CN100365396C - 电子天平 - Google Patents

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Abstract

在电子天平中，模拟计算部分根据横梁的位移量至少确定微分控制信号。数字计算部分在数字转换横梁的位移量之后至少确定积分控制信号。模拟转换由数字计算部分确定的控制信号分量。其后，通过从结果信号和由模拟计算部分确定的控制信号分量进行合成确定合成PID控制信号。随后，基于合成PID控制信号的线圈电流通过线圈。根据由数字计算部分确定的控制信号分量获得重量值。

Description

电子天平
技术领域
本发明涉及一种电磁力平衡类型的电子天平，更具体地说，涉及对电子天平横梁的控制和对重量值的测量。
背景技术
在电磁力平衡类型的电子天平中，线圈附着在根据将要测量的重量而被移动的横梁运动部分。该线圈位于由永磁体产生的磁场中。平衡由通过线圈的电流产生的电磁力和将要测量的重量。从而，根据当平衡将要测量的重量和电磁力时获得的线圈电流，或者用于确定这种线圈电流的控制信号，来确定将要测量的重量的大小。
根据由位移检测器检测的横梁的位移量来确定线圈电流，并且反馈控制所述线圈电流以便以保持平衡点(或零点)的方式移动横梁的运动部分，所述位移检测器用于检测横梁运动部分的位移。
通常，执行PID(比例、积分、和微分)控制作为施加到线圈电流的反馈控制。根据电子天平的PID控制，通过如下公式确定受控变量的值，并将其作为线圈电流量输出。
〔公式1〕
Y＝P×X+I×∫Xdt+D×dX/dt    (1)
其中“Y”表示线圈电流量，“X”表示横梁的位移量，“P”表示比例常数，“I”表示积分常数，以及“D”表示微分常数。
即，合成PID控制信号是从与横梁位移量X成比例的分量、横梁位移量X的积分分量和横梁位移量X的微分分量合成而来的(或者通过相加)，并被输出作为线圈电流量Y。
电子天平的传统PID控制采用将P控制信号、I控制信号和D控制信号确定为代表模拟量的信号的模拟方法，通过根据位移检测器检测的、作为模拟量的横梁的位移量来执行模拟计算，然后通过根据控制信号产生线圈电流。然而，随着数字控制技术的发展，采用确定P控制信号、I控制信号和D控制信号作为代表数字量的信号的数字PID控制方法的电子天平已经很普遍，通过对由位移检测器检测的、作为模拟量的横梁的位移量进行A/D转换(或数字转换)，然后通过对P控制信号、I控制信号和D控制信号进行数字计算，随后D/A转换(或模拟转换)代表数字量的P控制信号、I控制信号和D控制信号，由此产生线圈电流(例如参见JP-A-10-19642)。
数字方法的优点在于：在根据用户环境而改变比例常数(P)、积分常数(I)和微分常数(D)的设定值的情况下，(例如，在经常发生微小振动的用户环境中改变常数以便抑制微小振动的影响的情况下)，用户可以很容易地改变公式(1)中的比例常数(P)、积分常数(I)和微分常数(D)的设定值。即，模拟方法中常数的设定值的改变需要调节在模拟计算电路中所包括的半固定电阻器等，并迫使用户自己去执行调节半固定电阻器等的费力的操作。相反，尽管数字方法需要用于将设定值输入到数字计算电路的输入装置(如按键开关)，用户仅通过利用输入装置来输入适当的常数值。因此，用户可以很容易地改变常数的设定值。
然而，模拟PID控制方法和数字PID控制方法还具有除了以上所描述的那些之外的优缺点。
模拟PID控制方法具有如下优点：不需要用于A/D转换、计算和D/A转换的处理时间，并且可以无时延地响应于横梁的位移来执行控制操作。
同时，当重量值表示为数字值时(甚至在采用模拟反馈控制的情况下，通常将重量值表示为数字值)，模拟方法需要数字化模拟量。那时，在与反馈线圈电流相对应的重量值(模拟量)和在指示器中指示作为度量结果的重量值(数字值)之间引起由于A/D转换所导致的误差(量化误差)。即，根据没有执行A/D转换的模拟量确定反馈控制所需的线圈电流，然而指示器中指示的重量值是根据A/D转换之后获得的数字值确定的。因此，在它们之间引起量化误差。
