值，则关闭大投.中投值1.3自动控制时，若称重值中投值，则关闭中投.落差值1. 4自动控制时，若称重值目标值大投值，则关闭小投.近零值1. 5自动控制时，若称重值=近零值，则认为为零。超量值1. 6自动控制时，若称重值*目标值十超量值，则判为超差。欠量值1. 7自动控制时.若称重值目标值欠最值.则判为欠危.3. 2.2落差自动修正在备料斗和计量斗之间有一段距离，仪表在关闭料门后，仍有一些物料正在下落过 程中.当这些物料落到计量斗后，会使垠终斗中的物料的重量与关闭料门时的重凰有差 别。从上面自动控制过程中可以看出，系统有一个提前量来修正这个落差值，但由于这 物料下落的非线性.执行机构落差、采样时间等因素，必须动态调整这个参数，以使最 后误差达到要求。提前量调整的基本思想如下；称重控制器的