智能電子秤稱重校準(zhǔn)技術(shù)方法研究

唐榮芳

廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 貴港，537100

0 引言

電子秤作為一種應(yīng)用廣泛的民生計(jì)量器具，其計(jì)量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性是決定市場(chǎng)交易環(huán)境的重要基礎(chǔ)[1]。在此基礎(chǔ)上，衍生出的電子秤校準(zhǔn)技術(shù)也開始受到了越來(lái)越多的關(guān)注[2]。一般情況下，對(duì)于智能電子秤的校準(zhǔn)可以分為有靜態(tài)校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)兩類[3]。在電子秤的設(shè)計(jì)過(guò)程中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是靜態(tài)校準(zhǔn)，其與電子秤最終的準(zhǔn)確度直接相關(guān)[4]。本質(zhì)上，校準(zhǔn)就是根據(jù)電子秤輸出的稱量數(shù)據(jù)與實(shí)際施加的標(biāo)準(zhǔn)載荷重量之間的差異對(duì)電子秤的上一級(jí)量值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)節(jié)的過(guò)程[5]?，F(xiàn)階段隨著稱量需求的不斷提高，對(duì)于智能電子秤的稱量精度和準(zhǔn)確度要求也逐漸提高[6]。智能電子秤無(wú)論是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，還是在技術(shù)應(yīng)用上，都與傳統(tǒng)重量計(jì)量裝置存在較大差異，對(duì)其校準(zhǔn)的難度也更大。

為此，本文提出智能電子秤稱重校準(zhǔn)技術(shù)方法研究，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試的方式比較分析了提出校準(zhǔn)方法的實(shí)際應(yīng)用效果。通過(guò)本文的研究，也希望能夠幫助相關(guān)電子秤調(diào)試工作的開展提供有價(jià)值的參考。

1 智能電子秤稱重校準(zhǔn)

1.1 智能電子秤誤差分配

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電子秤的準(zhǔn)確校正，在確定電子秤給定誤差的前提下，需要將其合理地分配到各誤差源[7]，以確保總誤差不超過(guò)稱重誤差允許最大范圍。為此，本文首先對(duì)智能電子秤的誤差進(jìn)行分配[8]。

假設(shè)智能電子秤的測(cè)量結(jié)果誤差為e，對(duì)應(yīng)的誤差源分別為e1,e2,...,ei（其中，i表示誤差源的數(shù)量）。那么此時(shí)采用方根合成法計(jì)算電子秤的誤差綜合，可以表示為

結(jié)合式（1），對(duì)誤差分配的目標(biāo)是最終的稱量誤差值在允許的偏差范圍。

在此基礎(chǔ)上，本文利用按照微小誤差理論，在對(duì)誤差進(jìn)行分配前，首先將其分為校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器誤差和外在環(huán)境誤差，對(duì)應(yīng)的式（1）可以表示為

其中，eb表示校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器誤差對(duì)智能電子秤稱量結(jié)果帶來(lái)的誤差，eh表示外在環(huán)境誤差對(duì)智能電子秤稱量結(jié)果帶來(lái)的誤差。

需要注意的是，上述的誤差都是以非定值的形式存在的，表現(xiàn)出一定的不確定性，為此，本文在計(jì)算過(guò)程中引入了模糊動(dòng)態(tài)參量系數(shù)，此時(shí)的eb和eh分別可以表示為

其中，λb和λh分別表示校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器誤差的模糊動(dòng)態(tài)參量系數(shù)和外在環(huán)境誤差的模糊動(dòng)態(tài)參量系數(shù)，k表示貢獻(xiàn)值，xb和xh分別表示校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器基礎(chǔ)參數(shù)和外在環(huán)境基礎(chǔ)參數(shù)。

按照智能電子秤稱重允許誤差范圍要求，對(duì)其的分配可以表示為

即

其中，-a和a分別表示智能電子秤稱重允許誤差的最小值和最大值。通過(guò)這樣的方式，得到對(duì)應(yīng)的滿足要求的eb和eh分配方案，為后續(xù)的電子秤校準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但是需要特別注意的是，eb和eh分配方案一般情況下包含多組，而在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中，只可選擇其中一組作為校準(zhǔn)的基準(zhǔn)參數(shù)。在具體的選擇階段，需要結(jié)合電子秤應(yīng)用的實(shí)際環(huán)境條件，標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 eb 和eh 分配方案選擇標(biāo)準(zhǔn)

按照表1的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)eb和eh分配方案進(jìn)行合理選擇。當(dāng)出現(xiàn)電子秤的應(yīng)用環(huán)境存在表1中的交叉因素時(shí)，以因素強(qiáng)度為基礎(chǔ)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的選取。通過(guò)這樣的方式，為最終的校準(zhǔn)結(jié)果可靠性提供保障。

1.2 誤差校準(zhǔn)

