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0引言
隨著現(xiàn)在生活水平的提高，定量包裝已經(jīng)在生產(chǎn)和生活中無處不在，包括食品、化肥、飼料等行業(yè)。在定量稱重環(huán)節(jié)中，一般包括料倉、加料裝置和秤體等部分組成。定量精度在判斷定料包裝機優(yōu)劣中是非常重要的一個因素。然而在定量包裝中，影響定量精度的主要環(huán)節(jié)是加料裝置和秤體兩個部分。定量下料控制中的誤差并不能完全被消除，特別是物料的沖擊力以及空中落料的影響u。目前，本公司大量生產(chǎn)的定量包裝機是在使用之前就已經(jīng)設定好兩個固定的速度，包括快加檔和慢加檔，在包裝機工作過程中無法實現(xiàn)精確的動態(tài)控制，只能按照提前設定好的電機速度進行加料，導致生產(chǎn)的包裝機無法使用在精度較高的場合。根據(jù)公司的發(fā)展要求，對定量包裝機進行技術提升來提高定量包裝精度，由于動態(tài)稱重的被控對象具有非線性特性，所以本次設計中將模糊控制的方法來應用于動態(tài)定量包裝控制系統(tǒng)。
1定量包裝秤的結構
圖l為本次設計的定量包裝秤的組成簡圖。本次設計的包裝秤能夠包裝各種顆粒和粉料，每袋包裝的容量是25kg，容許的誤差在0．2％，主要包括料倉、稱重裝置、夾袋機構和自動控制系統(tǒng)等組成。
加料倉采用緩沖料倉，主要是為了提供比較均勻的物料。本次設計的包裝機包裝的物料主要是粉末物料，采用的加料方式是螺旋加料，通過調節(jié)伺服電機的轉速來改變加料速度的快慢，從而來滿足動態(tài)包裝的精度要求。稱重環(huán)節(jié)中采用的是托利多生產(chǎn)的IL系列稱重傳感器，安裝在結構的左側，如圖l所示，將物料的重量轉化為電信號傳送給控制系統(tǒng)。本次控制系統(tǒng)由西門子200系~IJPLC、UNIPULSE的F701稱重顯示儀表、電控箱等組成，使整個包裝機按照PLC編寫的程序進行控制。硬件控制流程圖如圖2所示。

2定量控制原理
本次對包裝機進行改造的過程中，定量控制總體還是保留二級加料的加料方式，即開始的時候采用快加料，當?shù)竭_設定值的約90％／J11料量時，改成慢加料以滿足稱重精度的要求。在剛開始的時候，即定量稱重誤差比較大時，采用恒定的快加料控制，來滿足速度的要求；當稱重誤差小于某一特定值的時候，進行變速模糊控制，以保證定量下料的精度。圖3為定量下料稱重模糊控制自動控制系統(tǒng)。

在定量控制中，稱重傳感器檢測到的電壓信號進入F701儀表的放大、濾波等電路，通過A／D轉換器，然后經(jīng)過儀表內部的控制器轉換為重量值，與設定值進行比較得到偏差值。在恒速快加料結束之后，采用模糊控制算法計算出在該偏差下的螺桿的下料量，通過該下料量得出電機的驅動量。包裝過程中控制螺旋加料的電機為伺服電機，通過控制電壓值來控制電機的轉速，從而來控制螺旋下料的速度。圖4為控制系統(tǒng)原理圖。

3模糊控制設計
圖5為模糊控制器的基本結構框圖。控制器采用工程上使用比較成功的二維模糊控制器，以實際下料的重量與給定重量的偏差e和偏差的變化率ec作為模糊控制器的輸入，伺服電機的轉速作為輸出u。
3．1精確量模糊化

模糊化的主要作用是將輸入的精確量轉化為模糊量’”。定量下料模糊控制系統(tǒng)和一般采用模糊控制的系統(tǒng)還是有區(qū)別的，區(qū)別就在于定量下料系統(tǒng)是一個單向逼近式的過程，也就是落下的料是不能收回的，所以偏差e就無負值，偏差變化率ec就逐漸減少。針對設計的包裝機，理論誤差是0~25000g。但是根據(jù)設計的要求，在剛開始加料的時候采用恒速加料的形式，當偏差小于10000g的時候采用模糊控制的方法進行加料速度的控制。偏差的模糊論域定為【O，lO]，對偏差較小的這部分進行非均勻量化，得出偏差e的模糊論域與實際論域的關系表如表1所示。偏差的變化率的模糊論域取值為[0，8]，經(jīng)過多次的測試，得出模糊論域與實際論域的關系表如表2所示。在包裝過程中，進行精確加料的過程一般時間是比較短的，按照以前的慢加料精度加料的時間，一般只有2-3秒鐘的時間，所以在設計的過程中采用100次／秒的采樣方式，從而提高采樣率來提高精度。

3．2模糊控制規(guī)則
在本次設計中，要想使模糊控制能否能夠精確地控制定量包裝機的下料過程，那么關鍵的地方就是看選取的模糊控制規(guī)則是否合適。控制量U的模糊論域為[0，l0】，其中0檔所代表的就是轉速最慢，10檔所代表的就是轉速最快。根據(jù)推理規(guī)則，經(jīng)過試驗測試，進行多次調整，得到的模糊控制表如表3所示。

3．3控制量反模糊化
上面所得到的控制量是模糊量，但是實際控制下料快慢的是精確量，所以要得到實際的精確控制量。在定量下料裝置中，控制下料的是伺服電機，伺服電機中使用速度控制模式，10V所對應伺服電機的速度是最快的。伺服電機對應的電壓范圍是0~10V，模糊論域為【0，8】，所以實際控制量與模糊控制量的對應關系如表4所示。

4模糊控制算法的PLC實現(xiàn)

在本次的定量系統(tǒng)改造中，硬件方面采用的西門子公司S7—200型PLCu?。模糊算法的設計流程如圖6所示。在這次程序設計中，結合現(xiàn)場采用模糊控制查詢表的方法，對離線已經(jīng)設計好的控制表進行的數(shù)據(jù)和Vw11O開始的11數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)相比較，并且將VW106中的數(shù)據(jù)和VW132開始的9數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)相比較，若和某個數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)相同，所對應的中間繼電器(~I：IM0．0)置1。根據(jù)中間繼電器的狀態(tài)將查詢的輸出值送入數(shù)據(jù)寄存器VW400中。實現(xiàn)的部分程序如下所示。

STL部分程序圖
LD 10．0
LPS
AW = VW 104．VW 1 10
= M 0．0
LRD
AW = VW 104，VW 1 12
= M 0．1
LRD
AW = VW 106，VW 144
= M 2．6
LRD
AW = VW 106．VW 146
= M 3．0
LD M0．0
A M 2．0
M 0VW VW 150．VW 400
LD M0．O
A M 2．1
M 0VW VW 152．VW 400
LD M 1．3
A M 3．2
M oVW VW 348．VW 400
5結論
本次為公司進行技術改進過程中，針對動態(tài)稱重過程中存在空中落料和物料沖擊等非線性特性，將西門子PLC實現(xiàn)模糊控制運用于定量稱重系統(tǒng)上。經(jīng)過多次測試，在保證160包／h的速度基礎上將精度提高到0．2％。將PLC來實現(xiàn)模糊控制比其他控制器實現(xiàn)定量包裝能滿足適應能力強來運用于環(huán)境比較復雜的工廠環(huán)境。本次設計得到了公司的一致認可，將控制算法稍加改動就可以應用于公司其它的定量包裝設備中。

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