CN110641778B - 一种灌装控制方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种灌装控制方法、装置及系统。灌装控制方法包括步骤：接收称重传感器的称重信号，对称重信号进行一级滤波生成第一称重信号序列；对第一称重信号序列进行振动抑制，生成第二称重信号；利用第二称重信号生成第二称重信号序列，对第二称重信号序列进行二级滤波，生成第三称重信号；根据第三称重信号生成修正信号，修正信号用于修正灌装系统生成的灌装信号的误差。本发明提出的灌装控制方法依次经过一级滤波、振动抑制和二级滤波，有效的消除了来自灌装系统本身和外部环境中，周期性或者非周期性的干扰信号；通过两次滤波提高了灌装系统的稳定性，且提高了称重信号的处理精度。

Description

一种灌装控制方法、装置及系统

技术领域

本发明实施例涉及测控技术，尤其涉及一种灌装控制方法、装置及系统。

背景技术

称重给料系统是工业计量领域的重要组成部分，广泛的应用在食品、化工等行业。作为一种基本的称重给料系统，旋转式称重灌装机具有更快的灌装速度与更高的灌装效率，但旋转式称重灌装机存在振动大、干扰大等固有特性，因此对控制精度要求高。

现有技术中，一般采用数字的称重元件，当测得容器中的重量达到预先设定的值时，称重元件给PLC发送控制指令，由PLC驱动电磁阀调节灌装的流量或者终止灌装。但当灌装系统受到外界干扰时，称重元件的测量值会出现误差，造成灌装精度下降。

发明内容

本发明提供一种灌装控制方法、装置及系统，以提高旋转式称重灌装机的控制精度，实现准确灌装。

本发明实施例一方面提出一种灌装控制方法，包括步骤：

接收称重传感器的称重信号，对所述称重信号进行一级滤波生成第一称重信号序列；

对所述第一称重信号序列进行振动抑制，生成第二称重信号；

利用所述第二称重信号生成第二称重信号序列，对所述第二称重信号序列进行二级滤波，生成第三称重信号；

根据所述第三称重信号生成修正信号，所述修正信号用于修正灌装系统生成的灌装信号。

本发明另一方面提出一种灌装控制装置，包括：

滤波模块，用于接收称重传感器的称重信号，对所述称重信号进行一级滤波生成第一称重信号序列；对所述第一称重信号序列进行振动抑制，生成第二称重信号；利用所述第二称重信号生成第二称重信号序列，对所述第二称重信号序列进行二级滤波，生成第三称重信号；

修正模块，用于根据所述第三称重信号生成修正信号，所述修正信号用于修正灌装系统生成的灌装信号。

本发明另一方面提出一种灌装控制系统，包括本发明实施例提出的灌装控制装置，灌装控制系统还包括灌装系统和称重传感器，所述灌装控制装置、所述灌装系统和所述称重传感器构成闭环控制系统，其中，所述灌装系统用于生成灌装信号；所述称重传感器用于检测当前灌装物的重量，并将称重信号发送给所述灌装控制装置；所述灌装控制装置将生成的第三称重信号与预设重量信号的差值发送给所述灌装系统，所述灌装系统利用所述差值修正所述灌装信号的误差，进而生成下一灌装周期的灌装信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的灌装控制方法依次经过一级滤波、振动抑制和二级滤波，有效的消除了来自灌装系统本身和外部环境中，周期性或者非周期性的干扰信号；通过两次滤波提高了灌装系统的稳定性，且进一步提高了称重信号的处理精度。

附图说明

图1是实施例一中的灌装控制方法流程图；

图2是实施例二中灌装控制装置结构示意图；

图3是实施例三中灌装控制系统结构示意图；

图4是实施例三中另一种灌装控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是实施例一中的灌装控制方法流程图，参考图1，控制方法包括步骤：

S101.接收称重传感器的称重信号，对称重信号进行一级滤波生成第一称重信号序列。

本步骤中，对每个采样的称重信号进行一级滤波，并按时间顺序将称重信号组成称重信号序列，例如依次选取6个称重信号组成称重信号序列，当采集到新的称重信号时，将该称重信号添加到称重信号序列中，并将称重信号序列中的最前时刻的称重信号从序列中剔除，保证序列的长度不变。

可选的，本步骤中一级滤波包括中值滤波，限幅滤波，卡尔曼滤波，通过一级滤波减小灌装系统中出现的非周期干扰信号，以提高后续数据处理过程中(例如振动抑制)的准确度。

S102.对第一称重信号序列进行振动抑制，生成第二称重信号。

由于环境干扰、机械运动以及灌装过程中重量的变化会导致称重传感器振动，因此为了提高称重信号的信噪比，降低重复性误差，需要对称重信号进行振动抑制，以得到较为准确的重量检测值。

