CN106292555A - 用于包装、灌装或配料的控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于包装、灌装或配料控制系统及方法，包装、灌装或配料控制系统包括：滤波模块，用于去除称重数据中的干扰信号，包括：第一级滤波器，用于去除所述称重数据中的第一干扰信号，所述第一干扰信号的频率高于第一阈值；第二级滤波器，用于去除所述称重数据中的第二干扰信号，所述第二干扰信号的频率低于第二阈值；比较模块，包括：第一比较控制模块，用于根据经所述滤波模块去除干扰信号后的称重数据，控制包装、灌装或配料的工艺流程；第二比较控制模块，用于根据包装、灌装或配料的工艺流程及其干扰信息控制第一比较控制模块及滤波模块的操作。本发明提供的包装、灌装或配料控制系统及方法能够优化工艺流程中的滤波精度与速度。
Description
技术领域
本发明涉及称重控制领域中，在包装、灌装或配料的控制应用中的控制系统及控制方法。
背景技术
在包装、灌装或配料应用过程中，对包装、灌装或配料设备的速度需求越来越高，并且该需求聚焦焦点在称重控制器或称重控制仪表上，控制速度需求成为包装、灌装或配料控制系统的主要竞争指标，提高该指标能够提升包装、灌装及配料控制系统的经济价值及技术价值。
在包装、灌装或配料的过程中，包装、灌装或配料控制系统按照流程控制设备周期工作重复完成包装、灌装或配料过程，整个流程控制周期分成开始清零阶段、快进料阶段、慢进料阶段、检重阶段、放料阶段。开始清零阶段在称重数据稳定后通过清零操作消除皮重影响，快进料阶段快速进料保证效率，慢进料阶段通过慢速进料保证精度，检重阶段通过静态称重确认结果，放料阶段完成“包装”。
在快进料阶段到慢进料阶段的切换过程中，给料流量发生急剧变化，其它阶段之间也存在流量急剧变化过程。这些流量变化过程引起原先工作在稳定状态的滤波器失稳而无法保持原有的输出精度(滤波器固有特性)，寻找一种能快速稳定并且能够有效的压制高频高强度机械干扰及低频低强度给料不均匀或称重设备晃动干扰的滤波系统是提高包装、灌装及配料速度的基本需求。
在包装、灌装或配料的各个阶段有不同的控制需求。开始清零阶段、检重阶段对称重数据没有精度要求，仅对稳定精度有要求(确保称重精度达到应用需求)，快慢进料阶段对稳态数据精度无需求，对称重数据有控制精度需求(在滤波精度与速度的矛盾中控制精度最优问题)，放料阶段要求数据处理速度快，精度要求较低。在不同的阶段根据工艺流程需求使用不同数据处理方法能更好的满足包装、灌装或配料需求，是实现高速高精度包装、灌装及配料的工艺需求。
在高速的包装、灌装或配料应用中，现有的技术存在下述不足：1、选用的滤波算法稳态建立时间较长(单位阶跃响应较长)，引起相邻两次比较器控制之间的时间间隔较长，影响包装、灌装及配料的控制速度；2、在工艺流程的不同阶段采用相同的滤波及比较器控制方法，造成数据处理方法与工艺过程配合失调，进而影响包装、灌装及配料的控制性能。3、在工艺流程过程中存在给料器引起的低频周期给料不均匀干扰或物料连续侧向冲击称重设备引起的设备晃动低频干扰，这类干扰对系统速度与精度影响较重。给料不均匀干扰是给料器的固有特性，不同的给料阶段给料器的工作状态不同(例如螺旋的转速不同)，给料不均匀干扰情况不同。设备晃动干扰受称重加载的影响，随着称重加载的增加而干扰频率增加(例如随着称重斗里的物料量增加，称重的重心变高，导致单摆模型的摆长变短而引起干扰频率变化)。针对上述干扰的频率，利用有限脉冲响应(FIR)滤波器的陷波特性，在给料控制阶段使用不同的滤波参数能够更好的抑制低频干扰噪音，进而提高包装系统性能。
在包装、灌装或配料应用的过程中，包装、灌装及配料速度与精度与用户的经济效益紧密挂钩，因此如何克服现有系统存在的不足，提高速度和精度，并提高系统稳定性，成为本发明需要解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种优化滤波精度与速度的包装、灌装或配料的控制系统及方法。
