咨詢電話
ENGLISH0755-88840386咨詢電話
0755-88840386發(fā)布時(shí)間:2021-05-07 17:46:52 |來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載
定量包裝[1]就是按照預(yù)先設(shè)定的質(zhì)量對物品進(jìn)行包裝,如食品、化肥、藥劑等的包裝。定量包裝機(jī)械的稱重單元一般由儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)節(jié),從而導(dǎo)致定量不夠精確,無法應(yīng)用于精準(zhǔn)定量包裝的場合。由于動(dòng)態(tài)稱重過程的被控對象具有慣性、滯后及時(shí)變等非線性特性,為此文中集中討論模糊控制算法在精準(zhǔn)定量包裝機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
1定量包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)
以顆粒和粉末類物料為例,定量包裝機(jī)由儲(chǔ)料倉、稱重單元、夾袋裝置及自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成,其主體結(jié)構(gòu)見圖1。
儲(chǔ)料倉為緩沖式料倉,用于物料儲(chǔ)備并提供一個(gè)接近均勻的物料流。下料閥門位于儲(chǔ)料倉底部,由控制電機(jī)控制其開度以決定下料速度,在稱重過程中可提供動(dòng)態(tài)下料速度,從而保證定量包裝機(jī)滿足計(jì)量的準(zhǔn)確度要求。在稱量斗上方安裝3個(gè)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(dāng)物料質(zhì)量達(dá)到設(shè)定值時(shí),卸料電磁閥打開,將物料落入袋中。夾袋裝置主要由夾袋機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)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(dòng)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(gè)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(jìn)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(yùn)算后變換為質(zhì)量值,與設(shè)定值比較后計(jì)算出偏差。采用模糊控制算法計(jì)算出當(dāng)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(jī)的驅(qū)動(dòng)量。這里使用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn),故最終的控制量為步進(jìn)電機(jī)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(jī)將下料閥開啟到最大開度(步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)360°)。此時(shí)不使用模糊算法,當(dāng)設(shè)定值與實(shí)際的物料質(zhì)量偏差小于某個(gè)特定值時(shí),再采用模糊算法來實(shí)現(xiàn)精確控制。
3模糊控制算法設(shè)計(jì)
為了使控制規(guī)則易于實(shí)現(xiàn),這里選用二維模糊控制器,以設(shè)定質(zhì)量值和實(shí)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(jìn)電機(jī)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(shí)際控制過程中偏差E無負(fù)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(shí)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(shí)下料閥門采用最大開度而不用模糊算法,故偏差實(shí)際論域取值為0~15000,實(shí)際應(yīng)用時(shí)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(shí)現(xiàn)在偏差較小時(shí)的精準(zhǔn)控制,采用非均勻量化[8]。偏差E模糊論域與實(shí)際論域的對應(yīng)關(guān)系見表1。
因精準(zhǔn)定量包裝過程時(shí)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(gè)運(yùn)算與控制周期進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié),以提高及時(shí)調(diào)整率。偏差變化率也以20ms為周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì),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(yàn),確定了實(shí)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(yàn)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(jìn)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)360°時(shí)下料閥門開度最大,即步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度為實(shí)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(shí)際需求得到的實(shí)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(jìn)電機(jī),為了實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)而不采用細(xì)分控制,故實(shí)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(dāng)偏差很大時(shí),采用粗獷的控制方式,加大下料速度;當(dāng)偏差較小時(shí),采用精細(xì)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(shí)際應(yīng)用時(shí)調(diào)節(jié)放大電路的放大倍數(shù),使400g時(shí)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(gè)運(yùn)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(dá)到設(shè)定值的90%,后面0.4s進(jìn)行精細(xì)下料控制,在0.96s左右達(dá)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(shí)滯等非線性的特性,設(shè)計(jì)了基于模糊控制算法的動(dòng)態(tài)稱重控制系統(tǒng),以改變其控制性能。從實(shí)際應(yīng)用的響應(yīng)曲線可知,系統(tǒng)能夠?qū)?dòng)態(tài)稱重過程實(shí)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(jìn)行合理修改即可應(yīng)用于其它精準(zhǔn)定量包裝過程中。
本文源于網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載,如有侵權(quán),請聯(lián)系刪除
深圳市卓禾儀器有限公司是一家專門從事稱重儀表和全自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線的研發(fā)及生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè),所生產(chǎn)的JY500系列稱重顯示控制器(包括配料秤儀表、皮帶秤儀表、包裝秤儀表、重量變送器等)高速高精度,使用壽命長。卓禾儀器有十?dāng)?shù)年的現(xiàn)場校驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),在業(yè)內(nèi)有良好的口碑,且有專門的售后工程師幫忙解決產(chǎn)品使用過程中遇到的技術(shù)問題,客戶可以放心省心順心的使用我司的產(chǎn)品。如果對我司的產(chǎn)品感興趣,歡迎咨詢。