S103.利用第二称重信号生成第二称重信号序列，对第二称重信号序列进行二级滤波，生成第三称重信号。

与步骤S101类似，本步骤中按时间顺序将第二称重信号组成第二称重信号序列。并利用第二称重信号序列生成一个与第二称重信号序列对应的第三称重信号。本步骤中使用二级滤波减小进行振动抑制后的数据序列中的白噪声，以提高称重信号滤波结果的稳定性。可选的，可采用一阶数字滤波或者自适应滤波作为二级滤波。

S104.根据第三称重信号生成修正信号。修正信号用于修正灌装系统生成的灌装信号。

本步骤中，可以将第三称重信号与预设重量信号的差值作为修正信号，灌装系统利用差值修正灌装信号，例如将差值作为PID控制的输入，通过PID控制方法生成下一灌装周期的灌装信号；也可以通过模糊控制生成下一灌装周期的灌装信号，例如将差值作为模糊控制中所需的一个模糊量，结合该模糊量建立模糊控制规则，进而通过模糊控制规则生成灌装信号。

本实施例中，首先对称重信号进行一级滤波和振动抑制，以消除来自灌装系统本身和外部环境中，周期性或者非周期性的干扰信号。再通过二级滤波对数据序列进行平滑，进一步提高称重信号的处理精度。

可选的，步骤S101中，对称重信号进行一级滤波生成第一称重信号序列包括：对单位周期内称重信号的采样序列进行限幅滤波生成第一称重信号序列。其目的是消除灌装系统中出现的非周期的脉冲式干扰信号。

步骤S102中，对第一称重信号序列进行振动抑制，生成第二称重信号包括：采用自适应滤波器对第一称重信号序列进行滤波生成第二称重信号。灌装系统中由振动引起的干扰信号可视为一种随机误差，因此本步骤中采用自适应滤波器对第一称重信号序列进行滤波，以消除系统中的周期性干扰信号，进一步的提高滤波精度，具体的自适应滤波器采用的公式包括

式中，x为第一称重信号序列，w为滤波系数，β为权重，N为第一称重信号序列的步长，e为误差，采用的计算公式为

e(n)＝d(n)-y(n)

式中d为期望信号，y为第二称重信号。

本步骤中，滤波系数为一动态值，具体的，采用期望信号和第二称重信号的误差更新权重，进而更新滤波系数，采用的计算公式为：

式中a为稳定系数，a为通过实验确定的一设定值，e为期望信号与上一时刻第二称重信号之间的误差。本步骤中通过期望信号和第二称重信号之间的误差自动调节自适应滤波器中的参数，使下一时刻的第二称重信号更加接近期望值，进行权重更新时，采用公式的形式为Sigmoid函数，这样当上一时刻的误差较大时，滤波系数的取值也相应较大，当上一时刻的误差较小时，滤波系数的取值也相应较小，因此在初始阶段，可以根据期望值和上一时刻第二称重信号的误差快速调整下一时刻第二称重信号达到稳态值，且在后续的跟踪阶段，可以达到更快的计算速度。

步骤S103中，对第二称重信号序列进行二级滤波，生成第三称重信号包括：对第二称重信号序列进行一阶数字滤波生成第三称重信号。本实施例中对一阶数字滤波的具体形式不做限定。

步骤S104中，根据第三称重信号生成修正信号包括：将第三称重信号与预设重量信号的差值发送给灌装系统，灌装系统利用差值修正灌装信号。作为一种可替换方案，灌装系统利用PID控制方法生成灌装信号，其中PID控制方法的输入为第三称重信号与预设重量信号的差值，即灌装系统根据差值的比例、积分和微分信号综合调整灌装信号。

作为一种可替换方案，可选的，

在步骤S101对称重信号进行一级滤波生成第一称重信号序列中，采用限幅滤波作为一级滤波，当称重信号超过设定的阈值时则抛弃该值。

步骤S102对第一称重信号序列进行振动抑制，生成第二称重信号具体为包括：

本步骤中首先确定振动抑制这一过程中的采样计数值，当采样个数达到指定的计数值时，将当前的采样值(第一称重信号)与设定的信号波形的上限或者下限进行对比，若当前的采样值未超过上限或下限则把当前的采样值作为第二称重信号，若当前的采样值超过上限或下限则抛弃该采样值，将上一符合条件的采样值作为第二称重信号。在灌装系统中由于振动干扰可视为具有一定频率的白噪声，因此，本步骤中未为针对第一称重信号做复杂的运算，而是将采样值与设定的上限或者下限进行对比，将符合要求的采样信号保留，使采样信号控制在指定的幅值范围内，以减小灌装系统的控制复杂度。