在得到滿足稱重要求的誤差分配方案后，需要通過(guò)對(duì)智能電子秤的相關(guān)元件參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，落實(shí)上述的分配結(jié)果。本文考慮到在實(shí)際的校準(zhǔn)過(guò)程中，需要調(diào)節(jié)的元件無(wú)論是結(jié)構(gòu)，還是原有的參數(shù)設(shè)置信息，都較難實(shí)現(xiàn)完全掌握。為此，采用PID控制（Proportional integral derivative control）技術(shù)結(jié)合閉環(huán)控制（Closed loop control）原理實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電子秤的校準(zhǔn)。與其他控制技術(shù)相比，PID表現(xiàn)出了更高的控制精度，并且可以根據(jù)待調(diào)節(jié)對(duì)象自身的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)演算出最佳PID控制參考，大大降低了校準(zhǔn)的難度[9]。

本文設(shè)計(jì)的智能電子秤PID控制器共分為3個(gè)組成部分，分別是比例單元（P）、積分單元（I）以及微分單元（D）組成，三者之間的輸入與輸出關(guān)系可以表示為

其中，u（t）表示PID控制器的輸出結(jié)果，c表示比例系數(shù)，P（t）、I（t）、D（t）分別表示比例單元、積分單元以及微分單元的處理結(jié)果，x（t）表示輸入PID控制器的電子秤目標(biāo)參數(shù)值。

從式（6）中可以卡出，影響PID控制器主要輸出結(jié)果以及調(diào)節(jié)步長(zhǎng)的主要參數(shù)為比例系數(shù)，為此，本文按照誤差的大小對(duì)該值進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)，在確保校準(zhǔn)效果的前提下，最大限度提高校準(zhǔn)效率。

按照正常的校準(zhǔn)流程，執(zhí)行的調(diào)節(jié)幅度時(shí)呈現(xiàn)出逐漸減小的發(fā)展趨勢(shì)的，因此對(duì)應(yīng)地，本文對(duì)比例系數(shù)的設(shè)置也是按照逐漸減小的方式進(jìn)行的。首先，以初始的eb和eh分配方案為基礎(chǔ)，將其對(duì)應(yīng)參數(shù)的30%作為調(diào)節(jié)步長(zhǎng)。假設(shè)此時(shí)的比例系數(shù)為c，當(dāng)以該值為基礎(chǔ)對(duì)電子秤元件進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，輸出的數(shù)值結(jié)果大于初始值的30%時(shí)，則以當(dāng)前時(shí)刻的電子秤元件參數(shù)為調(diào)節(jié)基礎(chǔ)，此時(shí)的分配方案也對(duì)應(yīng)地轉(zhuǎn)變?yōu)?.7eb和0.7eh，PID控制器的比例系數(shù)可以表示為

其中，c'表示更新后的PID控制器比例系數(shù)。

按照這樣的方式，重復(fù)上述操作，直至eb和eh分配方案被完全執(zhí)行，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電子秤稱重的校準(zhǔn)。

2 應(yīng)用測(cè)試

在上述電子秤校準(zhǔn)技術(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步分析其在實(shí)際校準(zhǔn)中的應(yīng)用效果，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并分別采用文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]中提出的校準(zhǔn)方法作為對(duì)照組，分析其校準(zhǔn)效果。

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

本文進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試的智能電子秤如圖1所示。

圖1 測(cè)試電子秤裝置

已知該設(shè)備在使用過(guò)程中，使用環(huán)境穩(wěn)定干燥。在此基礎(chǔ)上，準(zhǔn)備了符合JJG 99-2006《砝碼檢定規(guī)程》F1等級(jí)要求的標(biāo)定/校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)器，其具體的重量信息以及最大允差如表2所示。

表2 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)器重量及允許最大誤差

按照表2所示的標(biāo)準(zhǔn)分別采用三種方法對(duì)測(cè)試電子秤進(jìn)行校準(zhǔn)處理后，對(duì)稱重結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

三種校準(zhǔn)方法下，電子秤對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器的稱重結(jié)果如表3所示。

表3 不同校準(zhǔn)方法的稱重結(jié)果誤差統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)觀察表3中的稱重誤差數(shù)據(jù)可知，文獻(xiàn)［6］方法對(duì)于重量大于1.00kg的標(biāo)準(zhǔn)器稱重結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)器重量小于1.00kg，其稱重結(jié)果誤差超出了允許的最大范圍，無(wú)法實(shí)現(xiàn)稱量要求；文獻(xiàn)［7］方法下，電子秤對(duì)于200.00g以上的標(biāo)準(zhǔn)器稱重結(jié)果誤差超出了允許最大范圍；相比之下，采用本文提出的方法對(duì)電子秤進(jìn)行校準(zhǔn)后，其稱重誤差始終在允許范圍內(nèi)，能夠得到計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。表明本文提出方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)智能電子秤的有效校準(zhǔn)。

3 結(jié)論

智能電子秤在商品交易過(guò)程中的應(yīng)用是極為廣泛的，其計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確性不僅涉及交易的公平與否，對(duì)于交易雙方的利益價(jià)值也起到?jīng)Q定性作用。本文提出智能電子秤稱重校準(zhǔn)技術(shù)方法研究，實(shí)現(xiàn)了電子秤的有效校準(zhǔn)，使其對(duì)不同重量等級(jí)的稱重結(jié)果誤差均穩(wěn)定在合理的范圍內(nèi)，提高了稱重結(jié)果的可靠性。通過(guò)本文的研究，以期為相關(guān)智能電子秤的調(diào)試以及校準(zhǔn)工作提供有價(jià)值的參考。