根据本发明的一个方面，提供一种用于包装、灌装或配料的控制系统，包括：滤波模块，用于去除称重数据中的干扰信号，包括：第一级滤波器，用于去除所述称重数据中的第一干扰信号，所述第一干扰信号的频率高于第一阈值；第二级滤波器，用于去除所述称重数据中的第二干扰信号，所述第二干扰信号的频率低于第二阈值；比较模块，包括：第一比较控制模块，用于根据经所述滤波模块去除干扰信号后的称重数据，控制包装、灌装或配料的工艺流程；第二比较控制模块，用于根据包装、灌装或配料的工艺流程及其干扰信号控制所述第一比较控制模块及所述滤波模块的操作。
优选地，所述第一干扰信号为机械冲击形成的高频干扰信号，所述第二干扰信号为给料不均匀或称重设备晃动形成的低频干扰信号。
优选地，所述第一级滤波器具有第一滤波参数，所述第一级滤波器使用所述第一滤波参数对所述称重数据进行滤波；所述第二级滤波器具有第二滤波参数，所述第二级滤波器使用所述第二滤波参数对所述称重数据进行滤波。
优选地，所述包装、灌装或配料的工艺流程包括工艺流程的阶段，所述阶段包括：清零阶段、快进料阶段、慢进料阶段、检重阶段及放料阶段。
优选地，所述第一级滤波器以及所述第二级滤波器为线性相位滤波器。
优选地，所述第一级滤波器为贝塞尔滤波器或具有陡降特性的有限脉冲响应(FIR)滤波器。
优选地，所述第二级滤波器为具有陷波特性的有限脉冲响应(FIR)滤波器。
优选地，所述第一滤波参数在贝塞尔滤波器时为截止频率和阶数，在有限脉冲响应(FIR)类滤波器时为阻带衰减能力和阶数。
优选地，所述第二滤波参数为所述第二级滤波器的阶数。
优选地，所述第二级滤波器用于去除经第一级滤波器滤波的所述称重数据中的第二干扰信号。
根据本发明的又一方面，还提供一种包装、灌装或配料控制方法，应用于上述包装、灌装或配料的控制系统，包括：所述滤波模块去除所述称重数据中的干扰信号；所述第一比较控制模块根据经所述滤波模块去除干扰信号的称重数据，控制包装、灌装或配料的工艺流程；所述第二比较控制模块根据包装、灌装或配料的工艺流程信号控制所述第一比较控制模块及所述滤波模块的操作。
本发明提供的包装、灌装或配料的控制系统及方法相较于现有技术，具有如下优势：
1、区别于现有的系统普遍选用的较慢稳态建立速度的滤波器的做法，本发明提供的包装、灌装或配料控制系统及方法采用二级线性相位滤波器进行级联，并各自在时域上均具有较短的稳态建立时间。
2、区别于现有的工艺流程的控制与比较模块和滤波模块之间互相孤立情况，包装、灌装或配料控制系统及方法将滤波模块、比较模块与工艺流程的控制紧密结合成一个有机的系统，从而实现可根据不同的系统和工艺流程阶段的要求，对滤波器参数进行动态调整，选用比较模块最佳的数据处理方法，进而使系统的应用及控制性能始终处于最优化的状态。
3、区别于现有的系统对给料不均匀或称重设备晃动干扰采用通用抗低频滤波处理的方法，本发明针对低频干扰频率，使用具有陷波特性的有限脉冲响应(FIR)滤波器对干扰进行抑制，通过提高低频噪音抑制效果的方法提高系统性能。
应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。
附图说明
包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：
图1为根据本发明实施例的用于包装、灌装或配料的控制系统的结构图。
图2为根据本发明具体实施例的用于包装、灌装或配料的控制系统的结构图。
图3为根据本发明实施例的用于包装、灌装或配料的控制方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。
图1为根据本发明实施例的用于包装、灌装或配料的控制系统100的结构图。包装、灌装或配料的控制系统100包括滤波模块120及比较模块140。