在步骤S103利用第二称重信号生成第二称重信号序列，对第二称重信号序列进行二级滤波，生成第三称重信号中，二级滤波采用的公式为：

式中y(n)为第三称重信号，N为第二称重信号序列中的采样个数，X()为去掉第二称重信号序列中的最大采样值和最小采样值后的序列。本步骤中将利用去掉最大值和最小值的采样序列的均值作为滤波结果，可以提高针对称重信号滤波的稳定性。

在步骤S104根据第三称重信号生成修正信号，修正信号用于修正灌装系统生成的灌装信号中，将第三称重信号与期望信号之间的误差作为三维模糊控制的一个模糊量，利用三维模糊控制方法生成灌装信号。具体的，三维模糊控制输入为第三称重信号与期望信号之间的误差，灌装系统的流速以及灌装系统的阀门关闭延迟，输出为灌装系统生成的灌装信号。构建模糊控制规则时，将误差、流速以及阀门关闭延迟进行模糊化，建立不同状态的误差与流速和阀门关闭延迟两者之间的模糊控制表，进而得到三维模糊控制的控制决策。

本实施例中提出的灌装控制方法采用两次滤波和一次振动抑制对称重信号进行预处理，去掉称重信号中的脉冲干扰量，进行一次平滑后，将称重信号限定在指定的幅值范围内，简化了整体的算法复杂度。为了防止过量灌装，使用了三维模糊控制的方法生成灌装信号，可以做到首次灌装就接近灌装目标值，从而可以减少因首次灌装误差过大而产生的不合格产品的数量。

实施例二

图2是实施例二中的灌装控制装置结构图，参考图2，灌装控制装置100包括：

滤波模块1，用于接收称重传感器的称重信号，对称重信号进行一级滤波生成第一称重信号序列。对第一称重信号序列进行振动抑制，生成第二称重信号。利用第二称重信号生成第二称重信号序列，对第二称重信号序列进行二级滤波，生成第三称重信号。

可选的，滤波模块1对称重信号进行一级滤波生成第一称重信号序列包括：对单位周期内称重信号的采样序列进行限幅滤波生成第一称重信号序列。

对第一称重信号序列进行振动抑制，生成第二称重信号包括：采用自适应滤波器对第一称重信号序列进行滤波生成第二称重信号，采用的公式包括

式中，x为第一称重信号序列，w为滤波系数，β为权重，N为第一称重信号序列的步长，e为误差，采用的计算公式为

e(n)＝d(n)-y(n)

式中d为期望信号，y为第二称重信号。其中滤波系数可以是一动态值，其计算方法与实施例一中的滤波系数更新方法相同。作为一种可替换方法，权重β也可以为一定值，可根据实验确定权重的具体数值，使初始状态时自适应滤波器具有较快的收敛速度。

利用第二称重信号生成第二称重信号序列，对第二称重信号序列进行二级滤波，生成第三称重信号包括：对第二称重信号序列进行一阶数字滤波生成第三称重信号。本实施例中对一阶数字滤波的具体形式不做限定。

修正模块2，用于根据第三称重信号生成修正信号，修正信号用于修正灌装系统生成的灌装信号的。示例性的，灌装控制装置100将第三称重信号与预设重量信号的差值发送给灌装系统，灌装系统利用PID控制方法生成灌装信号，其中PID控制方法的输入为第三称重信号与预设重量信号的差值，即灌装系统根据差值的比例、积分和微分信号综合生成灌装信号。

作为一种可替换方案，可选的，

滤波模块1用于对称重信号进行一级滤波生成第一称重信号序列，其中采用限幅滤波作为一级滤波，当称重信号超过设定的阈值时则抛弃该值。

对第一称重信号序列进行振动抑制，生成第二称重信号，其中首先确定振动抑制这一过程中的采样计数值，当采样个数达到指定的计数值时，将当前的采样值(第一称重信号)与设定的信号波形的上限或者下限进行对比，若当前的采样值未超过上限或下限则把当前的采样值作为第二称重信号，若当前的采样值超过上限或下限则抛弃该采样值，将上一符合条件的采样值作为第二称重信号。

利用第二称重信号生成第二称重信号序列，对第二称重信号序列进行二级滤波，生成第三称重信号，其中二级滤波采用的公式为：

式中y(n)为第三称重信号，N为第二称重信号序列中的采样个数，X(i)为去掉第二称重信号序列中的最大采样值和最小采样值后的序列。

修正模块2用于根据第三称重信号生成修正信号，修正信号用于修正灌装系统生成的灌装信号的。其中将第三称重信号与期望信号之间的误差作为修正信号，该修正信号为模糊控制的一个模糊量，利用三维模糊控制方法生成灌装信号。

本实施例提供的灌装控制装置与本发明任意实施例提供的灌装控制方法属于相同的发明构思，具有相应的有益效果，未在本实施例详尽的技术细节详见本发明任意实施例提供的灌装控制方法。