同时，数字PID方法根据A/D转换之后获得的相同的数字量来确定线圈电流值和重量值两者(因为通过对与用于确定指示的重量值的相同的数字值进行D/A转换所获得的量被用作用于确定线圈电流的模拟量(模拟量)，在与线圈电流相对应的重量值和指示的重量值之间没有引起量化误差)。因此，数字方法具有如下优点：不会引起由于数字化导致的误差。然而，根据数字方法，响应于横梁的位移执行的控制操作与根据模拟方法执行的控制操作相比被延迟了。因此，降低了控制稳定性。
因此，模拟控制方法和数字控制方法具有与反馈控制稳定性和测量准确度有关的矛盾特性。此外，数字控制方法的特征在于：通过将一输入设备附加到电子天平就可以容易地改变PID常数的设定值。因此，近来的电子天平根据使用目的而采用模拟控制方法和数字控制方法之一。
电子天平不仅需要实现具有小测量误差(包括量化误差)的准确测量的能力，而且同时需要使得能够进行具有极好的测量响应度的稳定测量的能力。
与前述的两种方法相比，模拟控制方法在与位移相关的响应度方面具有优势并且在稳定性方面有优势。然而，模拟方法在测量分辨率和测量准确度方面较差。相反，数字控制方法在测量分辨率和测量准确度方面具有优势而在稳定性方面较差。因此，根据传统的模拟控制方法和传统的数字控制方法，很难提供一种能够执行具有高分辨率和准确度以及高稳定性的测量的电子天平。
发明内容
因此，本发明的目的是通过提出一种更为复杂的PID控制方法来实现一种具有高分辨率和高准确度以及具有高稳定性的电子天平。
此外，装置的位移量随负载的重量值而变化。因此，本发明的另一目的是提供一种电子天平，该电子天平能够通过根据情况抑制横梁的运动而使横梁快速到达平衡点(零点)，而不用考虑横梁的位移量，并且还可以尽可能准确地实现重量值的快速指示(即使是在瞬态下)，直到横梁的位置变得稳定。
为了解决问题，根据本发明提供了一种通过平衡电磁力和重量而使用的电子天平，包括：
横梁，能够根据重量被移动；
线圈，附加于横梁并置于磁场中；
位移检测器，用于检测横梁的位移量；
模拟计算部分，根据横梁的位移量至少确定微分(D)控制信号；
数字计算部分，用于在数字转换横梁的位移量之后至少确定积分(I)控制信号；以及
合成部分，从通过模拟转换由数字计算部分确定的控制信号分量而获得的结果信号和由模拟计算部分确定的控制信号分量进行合成，以便确定合成PID控制信号，
其中基于合成PID控制信号的线圈电流通过线圈以产生电磁力，并根据由数字计算部分确定的控制信号分量获得重量值。
根据本发明的电子天平，根据位移检测器所检测的横梁的位移量确定比例(P)控制信号、微分(D)控制信号和积分(I)控制信号。根据从比例(P)控制信号、微分(D)控制信号和积分(I)控制信号合成的合成PID控制信号，线圈电流通过线圈。那时，模拟计算部分至少确定微分(D)控制信号。然后，对与微分(D)控制信号分量相对应的线圈电流执行模拟反馈控制操作。微分(D)控制信号分量是响应于横梁的快速运动而输出的控制信号，并被用于允许在横梁运动的瞬态进行快速响应。然而，在横梁已经到达平衡状态并且是稳定的情况下(即，在可以实现重量的准确测量的情况下)，微分(D)控制信号分量的大小为0。因此，微分(D)控制信号分量不对线圈电流作贡献。因此，当获得重量值时，微分(D)控制信号分量不影响重量值。
因此，不将微分(D)控制信号并入重量值的计算中，从而不执行关于它的数字化。
因此，通过对微分(D)控制信号分量执行模拟反馈控制可以确保过渡期间的快速响应。此外，不对微分(D)控制信号执行用于测量重量值的数字化。因此，将不会有由于数字化所引起的量化误差影响测量准确度。
此外，通过数字转换横梁的位移量以及利用数字化的横梁的位移量，由数字计算部分至少确定积分(I)控制信号。因此，对其执行数字反馈控制操作。积分(I)控制信号分量是一种被输出用来执行控制操作以便在横梁已经到达平衡点并稳定的状态下(零点状态)保持横梁处于平衡条件的控制信号(在平衡条件下，比例(P)控制信号分量和微分(D)控制信号分量的大小是0)，并且积分(I)控制信号分量影响重量值的计算。
