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0引言
稱重式包裝機(jī)主要用于顆粒狀、粉末狀及小塊物料的定量稱重及包裝，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品、化工及醫(yī)藥等行業(yè)中。在稱重過程中，因受到物料沖擊、料斗震蕩、物料滯空、物料種類、外部干擾等多種因素影響,致使包裝機(jī)稱重控制系統(tǒng)具有非線性、時變和時滯的特征⑴0傳統(tǒng)PID稱重控制系統(tǒng)精度低、穩(wěn)定性較差，無法獲得滿意的控制效果，影響企業(yè)最佳經(jīng)濟(jì)效益。為提升稱重控制效果，模糊PID算法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等多種智能控制算法被應(yīng)用于包裝機(jī)稱重控制系統(tǒng),并取得一定的效果"T。模糊控制算法無需精確數(shù)學(xué)模型,能夠高效綜合專家知識進(jìn)行控制輸出，具有較好的魯棒性和動態(tài)特性，但因傳統(tǒng)模糊控制的論域范圍、比例/量化因子等參數(shù)設(shè)置固定的原因，難以實(shí)現(xiàn)較高的控制精度，若要提升物料稱重的精確控制，則需增加模糊規(guī)則、語言變量的數(shù)量,造成模糊控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜和難以實(shí)現(xiàn)的問題。針對上述問題，文中以傳統(tǒng)模糊算法為基礎(chǔ),引進(jìn)論域伸縮因子在線調(diào)整輸入輸出變量論域,避免模糊參數(shù)固定而造成的控制誤差，設(shè)計改進(jìn)模糊控制算法對PID控制的三個參數(shù)進(jìn)行精確在線整定，以提高稱重包裝機(jī)的稱重精確度和穩(wěn)定性。
1稱重式包裝機(jī)工作過程
1.1工作過程
如圖1所示，稱重式包裝機(jī)由料倉、一級給料(粗給料)器、二級給料(精給料)器、稱料斗、稱重傳感器、送料系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、給料閥、卸料閥及控制系統(tǒng)等裝置組成，各裝置協(xié)同工作將料倉內(nèi)物料按照設(shè)定要求和精度要求完成粗給料和精給料工作，以實(shí)現(xiàn)物料定量稱重,并通過卸料閥將物料填充到料袋內(nèi)比幻。PLC控制器為控制核心，通過I/O模塊接收來自包裝機(jī)的稱重傳感器信息、閥位狀態(tài)、故障信息等信號，輸出給料閥、卸料閥的閥位控制、閥門開關(guān)信號;送料系統(tǒng)依據(jù)料倉料位傳感器、PLC控制器、送料電機(jī)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)完成物料的輸送工作;傳送系統(tǒng)將完成物料填充的料袋傳送到封口系統(tǒng)，完成料袋封口工作。

1.2給料稱重過程
包裝機(jī)給料稱重時利用觸摸屏設(shè)置物料總重量M等參數(shù),PLC控制器依據(jù)粗給料量計算子程序計算岀粗給料值粗給料系統(tǒng)工作并打開粗給料閥進(jìn)行放料,稱重傳感器實(shí)時檢測稱料斗內(nèi)物料重量，當(dāng)物料達(dá)到Mc時關(guān)閉粗給料閥并打開精給料閥進(jìn)行精給料,PLC控制器按照掃描周期對設(shè)定目標(biāo)值和傳感器檢測值進(jìn)行比較，若達(dá)到設(shè)定值M或允許誤差E范圍內(nèi)，則停止給料,卸料閥打開進(jìn)行卸料;若沒有達(dá)到設(shè)定值心且沒在允許誤差£范圍內(nèi)，則繼續(xù)進(jìn)行精給料工作,直到到達(dá)預(yù)期目標(biāo)，包裝機(jī)給料稱重流程如圖2所示。
由圖2可知，精給料系統(tǒng)是保證包裝機(jī)定量稱重控制精度的關(guān)鍵，也是本文的研究重點(diǎn)。

2.1PID控制器
包裝機(jī)稱重PID控制器是依據(jù)稱重總量設(shè)定值r(t)與稱重傳感器檢測值/(Q的誤差值e(t)進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算輸出控制信號旳)，以消除誤差e(t)的控制過程，其控制原理如圖3所示。

其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

將式(1)轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)形式：

式中Kp、Kl、Kd——控制器比例、積分、微分系數(shù)

