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單神經(jīng)元ＰＩＤ算法在包裝機(jī)溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間：2020-08-03 11:32:19 |來源：網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

  1. 引言

 

包裝機(jī)，是指將具有熱塑特性的塑料復(fù)合膜經(jīng)加熱軟化制成包裝容器，在一臺(tái)設(shè)備上自動(dòng)完成制袋成型、填充物料、封合剪切等全過程的自動(dòng)包裝設(shè)備［１－３］。塑料復(fù)合膜必須加熱到一定的溫度才能軟化，所以包裝機(jī)控制器必須把加熱設(shè)備的溫度控制在很小范圍內(nèi)。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有很多專用的溫控模塊，但其價(jià)格往往很高，為了節(jié)約成以往的溫度控制方式大多是數(shù)字ＰＩＤ控制，數(shù)字ＰＩＤ控制是一種采樣控制，它是根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來計(jì)算控制量的，由于數(shù)字ＰＩＤ控制具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)靈活，不需要預(yù)先確定被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型以及控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，它廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)電、化工等行業(yè)［４－５］。但數(shù)字ＰＩＤ控制需要預(yù)先整定三個(gè)參數(shù)，對(duì)于溫度控制系統(tǒng)而言，由于溫度的變化緩慢，調(diào)試起來比較繁瑣。神經(jīng)元具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、結(jié)構(gòu)簡單、計(jì)算量小等。

包裝機(jī)溫度控制系統(tǒng)框圖

 

圖１包裝機(jī)溫度控制系統(tǒng)框圖

由于圖１中的Ｋ型熱電偶所測(cè)溫度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)是小信號(hào)，故需要在包裝機(jī)控制器中設(shè)

u（k）＝KΣ矪w（k）x（k） （２）２．２ 有監(jiān)督的Ｈｅｂｂ學(xué)習(xí)規(guī)則

學(xué)習(xí)規(guī)則是修正神經(jīng)元之間的連接強(qiáng)度或加權(quán)系數(shù)的算法，使獲得的知識(shí)結(jié)構(gòu)適應(yīng)周圍環(huán)境的變化。單神經(jīng)元控制器的自適應(yīng)功能是通過學(xué)習(xí)改變連接權(quán)值來實(shí)現(xiàn)的。學(xué)習(xí)算法就是調(diào)整連接權(quán)值wｉ的規(guī)則，它是單神經(jīng)元控制器的核心，并反映了其學(xué)習(xí)的能力。

將無監(jiān)督的Ｈｅｂｂ學(xué)習(xí)規(guī)則和有監(jiān)督的Ｄｅｌｔａ學(xué)習(xí)規(guī)則兩者結(jié)合起來，就組成有監(jiān)督的Ｈｅｂｂ學(xué)習(xí)規(guī)則［１１］，即：

Δwij＝η（di（k）－oi（k））oi（k）oj（k） （３）

２．３

單神經(jīng)元自適應(yīng)ＰＩＤ控制結(jié)構(gòu)圖

 

圖３單神經(jīng)元自適應(yīng)ＰＩＤ控制結(jié)構(gòu)

單神經(jīng)元自適應(yīng)ＰＩＤ控制器的結(jié)構(gòu)如圖３所示。單神經(jīng)元自適應(yīng)ＰＩＤ控制器是通過對(duì)加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自組織功能的，權(quán)系數(shù)的調(diào)整是按有監(jiān)督的Ｈｅｂｂ學(xué)習(xí)規(guī)則實(shí)現(xiàn)的［１２］。

控制算法為：

計(jì)放大電路，將小信號(hào)電壓放大到Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器能學(xué)習(xí)算法為：wp（k）＝w１（k）＝w１（k－１）＋ηpz（k）u（k）x１（k）

（５）

w１（k）＝w２（k）＝w２（k－１）＋η１z（k）u（k）x２（k）

（６）

wD（k）＝w３（k）＝w３（k－１）＋ηDz（k）u（k）x２（k）

（７）比例、積分、微分的自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率分別設(shè)定為０．４、０．５、０．４。當(dāng)神經(jīng)元的比例系數(shù)Ｋ取值較小時(shí)，溫度緩慢上升，u（k）在０～３２７６７之間緩慢上升，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，u（k）并沒有下降，直到溫度大于設(shè)定溫度時(shí)，控制量u（k）才下降，由于Ｋ

取值較小，u（k）變化緩慢，導(dǎo)致溫度超調(diào)過大，因此

wy（k）＝ w１（k） 溫度會(huì)在很長時(shí)間后才會(huì)穩(wěn)定下來；而Ｋ取值較

w１（k）大時(shí)，由于溫度偏差太大，控制器自適應(yīng)學(xué)習(xí)，導(dǎo)致

式中，z（k）＝e（k）＝Td－T（k），x１（k）＝e（k）－

e（k－１），x（k）＝e（k），x（k）＝Δe２（k）＝e（k）u（k）在０～３２７６７之間反復(fù)變化，當(dāng)占空比較大時(shí)，會(huì)加熱封刀，而當(dāng)占空比較小時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致溫度的

－２e（k－１）＋e（k－２），ηp、η１、ηD分別為比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率，K為神經(jīng)元的比例系數(shù)，K＞０。對(duì)比例P、積分I和微分D分別采用了不同的學(xué)習(xí)速率ηP、η１、ηD，以便對(duì)不同的權(quán)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