滤波模块120用于去除称重数据中的干扰信号。滤波模块120包括第一级滤波器122和第二级滤波器124。第一级滤波器122和去除称重数据的频率大于第一阈值的第一干扰信号。第二级滤波器124去除称重数据的频率小于第二阈值的第二干扰信号。具体而言，在包装、灌装或配料的应用过程中，称重数据主要存在两类干扰信号。在本实施例中，第一干扰信号可以是机械冲击造成的高频干扰。由于包装、灌装或配料系统的称重部分使用传感器弹性体，其冲击干扰的表现频率受传感器弹性体的刚性影响，导致这类干扰的最低频率在20hz左右，干扰的强度受冲击干扰强度影响，在给料控制阶段的冲击干扰强度较大，滤波器需要提供-40～-60db的噪音抑制能力才能达到包装、灌装或配料精度需求，在稳态称重阶段冲击干扰强度较小，需要滤波器的噪音抑制能力较小。第二干扰信号可以是包装、灌装或配料系统给料器引入的给料不均匀或称重设备受料流的侧向冲击造成的晃动的低频干扰，这类干扰信号的干扰频率受给料器或物料特性影响(例如粉体类物料在称重设备上无法形成较高频率的干扰)，干扰频率较低(1～10hz，甚至以下)，干扰强度受应用需求影响(太强不能使用)而不会太强(可控性太差)，需要最高-20db左右的滤波噪音抑制能力。
在包装、灌装或配料应用中，还需求滤波器能够较快建立稳定，以便实现高速高精度控制。线性相位滤波器的稳态建立速度一般较快，能够较好的满足快速建立应用需求。针对上述两类干扰，由于第二干扰信号的截止频率较低，如果使用一个滤波器同时抑制上述两类干扰，则滤波器在第一干扰信号(高频干扰信号)的抑制能力过剩，造成滤波器稳态建立速度过慢。由于具有陷波特性的滤波器能够牺牲较少的时间资源获得较通用低通滤波器更好的噪音抑制效果，使用具有陷波特性的滤波器能够提高滤波数据的精度及提高系统控制性能。具体而言，在具有陷波特性的滤波器中，主瓣与第一旁瓣之间存在一个陷波区域，干扰信号落在该区域有较好的滤波效果。
优选地，滤波模块120采用双线性相位滤波器。换言之，第一级滤波器122和第二级滤波器124都为线性相位滤波器。两个滤波器可以串联形成滤波器组以便满足应用需求。
具体而言，在包装、灌装或配料的应用过程中，系统的机械干扰强度较强,但干扰频率较高，而给料器的给料不均匀干扰的干扰强度较弱，但干扰频率较低。因此，第一级滤波器122可以采用贝塞尔滤波器或具有陡降特性的有限脉冲响应(FIR)滤波器。贝塞尔滤波器或具有陡降特性的有限脉冲响应(FIR)滤波器是能够较好抑制高频高强度干扰的滤波器，其滤波器能够快速稳态建立。具有陡降特性的有限脉冲响应(FIR)滤波器其具有较大的db/oct参数(每倍程噪音抑制力)。
第二级滤波器124可以采用具有陷波特性的有限脉冲响应(FIR)滤波器。例如，第二级滤波器124可以采用均值窗滤波器。有限脉冲响应(FIR)均值窗滤波器存在最优性。有限脉冲响应(FIR)均值窗滤波器既能够较好抑制低频低强度干扰，又能根据低频干扰频率对干扰进行陷波(针对性)使用较少的时间资源抑制低频噪音获得较高的滤波效果。第一级滤波器122和第二级滤波器124配合使用能够较好的扩大统滤波模块120的应用适用范围。优选地，第二级滤波器124对第一级滤波器122滤波后的称重数据进行滤波。第一级滤波器122和第二级滤波器124还可以根据不同的应用情况实现不同的组合滤波方式。
比较模块140包括第一比较控制模块142和第二比较控制模块144。第一比较控制模块142用于根据经滤波模块120去除干扰信号的称重数据，控制包装、灌装或配料的工艺流程。第二比较控制模块144用于根据包装、灌装或配料的工艺流程及干扰信息控制第一比较控制模块142及滤波模块120的操作。
具体而言，第二比较控制模块144可以根据工艺流程及干扰信息设置供第一级滤波器122对称重数据进行滤波的第一滤波参数；设置供第二级滤波器144对称重数据进行滤波的第二滤波参数；以及设置第一比较控制模块142的控制数据操作。一般而言，流程控制数据是以重量表示的，滤波参数的修改将影响控制使用的流程控制数据，第一比较控制模块142流程控制数据的控制过程将消除滤波参数修改的影响。
工艺流程信号优选地，包括工艺流程的阶段及其流量信息。工艺流程的阶段包括清零阶段、快进料阶段、慢进料阶段、检重阶段及放料阶段。具体地，第二比较控制模块144根据流程的阶段信息设置所述的第一级滤波器122参数及第二级滤波器124阶数(滤波器需要花费的时间资源)，根据低频干扰信息设置所述的第二级滤波器124阶数，根据滤波参数修改第一级比较控制模块142的流程控制数据，以便通过提高控制数据源精度及实时性达到提高系统控制性能的目的。