2.2模糊PID控制器
模糊控制是基于模糊規(guī)則、模糊推理的一種非線性智能控制算法,其依據(jù)控制原理和專家經(jīng)驗(yàn)而建立,對復(fù)雜或難以精確描述的控制系統(tǒng)具有較好的適用性。包裝機(jī)定量稱重系統(tǒng)比較復(fù)雜,傳統(tǒng)PID控制器因參數(shù)無法自整定而難以實(shí)現(xiàn)較高的控制精度，將模糊控制與PID控制進(jìn)行有效結(jié)合,通過模糊控制規(guī)則在線整定PID參數(shù)以提升稱重控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果⑹。模糊PID稱重控制系統(tǒng)如圖4所示,將稱重設(shè)定值r（t）與稱重檢測值y(t)的偏差e(t)和偏差微分ec（t）輸入模糊控制器，經(jīng)模糊推理獲取e(t)、ec（t）與PID控制器參數(shù)Kp、Kl、Kd的映射模糊值，精確化處理后向PID控制器輸出Kp、Kl、Kd參數(shù)，當(dāng)e(t)、ec(t)實(shí)時變化時，模糊控制器能夠依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)輸出PID參數(shù)，以適應(yīng)當(dāng)前系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求，優(yōu)化后的PID控制器調(diào)節(jié)精給料閥門開度。

2.3改進(jìn)模糊控制算法
傳統(tǒng)模糊控制算法因參數(shù)設(shè)定固定和參數(shù)設(shè)置具有一定的局限性，而難以實(shí)現(xiàn)較精確的控制效果，若要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制系統(tǒng)的精確穩(wěn)定調(diào)節(jié),則需要更加精細(xì)劃分語言變量、增加模糊規(guī)則數(shù)量，進(jìn)而勢必增加模糊控制器設(shè)計的難度和復(fù)雜度⑺。為實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)稱重控制系統(tǒng)精準(zhǔn)稱量，在模糊控制的變量論域中加入伸縮因子，在保證語言變量劃分、控制規(guī)則不變的情況下，可以使變量論域隨稱重誤差增加(減小)而伸張(收縮)，相當(dāng)于局部范圍內(nèi)增加控制規(guī)則數(shù)量，從而消除因論域固定而產(chǎn)生的控制誤差，提高控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度心。
考慮到程序設(shè)計難度和控制系統(tǒng)軟件的處理能力有限，釆用比例形式設(shè)計論域伸張因子。設(shè)定輸入變量e的初始論域?yàn)閇-E,E]、伸縮因子為a(e),則伸縮論域?yàn)閇-a(e)E,a(e)E]，同理設(shè)定模糊控制輸入輸出論域參數(shù)見表l。

包裝機(jī)定量稱重模糊控制輸入輸出變量論域伸縮因子函數(shù)為：

為使包裝機(jī)稱重控制系統(tǒng)有較好控制效果,原則上當(dāng)稱重誤差較小時對論域進(jìn)行收縮，當(dāng)稱重誤差較大時不對論域進(jìn)行伸張,則優(yōu)化輸入變量e的論域伸縮因子為：

3改進(jìn)模糊PID控制器的包裝機(jī)稱重控制系統(tǒng)
由于PID控制器參數(shù)無法自整定，致使PID包裝機(jī)稱重控制系統(tǒng)不能獲得令人滿意的控制效果，結(jié)合模糊控制算法和論域伸縮理論,設(shè)計改進(jìn)模糊PID控制器，以克服稱料斗震蕩、空中滯料及物料沖擊造成的稱重精度低、穩(wěn)定性差的問題。如圖4所示,改進(jìn)模糊PID控制系統(tǒng)通過以下步驟完成物料稱重控制：
PLC控制器將稱重傳感器檢測的物料重量y（t）與物料設(shè)定值r（t）進(jìn)行運(yùn)算獲得e（t）和ec（t）的當(dāng)前值；（2）將e（t）和ec（t）的當(dāng)前值數(shù)據(jù)傳送到論域伸縮調(diào)整子程序，依據(jù)公式（8）、公式（4）、公式（5）、公式（6）、公式（7）計算模糊控制器變量的論域伸縮因子a（e）、a（ec）、P（e,ec）、I（e,ec）、D（e,ec）的當(dāng)前值；（3）模糊控制器依據(jù)變量論域伸縮因子調(diào)整變量論域，并依據(jù)當(dāng)前論域范圍模糊推理獲得PID控制器參數(shù)Kp、Kl、Kd的值,Kp、Kl、Kd模糊控制規(guī)則如表2所示；（4）PID控制器接收模糊控制器傳輸?shù)腜ID參數(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)整定，依據(jù)稱重誤差計算并輸出控制信號;（5）PLC將PID控制輸出信號進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，經(jīng)I/O模塊傳輸?shù)骄o料控制閥，以調(diào)節(jié)閥門開度,實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)。