  1. 試驗(yàn)測(cè)試

將單神經(jīng)元自適應(yīng)ＰＩＤ溫控算法移植到包裝機(jī)控制器ＭＣ５６Ｆ８０３７中，實(shí)時(shí)在線采集封刀或捏紙輪加熱管處的溫度，并將其發(fā)送到觸摸屏實(shí)時(shí)顯示。溫度上下限設(shè)定為±５℃，如果封刀或捏紙輪處的溫度超出上下限將導(dǎo)致包裝機(jī)控制系統(tǒng)的報(bào)警，并產(chǎn)生包裝機(jī)控制系統(tǒng)的緊急停車，暫停包裝機(jī)的正常工作。

神經(jīng)元自適應(yīng)ＰＩＤ算法的控制量ｕ（ｋ）是５６Ｆ８０３７ＰＷＭ模塊輸出脈沖的占空比（ＰＷＭ

配置為Ｃｅｎｔｅｒ-Ａｌｉｇｎｅｄ）［１３］，即ＰＷＭｐｅｒｉｏｄ＝（ＰＷＭｍｏｄｕｌｕｓ）×（ＰＷＭｃｌｏｃｋｐｅｒｉｏｄ）×２ （９）

ＰＷＭｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈ＝（ＰＷＭｖａｌｕｅ）×（ＰＷＭｃｌｏｃｋｐｅｒｉｏｄ）×２ （１０）式（９）為ＰＷＭ周期計(jì)算公式，ＰＷＭｍｏｄｕｌｕｓ由ＣＭＯＤ寄存器決定，本測(cè)試設(shè)置為３２７６７，則ＰＷＭｐｅｒｉｏｄ＝６５５３４×（ＰＷＭｃｌｏｃｋｐｅｒｉｏｄ）

而ＰＷＭ值的變化范圍為０～３２７６７，即控制量u（k）的變化范圍為０～３２７６７。其中，式（９）、

（１０）、（１１）中的ＰＷＭｃｌｏｃｋｐｅｒｉｏｄ為ＰＷＭ模塊輸入時(shí)鐘的時(shí)鐘周期，ＰＷＭｍｏｄｕｌｕｓ由ＣＭＯＤ寄存器決定，用于設(shè)定輸出ＰＷＭ的周期，ＰＷＭｐｅｒｉ-ｏｄ為輸出ＰＷＭ的周期，ＰＷＭｖａｌｕｅ用于設(shè)定輸出ＰＷＭ的占空比，ＰＷＭｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈ為輸出ＰＷＭ高電平的寬度。下降，所以會(huì)出現(xiàn)溫度在升降中上升。

為了縮短溫度的上升時(shí)間，加快整定過程，神經(jīng)元的比例系數(shù)Ｋ?。保啊２捎迷跍囟鹊陀冢保矗啊鏁r(shí)，ＰＷＭ的占空比控制在９０％以上，以加快系統(tǒng)的穩(wěn)定速度，當(dāng)溫度大于１４０℃并且小于１６０℃時(shí)，ＰＷＭ的占空比控制在１０％～９０％之間，以使神經(jīng)元自適應(yīng)在線學(xué)習(xí)和整定ＰＩＤ參數(shù)，當(dāng)溫度大于１６０℃時(shí)，ＰＷＭ占空比控制在０～１０％，從而實(shí)現(xiàn)ＰＩＤ參數(shù)的快速整定。圖４是單通道溫控子系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。包裝機(jī)控制器的速度已經(jīng)很快，所以４路溫控連續(xù)整定沒有問題，但為了提高

控制器的實(shí)時(shí)性，采用控制器每次循環(huán)只整定１路，４次循環(huán)就把４路都整定一遍，每隔１ｓ同時(shí)改變４路的ＰＷＭ占空比值，可以有效地提高ＰＷＭ模塊的效率［１４］。

圖４表明誤差能夠控制在±１℃，這是Ｋ型熱電偶的電壓采集模塊ＡＤＣ的精度以及ＰＷＭ占空比分辨率決定的，如果溫度采集精度達(dá)到０．１℃并且增大ＰＷＭ占空比的范圍，理論上講，誤差能夠控制在±０．１℃。

 

單通道溫控子系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果圖

 

  1. 結(jié)論

 

實(shí)現(xiàn)了單神經(jīng)元自適應(yīng)ＰＩＤ算法在包裝機(jī)溫度控制子系統(tǒng)中的應(yīng)用，并成功將其移植到包裝機(jī)控制系統(tǒng)中，從控制效果來看，溫度能夠保持在１４９～１５１℃，沒有超出設(shè)定的上下限溫度范圍，從而有效提高包裝機(jī)的控制性能，為包裝機(jī)的正常工作提供保障。

 

 

3 結(jié)束語

 

試驗(yàn)利用微生物法對(duì)嬰幼兒乳粉中的生物素含量進(jìn)行測(cè)定，所測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)曲線在０．１ｎｇ～１ｎｇ范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，線性相關(guān)系數(shù)為０．９９８９，所測(cè)樣品RSD為２．８％（n＝６），標(biāo)準(zhǔn)品平均回收率在８９．３％～９７．７％之間。表明該方法重現(xiàn)性較好，穩(wěn)定可靠，適用于嬰幼兒乳粉中生物素含量的測(cè)定。

微生物法雖然存在操作步驟繁瑣、工作量大、檢測(cè)周期較長、微生物菌種保藏困難及操作過程容易發(fā)生污染等缺點(diǎn)，但與其他方法相比而言，微生物法應(yīng)用歷史悠久、方法較為成熟、先期投入成本低，比較容易開展。更為重要的是，微生物對(duì)有活性的生物素具有特異性。換句話說，只有具有生物活性的生物素才可以被人或動(dòng)物吸收利用，微生物法測(cè)試的正是具有生物活性的那部分生物素，這對(duì)于測(cè)定嬰幼兒乳粉中活性生物素的含量有著其他方法無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

 

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