在具体实施例中，第二比较控制模块144可以记录包装、灌装或配料工艺流程阶段及其干扰信息、第一比较控制模块142所需控制数据和第一、第二滤波参数。第二比较控制模块144根据包装、灌装或配料工艺流程阶段及干扰信息设置第一、第二滤波参数及第一比较控制模块142的控制数据。这样既保证第一级、第二级滤波器工作在与本工艺流程阶段匹配的滤波方法和参数下，又保证了第一比较控制模块142工作在与之相匹配的数据处理方式下，进而通过改善包装、灌装或配料工艺流程、第一级、第二级滤波器的滤波之间的协调关系达到提高包装、灌装或配料精度与速度目的。包装、灌装或配料工艺流程参数的设置和修改使系统能够更好地实现整个工艺流程。
结合图2和图3说明本发明实施例的用于包装、灌装或配料的控制方法。包装、灌装或配料的控制方法主要包括3个步骤。
步骤S300，滤波模块220去除称重数据中的干扰信号。
具体地，在一个实施例中，携带干扰信号的原始称重数据输入到第一级滤波器222。第一级滤波器222可以选用具有陡降特性的切比雪夫有限脉冲响应(FIR)滤波器，切比雪夫有限脉冲响应(FIR)滤波器的阻带衰减能力和滤波器的阶数可以作为该滤波器的第一滤波参数。带干扰信号的原始称重数据经过切比雪夫有限脉冲响应(FIR)滤波器后，频率较高、强度较大的第一干扰信号在花费较少的时间内被“滤除”。经第一级滤波器222滤波后的称重数据输入到第二级滤波器224。第二级滤波器224可以选用均值窗有限脉冲响应(FIR)滤波器。经第一级滤波器222滤波后的称重数据通过均值窗有限脉冲响应(FIR)滤波器后，第二干扰信号(低频干扰信号)落到均值窗有限脉冲响应(FIR)滤波器的陷波带内，进而获得有效的抑制。优选地，第二级滤波器224对第一级滤波器222滤波后的称重数据进行滤波。在一些变化例中，第二级滤波器224关闭，并不进行滤波。第一级滤波器222和第二级滤波器224还可以根据不同的应用情况实现不同的组合滤波方式。
在一个变化例中，第一级滤波器222和第二级滤波器224之间还具有AD模数转换器，对第一级滤波器222输入的称重数据的电压信号转换为数字信号输入第二级滤波器224。
步骤S302，第一比较控制模块242根据经滤波模块去除干扰信号的称重数据，控制包装、灌装或配料的工艺流程。具体地，第一比较控制模块242根据经滤波模块去除干扰信号的称重数据，做出关断决策，通过工艺流程接口300控制包装、灌装或配料的外设动作。
步骤S304，第二比较控制模块244根据包装、灌装或配料的工艺流程及干扰信息控制第一比较控制模块242及滤波模块220的操作。
具体地，第二比较控制模块244从工艺流程接口获取工艺流程阶段信息。工艺流程信号可以包括工艺流程的阶段信息。第二比较控制模块244根据流程的阶段信息设置所述的第一级滤波器222参数，根据低频干扰信息设置所述的第二级滤波器224阶数，根据滤波参数修改第一级比较控制模块242的控制数据。
进一步地，当处于包装、灌装或配料工艺流程的开始清零阶段和检重阶段，第一级滤波器222需要较轻的阻带衰减能力，第二级滤波器224需要采用较重的滤波器以保证静态称重精度来解决晃动等问题。第一级滤波器222的参数和第二级滤波器224的第二滤波参数通过调试获得。干扰信号的强度变化造成阶数的需求变化。通过减小阶数能够提高系统速度。稳定称重阶段(清零阶段和检重阶段)没有较强的冲击，减轻第一级滤波器222的阻带衰减能力需求能减少滤波花费的时间，进而提高控制速度。
当处于包装、灌装或配料工艺流程的放料阶段，其对精度要求较低，第二比较控制模块244减到最小第二级滤波器224以便减少滤波器处理数据所花费的时间，进而提高包装、灌装及配料速度。例如，将第二级滤波器224阶数减小到0。
当处于包装、灌装或配料工艺流程的快进料阶段或慢进料阶段，针对低频干扰频率选择合适的第二级滤波器224的阶数，使得低频干扰落在第二级滤波器224的陷波区域内，通过提高滤波器的低频噪音抑制效果来提高系统的控制性能。