因此，根据由A/D转换获得的数字信号对积分(I)控制信号分量执行反馈控制操作。此外，指示根据这个数字信号获得的重量值。因此，与线圈电流相对应的重量值和由数字化引起的指示重量值之间的量化误差被抑制。因此，可以获得高准确度的重量值。
然后，模拟转换由数字计算部分确定的数字控制信号分量(至少包括积分(I)控制信号分量)。在D/A转换之后，从D/A转换的结果信号以及由模拟计算部分确定的模拟控制信号分量(包括微分(D)控制信号分量)的合成确定合成PID控制信号。然后，执行根据合成PID控制信号使线圈电流流过线圈的反馈控制操作。
顺便地，最好，在数字转换横梁的位移量之后，数字计算部分还确定比例(P)控制信号。如果横梁的位移量大于阈值，则根据由比例(P)控制信号表示的值和由数字计算部分确定的积分(I)控制信号表示的值的总和获得重量值。如果横梁的位移量等于或小于阈值，则根据由数字计算部分确定的积分(I)控制信号表示的值获得重量值。
因此，如果横梁的位移量大于阈值，则将比例(P)控制信号--该比例(P)控制信号比积分(I)控制信号更快地响应横梁的位移--加到积分(I)控制信号。从而，即使在横梁很大程度地运动的瞬态中，根据通过将比例(P)控制信号加到积分(I)控制信号而获得的信号来指示重量值。因此，与重量值仅根据积分(I)控制信号来指示的情况相比，该电子天平可以实现具有良好的跟随能力的重量值指示。
附图说明
图1是说明本发明实施例的电子天平的总体结构和控制系统的配置方框图。
图2是说明图1所示的电子天平的重量测量操作的流程图。
图3是说明本发明另一实施例的电子天平的总体结构和控制系统的配置方框图。
具体实施方式
下文中，通过借助附图描述实现本发明的实施例。顺便地，以下所描述的实施例仅仅是解释性的并且在不脱离本发明的主旨的情况下可以对其进行修改。
第一实施例
图1是说明本发明实施例的电子天平的总体结构和控制系统的配置方框图。在横梁12的一端提供有秤盘13，该秤盘13上装载有将要测量的、具有重量W的负载，在杠杆支点11处以能够绕其转动的方式支撑横梁12。线圈14固定地附着在横梁12上的、位于越过杠杆支点11与秤盘13相对的位置。线圈14放置在永久磁铁15产生的磁场中，并且被调节以便通过使电流流过线圈14由于线圈14和永久磁铁15的磁场的相互作用而产生电磁力。
用于检测横梁12的位移的位置检测放大器16安装在横梁12上与附加有秤盘13的一侧相对的末端附近。该位置检测放大器16适合于检测横梁从平衡点(或零点)的位移量，并输出一模拟信号(下文中称为位移量模拟信号)。
从位置检测放大器16输出的位移量模拟信号被发送到模拟计算部分17和数字计算部分18。模拟计算部分17配备有微分运算部分19，用于对从位置检测放大器16输出的位移量模拟信号执行微分运算，并输出微分控制信号分量作为微分(D)模拟信号(下文中称为D模拟信号)。该微分运算部分19本身由已知的微分电路构成，并且被适配为使微分(D)常数的设定值可以由微分电路中的半导体电阻器(未示出)来调节。
数字计算部分18配备有：A/D转换器20、比例运算部分21、积分运算部分22、PI合成运算部分23和D/A转换器24。A/D转换器20将从位置检测放大器16输出的位移量模拟信号转换成与横梁的位移量相对应的数字信号(下文中称为位移量数字信号)。比例运算部分21对该位移量数字信号执行比例运算，并输出比例(P)控制信号分量作为比例数字信号(下文中称作P数字信号)。积分运算部分22对位移量数字信号执行积分运算，并输出积分(I)控制信号分量作为积分数字信号(下文中称作I数字信号)。PI合成运算部分23对从比例运算部分21输出的P数字信号和从积分运算部分22输出的I数字信号执行合成或相加，并输出结果数字信号(下文中称作合成PI数字信号)。D/A转换器24将从PI合成运算部分23输出的合成PI数字信号模拟转换成模拟信号(下文中称为合成PI模拟信号)。