实施例三

图3是实施例三中灌装控制系统结构示意图，参考图3，本实施例提出一种灌装控制系统，包括上述任意实施例记载的灌装控制装置100，还包括灌装系统200和称重传感器300，灌装控制装置100、灌装系统200和称重传感器300构成闭环控制系统。其中，灌装系统200用于生成初始灌装信号和经过修正的灌装信号。称重传感器300用于检测灌装容器400和当前灌装物的总重量，并将称重信号发送给灌装控制装置100。灌装控制装置100将生成的第三称重信号与预设重量信号的差值发送给灌装系统200，灌装系统200利用差值生成下一灌装周期的灌装信号。

可选的称重传感器300选用悬臂梁式称重传感器。

图4是实施例三中另一种灌装控制系统结构示意图，参考图4，灌装系统200包括传送机构500和旋转机构600，传送机构500用于将待灌装容器400运送至旋转机构600，旋转机构600通过夹持装置夹紧待灌装容器400，夹持装置与称重传感器300相连接。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种灌装控制方法，其特征在于，包括步骤：

接收称重传感器的称重信号，对所述称重信号进行一级滤波生成第一称重信号序列；

对所述第一称重信号序列进行振动抑制，生成第二称重信号；

利用所述第二称重信号生成第二称重信号序列，对所述第二称重信号序列进行二级滤波，生成第三称重信号；

根据所述第三称重信号生成修正信号，所述修正信号用于修正灌装系统生成的灌装信号；

其中，对所述第一称重信号序列进行振动抑制，生成所述第二称重信号包括：采用自适应滤波器对所述第一称重信号序列进行滤波生成所述第二称重信号，采用的公式包括：

式中，y为所述第二称重信号，x为所述第一称重信号序列，w为滤波系数，β为权重，N为所述第一称重信号序列的步长，e为误差，采用的计算公式为

e(n)＝d(n)-y(n)

式中d为期望信号。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，对所述称重信号进行一级滤波生成第一称重信号序列包括：对单位周期内所述称重信号的采样序列进行限幅滤波生成所述第一称重信号序列。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，利用所述第二称重信号生成第二称重信号序列，对所述第二称重信号序列进行二级滤波，生成第三称重信号包括：对所述第二称重信号序列进行一阶数字滤波生成所述第三称重信号。

4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，采用自适应滤波器对所述第一称重信号序列进行滤波生成所述第二称重信号，包括：

采用所述误差更新所述权重，进而更新所述滤波系数，采用的计算公式为：

式中a为稳定系数，e为所述误差。

5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据所述第三称重信号生成修正信号包括：

将所述第三称重信号与预设重量信号的差值发送给所述灌装系统，所述灌装系统利用所述差值修正所述灌装信号。

6.一种灌装控制装置，其特征在于，包括：

滤波模块，用于接收称重传感器的称重信号，对所述称重信号进行一级滤波生成第一称重信号序列；对所述第一称重信号序列进行振动抑制，生成第二称重信号；利用所述第二称重信号生成第二称重信号序列，对所述第二称重信号序列进行二级滤波，生成第三称重信号；

修正模块，用于根据所述第三称重信号生成修正信号，所述修正信号用于修正灌装系统生成的灌装信号；

所述滤波模块对所述称重信号进行一级滤波生成第一称重信号序列包括：对单位周期内所述称重信号的采样序列进行限幅滤波生成所述第一称重信号序列；

对所述第一称重信号序列进行振动抑制，生成所述第二称重信号包括：采用自适应滤波器对所述第一称重信号序列进行滤波生成所述第二称重信号，采用的公式包括

式中，y为所述第二称重信号，x为所述第一称重信号序列，w为滤波系数，β为权重，N为所述第一称重信号序列的步长，e为误差，采用的计算公式为

e(n)＝d(n)-y(n)

式中d为期望信号；

利用所述第二称重信号生成第二称重信号序列，对所述第二称重信号序列进行二级滤波，生成第三称重信号包括：对所述第二称重信号序列进行一阶数字滤波生成所述第三称重信号。

7.一种灌装控制系统，其特征在于，包括权利要求6所述的灌装控制装置，还包括灌装系统和称重传感器，所述灌装控制装置、所述灌装系统和所述称重传感器构成闭环控制系统，其中，

所述灌装系统用于生成灌装信号；

所述称重传感器用于检测当前灌装物的重量，并将称重信号发送给所述灌装控制装置；

所述灌装控制装置将生成的第三称重信号与预设重量信号的差值发送给所述灌装系统，所述灌装系统利用所述差值修正所述灌装信号，进而生成下一灌装周期的灌装信号。

8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述灌装系统包括传送机构和旋转机构，所述传送机构用于将待灌装容器运送至旋转机构，所述旋转机构通过夹持装置夹紧所述待灌装容器，所述夹持装置与所述称重传感器相连接。

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