本领域技术人员可以理解，上述步骤S300、S302及S304，并不限于顺序执行，在一些实施例中，步骤S300、S302及S304可以并行执行。在另一些实施例中，其还可以有其他的执行顺序，在此不予赘述。
本发明提供的用于包装、灌装或配料的控制系统及方法相较于现有技术，具有如下优势：
1、区别于现有的系统普遍选用的较慢稳态建立速度的滤波器的做法，本发明提供的用于包装、灌装或配料的控制系统及方法采用二级线性相位滤波器进行级联，并各自在时域上均具有较短的稳态建立时间。
2、区别于现有的工艺流程的控制与比较模块和滤波模块之间互相孤立情况，用于包装、灌装或配料的控制系统及方法将滤波模块、比较模块与工艺流程的控制紧密结合成一个有机的系统，从而实现可根据不同的系统和工艺流程阶段的要求，对滤波器参数进行动态调整，选用比较模块最佳的数据处理方法，进而使系统的应用及控制性能始终处于最优化的状态。
3、区别于现有的系统对给料不均匀或称重设备晃动干扰采用通用抗低频滤波处理的方法，本发明针对低频干扰频率，使用具有陷波特性的有限脉冲响应(FIR)滤波器对干扰进行抑制，通过提高低频噪音抑制效果的方法提高系统性能。
本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。
Claims (11)
1.一种用于包装、灌装或配料的控制系统，其特征在于，包括：
滤波模块，用于去除称重数据中的干扰信号，包括：
第一级滤波器，用于去除所述称重数据中的第一干扰信号，所述第一干扰信号的频率高于第一阈值；
第二级滤波器，用于去除所述称重数据中的第二干扰信号，所述第二干扰信号的频率低于第二阈值；
比较模块包括：
第一比较控制模块，用于根据经所述滤波模块去除干扰信号后的称重数据，控制包装、灌装或配料的工艺流程；
第二比较控制模块，用于根据包装、灌装或配料的工艺流程及其干扰信号控制所述第一比较控制模块及所述滤波模块的操作。
2.如权利要求1所述的用于包装、灌装或配料的控制系统，其特征在于，所述第一干扰信号为机械冲击形成的高频干扰信号，所述第二干扰信号为给料不均匀或称重设备晃动形成的低频干扰信号。
3.如权利要求1所述的用于包装、灌装或配料的控制系统，其特征在于，：
所述第一级滤波器具有第一滤波参数，所述第一级滤波器使用所述第一滤波参数对所述称重数据进行滤波；
所述第二级滤波器具有第二滤波参数，所述第二级滤波器使用所述第二滤波参数对所述称重数据进行滤波。
4.如权利要求3所述的用于包装、灌装或配料的控制系统，其特征在于，所述包装、灌装或配料的工艺流程包括工艺流程的阶段，所述阶段包括：
清零阶段、快进料阶段、慢进料阶段、检重阶段及放料阶段。
5.如权利要求1所述的用于包装、灌装或配料的控制系统，其特征在于，所述第一级滤波器以及所述第二级滤波器为线性相位滤波器。
6.如权利要求5所述的用于包装、灌装或配料的控制系统，其特征在于，所述第一级滤波器为贝塞尔滤波器或具有陡降特性的有限脉冲响应(FIR)滤波器。
7.如权利要求5所述的用于包装、灌装或配料的控制系统，其特征在于，所述第二级滤波器为具有陷波特性的有限脉冲响应(FIR)滤波器。
8.如权利要求6所述的用于包装、灌装或配料的控制系统，其特征在于，所述第一滤波参数在所述贝塞尔滤波器时为截止频率和阶数，在所述有限脉冲响应(FIR)类滤波器时为阻带衰减能力和阶数。
9.如权利要求7所述的用于包装、灌装或配料的控制系统，其特征在于，所述第二滤波参数为所述第二级滤波器的阶数。
10.如权利要求1所述的用于包装、灌装或配料的控制系统，其特征在于，所述第二级滤波器用于去除经第一级滤波器滤波的所述称重数据中的第二干扰信号。
11.一种用于包装、灌装或配料控制方法，应用于权利要求1-10任一项所述的用于包装、灌装或配料的控制系统，其特征在于，包括：
使用所述滤波模块去除所述称重数据中的干扰信号；
所述第一比较控制模块根据经所述滤波模块去除干扰信号后的称重数据，控制包装、灌装或配料的工艺流程；以及所述第二比较控制模块根据包装、灌装或配料的工艺流程及其干扰信号控制所述第一比较控制模块及所述滤波模块的操作。
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