利用MATLAB軟件的FIS編輯器建立模糊控制器，設(shè)置控制器結(jié)構(gòu)為兩入三出、隸屬度函數(shù)均為三角形隸屬函數(shù),依據(jù)實(shí)際稱重情況設(shè)定變量實(shí)際論域、論域范圍、模糊子集、量化（比例）因子等參數(shù)，使用MATLAB編寫論域伸縮因子代碼，改進(jìn)模糊PID控制器具體參數(shù)見表3。

4仿真與分析
本文對改進(jìn)模糊PID控制器、模糊PID控制器、PID控制器進(jìn)行仿真對比分析，以驗(yàn)證改進(jìn)模糊PID控制器的可行性和適用性。彭博等〔⑺利用系統(tǒng)辨識的方法，獲得包裝機(jī)稱重控制系統(tǒng)模型：

利用Simulink軟件建立改進(jìn)模糊PID控制仿真模型（見圖6）進(jìn)行仿真對比分析，設(shè)定改進(jìn)模糊PID控制器和模糊PID控制器的參數(shù)（見表3）,PID控制器參數(shù)為P=2.574、/=0.427、0=3.393進(jìn)行simulink仿真比較，設(shè)定稱重克重為250g（允許誤差為±3g）,3種控制器的階躍響應(yīng)仿真曲線如圖7所示。當(dāng)稱重設(shè)定值為250g時（見圖7）,傳統(tǒng)PID控制的超調(diào)量約為18.75g、達(dá)到穩(wěn)定時間約為102s,模糊PID控制的超調(diào)量約為4.33g、達(dá)到穩(wěn)定時間約為80s,改進(jìn)模糊PID控制超調(diào)幾乎為零、達(dá)到穩(wěn)定時間約為45s,對比3種控制器仿真曲線的超調(diào)量、響應(yīng)速度、達(dá)到穩(wěn)態(tài)時間，可得:改進(jìn)模糊PID控制相對于模糊PID控制、PID控制具有更好的優(yōu)越性和適用性。

包裝機(jī)在定量稱重過程中存在多種干擾因素,故稱重控制系統(tǒng)要求有較好的抗干擾能力，為驗(yàn)證改進(jìn)模糊PID控制應(yīng)對干擾的魯棒性，在仿真埒160S處添加一個20g的負(fù)向階躍干擾量,對3種控制器的抗干擾能力進(jìn)行仿真對比，仿真曲線如圖8所示。如圖8中所示，添加負(fù)向階躍干擾后傳統(tǒng)PID控制偏離穩(wěn)態(tài)值約為37.8g、再次達(dá)到穩(wěn)態(tài)時間約為80s,模糊PID控制偏離穩(wěn)態(tài)值約為23.9g、再次達(dá)到穩(wěn)態(tài)時間約為34s,改進(jìn)模糊PID偏離穩(wěn)態(tài)值約為11.4g、再次達(dá)到穩(wěn)態(tài)時間約為20s,對比可得:改進(jìn)模糊PID控制抵抗系統(tǒng)擾動能力最強(qiáng)，魯棒性最好。從控制器性能、抗干擾能力仿真對比可知，改進(jìn)模糊PID應(yīng)用于具有非線、時變、時滯的包裝機(jī)稱重控制系統(tǒng)具有更好的優(yōu)越性、有效性。
5結(jié)語
本文對包裝機(jī)稱重控制系統(tǒng)及稱重過程進(jìn)行研究,針對稱重控制系統(tǒng)具有時變、非線性、時滯的特征，為提高定量稱重的精度和穩(wěn)定性，在傳統(tǒng)模糊PID控制的基礎(chǔ)上，引入論域伸縮因子使模糊變量論域能夠跟隨稱重誤差參數(shù)變化而進(jìn)行自動伸縮調(diào)整,設(shè)計一種改進(jìn)模糊PID控制算法。該控制算法避免因模糊變量論域固定、參數(shù)設(shè)置局限等問題造成的稱重誤差,進(jìn)一步優(yōu)化了模糊控制對PID參數(shù)在線整定效果，提升定量稱重控制精度。MATLAB仿真結(jié)果表明:改進(jìn)模糊PID控制算法較模糊PID控制。控制在超調(diào)量、響應(yīng)速度、抗干擾能力等方面均具有優(yōu)越性。將該控制器應(yīng)用于包裝機(jī)稱重系統(tǒng)，能夠提高產(chǎn)品定量稱重的速度和稱重精度，具有一定的應(yīng)用價值。

 

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