赛多利斯电子分析天平系统结构

电子分析天平的机械结构利用杠杆的原理,左边被测物的重力矩和右边放置在永久磁钢中电磁线圈的电磁力矩平衡,横梁末端差分光电对管电路检测天平是否平衡。

改进后的赛多利斯电子分析天平的电子测量原理,指示天平平衡状态的差分光电管输出的电流所信号过PID模块输出电压控制信号,与锯齿波发生器经输出的电压信号经高速比较器运算后产生PWM脉宽调制信号控制功率管驱动电磁线圈,通过在时间上平均的方法来调整电磁线圈上电流的大小,即平均电磁力的方法来实现天平平衡。

PID控制电路的输出控制电磁线圈驱动电导通流时间与PWM脉冲的占空比相关,校准和定标后量PWM脉冲的宽度可间接推算出被测物质量。

由设备本身的测量功能,可知系统满足时不变特性,假设在足够的精度范围内系统满足线性条件,如果能够精确给出系统传递函数,则根据拉氏变换的终值定理可以求得系统的稳态测量值;或者列出系统状态方程和输出观测方程,利用现代控制方法状态空间法,结合卡尔曼滤波器得出测量结果。

因此精确求出系统传递函数或能分析出相关结构及参数,是进行高精度测量分析的关键。

传感器相关参数如转动惯量、摩擦系数不能直接测量得到,电路的电阻、电容参数本身存在离散性,测量精度受限。上述方程虽然参数难以确定,但有助于确定系统的阶数。通过给定输入冲击或阶跃激励,依据输出数据来辨识系统参数是一个可行的方法,但对于传递函数精确解形式还存在困难,以往的切线法、两点三点法只适合于低阶次函数,一些现代估计算法则需要足够的搜索步长和足量数据迭代,精度误差较大,难以在线获取控制参数。

系统传递函数有助于分析系统的稳定性和响应速度以及稳态误差,但从测量的角度看,只需要分析系统的稳态过程,不考虑进入稳态的时间则可以忽略初始过程,因此从稳态的角度来分析系统的状态方程是一个可行的方法。