顺便地，在A/D转换器20和D/A转换器24之间配备的每个运算部分(比例运算部分21、积分运算部分22和PI合成运算部分23)是由微型计算机构成的。
同样，电子天平配备有开关25，用于选择性地取出作为PI合成运算部分23的输出的合成PI数字信号和作为积分运算部分22的输出的I数字信号。
由开关25选择的输出信号被输出作为表示负载数据的信号。根据输出的负载数据，通过指示器(未示出)指示重量值(通过转换负载数据获得的值)。通过在横梁的位移量(更准确的，由通过A/D转换获得的位移量数字信号表示的量)和预设阈值之间进行比较，来改变开关25的位置。
顺便地，实际上，开关25由利用微计算机通过软件实现的数据选择开关构成。
通过利用已知的数字输入技术设置比例运算部分21的比例常数(P)和积分运算部分22的积分常数(I)。实际上，可以通过利用按键、按钮或开关(未示出)执行数字输入操作来设置这些常数。
从D/A转换器24输出的合成PI模拟信号以及从微分运算部分19输出的D模拟信号被发送到功率放大器26，于是对比例(P)控制信号分量、积分(I)控制信号分量、以及微分(D)控制信号分量进行相加，由此产生合成PID控制信号。随后，合成PID控制信号被转换成相应的反馈线圈电流，该电流随后被提供给线圈14。
接着，下面将描述根据该实施例的电子天平的反馈控制操作。
当将要测量其重量的物体放在秤盘13上时，横梁12失去平衡，并围绕作为运动中心的杠杆支点移动。通过位移检测放大器16检测此时横梁的位移量，该位移检测放大器16随后输出其大小对应于横梁位移量的位移量模拟信号。
从位置检测放大器16输出的位移量模拟信号被发送到微分运算部分19以及发送到数字计算部分18的A/D转换器20。
随后，模拟计算部分17的微分运算部分19根据位移量模拟信号输出表示模拟量的微分控制信号(D模拟信号)。输出的微分控制信号(D模拟信号)被发送到功率放大器26。
其间，在数字计算部分18中，A/D转换器20将位移量模拟信号数字转换成位移量数字信号，然后将该位移量数字信号发送到比例运算部分21和积分运算部分22。比例运算部分21输出表示比例(P)控制信号分量的信号作为P数字信号。积分运算部分22输出表示积分(I)控制信号分量的信号作为I数字信号。
输出的P数字信号和输出的I数字信号被发送到PI合成运算部分23，并在那里将它们相加。因此，输出结果信号作为合成PI数字信号。
然后，从PI合成运算部分23输出的合成PI数字信号被发送到D/A转换器24，并被模拟转换成合成PI模拟信号，然后该PI模拟信号被发送到功率放大器26。
功率放大器26将从模拟计算部分17输出的D模拟信号和从数字计算部分18输出的合成PI模拟信号相加。因此，获得从比例控制信号、积分控制信号和微分控制信号合成的合成PID控制信号。随后，功率放大器26输出与合成PID控制信号相对应的反馈线圈电流。
通过利用模拟反馈来对与D模拟信号相对应的合成PID控制信号的分量作出快速响应，同时通过利用经过A/D转换、数字计算和D/A转换的数字反馈对与合成PI模拟信号相对应的合成PID控制信号的分量作出响应。
然后，从功率放大器26输出的反馈线圈电流被提供到线圈14。因此，提供反馈控制，以便由于线圈14与永久磁铁15的磁场的相互作用导致的电磁力与施加到秤盘的、将要测量的负载的重量W平衡。
接着，下面将描述根据本实施例的电子天平的重量测量操作。
如上所述，通过开关25选择作为PI合成运算部分23的输出的合成PI数字信号和作为积分运算部分22的输出的I数字信号之一。根据选择的合成PI数字信号或选择的I数字信号获得重量值。图2显示了说明直到指示重量值的步骤的操作的流程图。
当负载被施加到秤盘13上，然后横梁12向上移动时，位置检测放大器16检测横梁的位移量。随后，将横梁的位移量与预设阈值(dTH)进行比较(在步骤s101)。
