[发明专利]散袋小包装中药的快速称量方法

权利要求书

1.散袋小包装中药的快速称量方法，包括步骤：

1)建立散袋小包装称重系统等效物理模型：

其中，m为接药槽部分的等效质量；M为待称量药包的质量；y(t)为称重系统的输出信号；g为重力加速度；c为称重系统的等效阻尼系数；k为称重系统等效弹力系数；当散袋小包装中药掉落到接药槽上时，药包就会与接药槽所代表的称重系统同步振动，可以视为给称重系统施加了一个阶跃信号Mgu(t)，其中u(t)代表阶跃信号；经过拉普拉斯变换后得到输出信号：

由于采样得到的信号为离散值，故将Y(s)进行Z变换，得到：

其中a₁、a₂、b₁、b₂是与M、m、c和k相关的参数；将输入端由于噪声引起的称量误差考虑在内，式(3)用差分方程表示为：

y(t)＝-a₁y(t-1)-a₂y(t-2)+b₁u(t-1)+b₂u(t-2)+e(t) (4)

针对式(3)，根据Z变换的终值定理得到稳态时系统输出为：

从而得到待称量药包质量M的计算式：

其中，g为重力加速度，k为称重系统等效弹力系数；

其特征在于：2)基于向量预测误差求取a₁、a₂、b₁、b₂，其包括：

a)定义称重系统采样序列t时刻的标量预测误差为：

式中t＞2，其中：

表示第t个采样点时刻系统的信息向量，表示第t个采样点前一时刻系统的参数辨识结果；y(t)表示第t个采样点采样输出序列，y(t-1)表示第t个采样点前一时刻的采样输出序列，y(t-2)表示第t个采样点前两时刻的采样输出序列；u(t-1)为第t个采样点前一时刻的采样输入序列，u(t-2)为第t个采样点前两时刻的采样输入序列；是参数a₁的估计值，是参数a₂的估计值，是参数b₁的估计值，是参数b₂的估计值；

b)考虑称重系统采样序列从t-p_t+1时刻到t时刻的共p_t组数据，令：

其中：p_t为时间窗长度；表示系统自t时刻向前，p_t范围内的采样输出序列逆序构成的输出向量；表示自t时刻向前，p_t范围内的信息向量逆序构成的信息矩阵；p_t为一变量，随t时刻局部采样数据的统计特性变化而变化，得到扩展后的时间窗长度为p_t的向量预测误差：

表示系统自t时刻向前，p_t范围内的标量预测误差序列逆序构成的向量；鉴于理论上比之前时刻的系统参数的估计值更接近真实值θ，所以用来代替之前时刻系统参数的估计值，故上式可改写为：

由式(13)得到该称重系统基于向量预测误差的辨识模型：

式(14)记为向量预测误差辨识模型；

c)针对向量预测误差辨识模型，定义准则函数：

其中，为向量的2-范数，为准则函数；

d)寻求使得准则函数最小化的得到基于向量预测误差辨识模型的参数估计值，定义矩阵：

则准则函数可写为：

利用向量微分公式对求导并令其结果为0，从而求取使得准则函数最小化的

e)推导的递推计算形式，令：

则有：

利用矩阵求逆定理对上式进行简化后最终推得基于向量预测误差辨识模型的参数辨识递推计算式：

其中，L_t+1为算法增益向量；t+1时刻的参数估计向量是用增益向量L_t+1与向量预测误差的乘积，对t时刻的参数估计向量进行修正；

递推过程如下：

(1)初始化：令起始时刻t₀＝5，即自采样序列第5个采样点时刻起开始递推过程，R₅＝α·I₄，其中α为充分大的正整数，I₄表示4×4的单位矩阵；同时，确定递推迭代次数N；

(2)分析局部采样数据的统计特性，确定时间窗长度p_t；同时，获取称重系统采样输出序列、输入序列根据公式(10)构造输出向量根据公式(8)和公式(11)构造信息矩阵再利用公式(13)求得向量预测误差

(3)根据递推公式中的公式(23)和公式(24)计算出L_t+1和R_t+1，再根据公式(22)计算出

(4)判断t＝t+1是否达到指定迭代次数N，若未成立，则转到步骤(2)继续进行，否则递推过程结束；

3)根据步骤2)获得的a₁、a₂、b₁、b₂和公式(6)得到被称量的散袋小包装中药的重量；

所述的时间窗长度p_t通过如下方法确定：

定义第t个采样时刻时间窗的长度区间为：

p_t∈[P_min,P_max] (25)

其中，P_min表示长度区间的下限值，P_max表示长度区间的上限值，即时间窗长度p_t可以根据采样数据的统计特性在P_min至P_max之间滑动；

定义自t时刻向前的d个系统采样输出值构成的序列的标准差为：

其中，d经试验测试，取d＝5时能较好反应局部数据平稳程度；y_i表示第i个采样时刻的系统采样输出值，表示自t时刻向前的d个系统采样输出值构成的序列的样本均值，其计算式为：

记所述的递推算法起始递推时刻为t₀，通过式(26)求得起始时刻前d个数据的样本标准差，记为S_t0；在采样t时刻利用如下时间窗长度自适应函数来确定时间窗长度p_t：

其中，表示不超过实数的最大整数。

2.根据权利要求1所述的散袋小包装中药的快速称量方法，其特征在于：所述递推过程中α＝10⁷，迭代次数N为8～10。