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定量包裝［1］就是按照預(yù)先設(shè)定的質(zhì)量對物品進行包裝，如食品、化肥、藥劑等的包裝。定量包裝機械的稱重單元一般由儲料倉、閘門、截料裝置、秤體等組成，定量的精度則取決于截料裝置和秤體。由于傳統(tǒng)的截料裝置一般都在使用前設(shè)定好下料速度，一般分為快、中、慢3檔，無法在包裝過程中實現(xiàn)動態(tài)的精準調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致定量不夠精確，無法應(yīng)用于精準定量包裝的場合。由于動態(tài)稱重過程的被控對象具有慣性、滯后及時變等非線性特性，為此文中集中討論模糊控制算法在精準定量包裝機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
1定量包裝機的結(jié)構(gòu)
以顆粒和粉末類物料為例，定量包裝機由儲料倉、稱重單元、夾袋裝置及自動控制系統(tǒng)等組成，其主體結(jié)構(gòu)見圖1。

儲料倉為緩沖式料倉，用于物料儲備并提供一個接近均勻的物料流。下料閥門位于儲料倉底部，由控制電機控制其開度以決定下料速度，在稱重過程中可提供動態(tài)下料速度，從而保證定量包裝機滿足計量的準確度要求。在稱量斗上方安裝3個HBB波紋管稱重傳感器，三者分別成120°，完成重量到電信號的轉(zhuǎn)變并傳給控制系統(tǒng)。當物料質(zhì)量達到設(shè)定值時，卸料電磁閥打開，將物料落入袋中。夾袋裝置主要由夾袋機構(gòu)、氣動元件等組成，作用為夾緊包裝袋，讓稱重完畢的物料全部落入包裝袋。自動控制系統(tǒng)由稱重顯示控制器、微控制器、電子元件及控制柜組成，作為控制核心，使整個系統(tǒng)按預(yù)先設(shè)定的程序工作［2－3］。
2定量控制原理
稱重傳感器檢測到的弱電壓信號經(jīng)放大、濾波等調(diào)理電路后，進入16位A/D轉(zhuǎn)換器，核心控制器STM32讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果并經(jīng)過數(shù)字濾波及運算后變換為質(zhì)量值，與設(shè)定值比較后計算出偏差。采用模糊控制算法計算出當前偏差下需要的下料閥門開度，并將該開度值轉(zhuǎn)換為控制電機的驅(qū)動量。這里使用步進電機實現(xiàn)，故最終的控制量為步進電機旋轉(zhuǎn)的角度［4－5］?？刂葡到y(tǒng)原理見圖2。

為保證包裝速度，在定量包裝開始后，下料控制電機將下料閥開啟到最大開度(步進電機正轉(zhuǎn)360°)。此時不使用模糊算法，當設(shè)定值與實際的物料質(zhì)量偏差小于某個特定值時，再采用模糊算法來實現(xiàn)精確控制。
3模糊控制算法設(shè)計
為了使控制規(guī)則易于實現(xiàn)，這里選用二維模糊控制器，以設(shè)定質(zhì)量值和實際質(zhì)量值的偏差E及偏差的變化率EC作為模糊控制器的輸入，并采用絕對式的模糊算法，即閥門開啟的程度作為控制器的輸出U，對應(yīng)的是步進電機旋轉(zhuǎn)的角度［6－7］。
3．1輸入量的模糊化
因系統(tǒng)沒有將落入稱量斗的物料取出的功能，故實際控制過程中偏差E無負值，偏差變化率EC只能逐漸減小。
為討論方便，以A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)果范圍作為偏差E的實際論域，16位A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)果范圍是0～65535。因偏差過大時下料閥門采用最大開度而不用模糊算法，故偏差實際論域取值為0～15000，實際應(yīng)用時將其乘以特定的系數(shù)即可變?yōu)橄鄳?yīng)的質(zhì)量值。偏差E的模糊論域取值為［0，12］。為了實現(xiàn)在偏差較小時的精準控制，采用非均勻量化［8］。偏差E模糊論域與實際論域的對應(yīng)關(guān)系見表1。

因精準定量包裝過程時間較短，一般在幾秒，故采用100K/s的高速采樣方式，以20ms為一個運算與控制周期進行步進電機調(diào)節(jié)，以提高及時調(diào)整率。偏差變化率也以20ms為周期進行統(tǒng)計，以上一次的偏差減去本次的偏差作為偏差變化值。偏差變化率EC的模糊論域取值為［0，10］，經(jīng)多次試驗，確定了實際與模糊論域的對應(yīng)關(guān)系，見表2。

3．2模糊控制規(guī)則
將控制量的模糊論域取值為［0，10］，即將下料閥門開啟程度分為11檔，0對應(yīng)閥門關(guān)閉，10對應(yīng)閥門開度最大狀態(tài)［9］。根據(jù)試驗的結(jié)果，調(diào)整后的模糊規(guī)則見表3。

3．3控制量解模糊
設(shè)步進電機正向旋轉(zhuǎn)360°時下料閥門開度最大，即步進電機的旋轉(zhuǎn)角度為實際控制量，其取值范圍是0～360°，而控制量U的模糊論域取值為［0，10］，故根據(jù)實際需求得到的實際控制量與模糊控制量的對應(yīng)關(guān)系見表4。這里選用步距角為1．8°的步進電機，為了實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)而不采用細分控制，故實際輸出選取1．8°的整數(shù)倍。

既要保證足夠的包裝速度，又要保證定量的高精度，采用控制思想:當偏差很大時，采用粗獷的控制方式，加大下料速度;當偏差較小時，采用精細控制，故將較小的下料速度多分幾檔(1～3)［10］。
3．4控制效果
以包裝400g的蘇打粉為例，實際應(yīng)用時調(diào)節(jié)放大電路的放大倍數(shù)，使400g時A/D轉(zhuǎn)換器的輸出在40000左右(滿量程的60%左右)，這樣可以提高采樣精度。每2個運算周期(40ms)從串口輸出相應(yīng)的質(zhì)量值，得到響應(yīng)曲線，見圖3。從曲線可以看出，在0．56s左右下料量達到設(shè)定值的90%，后面0．4s進行精細下料控制，在0．96s左右達到設(shè)定值。

4結(jié)論
針對定量包裝的被控對象具有慣性、時滯等非線性的特性，設(shè)計了基于模糊控制算法的動態(tài)稱重控制系統(tǒng)，以改變其控制性能。從實際應(yīng)用的響應(yīng)曲線可知，系統(tǒng)能夠?qū)討B(tài)稱重過程實施有效控制，并在保證包裝速度的基礎(chǔ)上將定量精度提高到0．2%。此系統(tǒng)算法有廣闊的應(yīng)用前景，對下料控制方式進行合理修改即可應(yīng)用于其它精準定量包裝過程中。

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