然后，如果位移量大于阈值(dTH)，则开关25选择从PI合成运算部分23输出的合成PI数字信号(在步骤s102)。如果位移量等于或小于阈值(dTH)，则开关25选择从积分运算部分22输出的I数字信号(在步骤s103)。
随后，通过计算合成数字信号或I数字信号的运动平均来执行平滑(在步骤s104)。因此，信号的大小发生变化。
然后，通过利用换算公式根据平滑的数字信号数据来执行重量值的变换(在步骤s105)，在所述换算公式中通过利用校准重量单独执行校准运算来确定系数。
在数字指示器中指示变换的重量值(在步骤s106)。
根据数字信号(合成PI数字信号或I数字信号)确定那时指示的重量值和线圈反馈电流。因此，没有在反馈电流和指示的重量值之间引起由于数字化导致的量化误差。
第二实施例
图3是说明本发明另一实施例的电子天平的总体结构和控制系统的配置方框图。顺便地，与图1所示的那些相同的每个组件用与图1中表示该组件的符号相同的符号表示。因此，在此省略对这些组件的描述。
在该第二实施例中，模拟计算部分17a配备有微分运算部分19a和比例运算部分21a。数字计算部分18a配备有积分计算部分22a。
在模拟计算部分17a，对从位置检测放大器14输出的位移量模拟信号执行微分运算和比例运算。微分控制信号分量从其输出作为D模拟信号。比例控制信号分量从其输出作为P模拟信号。这些模拟信号被发送到功率放大器26a。
在数字计算部分18a，通过A/D转换器20将位移量模拟信号数字转换成位移量数字信号，然后将该数字信号发送到积分运算部分22a。积分运算部分22a输出积分控制信号分量作为I数字信号。
I数字信号被用于计算重量值，并被发送到D/A转换器24，该D/A转换器24模拟转换I数字信号并输出结果信号作为I模拟信号。
I模拟信号被发送到功率放大器26a，并被加到从模拟计算部分18a输出的D模拟信号和P模拟信号。即，从比例控制信号、积分控制信号、和微分控制信号合成的合成PID模拟信号被输入到功率放大器26a，从该功率放大器26a输出与合成PID模拟信号相对应的反馈线圈电流。
通过利用模拟反馈，对分别与D模拟信号和P模拟信号相对应的合成PID模拟信号的每个分量做出快速响应。通过利用经过A/D转换、数字计算、和D/A转换的数字反馈而对与I模拟信号相对应的合成PID模拟信号的分量做出响应。
在上述两个实施例之间，调整第一实施例以便通过直接输入数字值可以设定比例(P)常数和积分(I)常数。然而，在第二实施例的情况下，只有积分(I)常数可以通过直接输入数字值而被设定。因此，第一实施例的优点在于在设定常数的容易和灵活性。尽管第二实施例在设定常数方面不如第一实施例容易、灵活，但该实施例不仅对微分(D)分量而且对比例(P)控制分量使用模拟反馈。因此，第二实施例与第一实施例相比更多地改进了响应性。
本发明可以应用于制造高分辨率电子天平的情况，其在稳定性上胜于其它。

Claims (1)

1.一种通过平衡电磁力和重量来使用的电子天平，包括：
横梁，能够根据重量而移动；
线圈，附加在横梁上并位于磁场中；
位移检测器，用于检测横梁的位移量；
模拟计算部分，根据横梁的位移量至少确定微分(D)控制信号；
数字计算部分，在数字转换横梁的位移量之后确定积分(I)控制信号和比例(P)控制信号；以及
合成部分，用于合成通过模拟转换由所述数字计算部分确定的控制信号分量所获得的结果信号和由所述模拟计算部分确定的控制信号分量，以确定合成PID控制信号，
其中，基于合成PID控制信号的线圈电流通过所述线圈以产生电磁力，并且根据由所述数字计算部分确定的控制信号分量获得重量值，
如果所述横梁的位移量大于阈值，则根据由比例(P)控制信号表示的值和由所述数字计算部分确定的积分(I)控制信号表示的值的总和获得重量值；以及
如果所述横梁的位移量等于或小于阈值，则根据由所述数字计算部分确定的积分(I)控制信号表示的值获得重量值。
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