基于模糊PID的顆粒食品定量稱量控制

彭小容，彭小玲

1. 重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院（重慶 402260）；2. 浙江長(zhǎng)征職業(yè)技術(shù)學(xué)院（杭州 310023）

顆粒食品定量分裝控制技術(shù)是結(jié)合動(dòng)態(tài)稱量技術(shù)，將顆粒食品按照預(yù)定重量進(jìn)行分裝，實(shí)時(shí)控制分裝機(jī)的下料、粉料等過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)顆粒食品的在線自動(dòng)定量稱量的控制技術(shù)[1-2]。顆粒食品在下料稱量過(guò)程中，顆粒食品具有較好的流動(dòng)性，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)的控制方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確定量稱量，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于顆粒食品定量稱量技術(shù)還并不太成熟。因此為了提升顆粒食品定量稱量，對(duì)稱量機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究顯得非常有必要。

定量稱量分裝機(jī)在顆粒食品自動(dòng)定量稱量重有著廣泛的應(yīng)用，顆粒食品由于在下落過(guò)程中通常存在振動(dòng)等情況，在動(dòng)態(tài)稱量過(guò)程中存在著非線性、時(shí)變性、不確定性。當(dāng)加快稱重速度時(shí)，顆粒食品會(huì)落到稱量容器中，由于產(chǎn)生較大的沖擊從而引起機(jī)械設(shè)備的震動(dòng)導(dǎo)致產(chǎn)生稱量誤差，從而影響稱量精度。

顆粒食品的定量稱量是指將物料進(jìn)行在線稱量，使其質(zhì)量達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值，控制系統(tǒng)根據(jù)稱重傳感器反饋信號(hào)對(duì)電磁鐵以及電機(jī)進(jìn)行修正控制。在食品定量稱量系統(tǒng)中用戶可以根據(jù)具體的稱重產(chǎn)品，通過(guò)人機(jī)觸摸屏設(shè)定稱重質(zhì)量，然后控制器根據(jù)具體算法計(jì)算出電磁鐵的振動(dòng)量，使物料能夠快速實(shí)現(xiàn)高精度稱量。稱重機(jī)因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境的不同，稱重機(jī)具體參數(shù)會(huì)出現(xiàn)不同程度的變化，此外由稱量過(guò)程中食品顆粒大小的不確定性，物料再落入料斗過(guò)程中具有一定的沖擊性，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)食品落下量控制出現(xiàn)較大誤差。在稱重過(guò)程中，通常采用PID進(jìn)行控制，但PID控制針對(duì)時(shí)變性、非線性的稱重系統(tǒng)控制效果較差。

模糊控制并不需要對(duì)控制對(duì)象建立精確的數(shù)學(xué)模型，模糊控制是建立在人工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上并采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的中智能閉環(huán)自動(dòng)控制。模糊控制算法主要是通過(guò)專家對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制經(jīng)驗(yàn)作為依據(jù)而設(shè)計(jì)的控制器，通過(guò)語(yǔ)言變量代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)學(xué)變量，具有很強(qiáng)的魯棒特性。為了提高稱重機(jī)稱量控制精度，實(shí)現(xiàn)稱重機(jī)自動(dòng)化、智能化控制，設(shè)計(jì)了一款基于模糊PID的食品定量稱量控制系統(tǒng)，通過(guò)模糊控制理論實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線自適應(yīng)調(diào)整，試驗(yàn)結(jié)果表明該控制系統(tǒng)能夠?qū)⒖刂凭瓤刂圃凇? g，完全能夠滿足稱重精度要求。

1 食品定量稱重系統(tǒng)

食品定量稱重機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]，稱量機(jī)能夠自動(dòng)完成食品稱量并完成包裝。稱重機(jī)主要設(shè)備由下料裝置、稱重設(shè)備以及控制系統(tǒng)等組成。顆粒食品通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)物料的均勻下料。為了防止剩余物料的下落，通過(guò)下料口截?cái)嚅y控制。稱重控制器收到上位機(jī)下發(fā)的開始稱重指令后，稱重控制器給給料裝置A和B發(fā)出控制信號(hào)，料斗開始進(jìn)行粗給料快速下料，食品進(jìn)入到稱斗后，由稱斗中的稱重傳感器采集重量信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊傳送到控制器中。控制器通過(guò)比較當(dāng)前采集到的食品重量與目標(biāo)重量的偏差，當(dāng)偏差在一定范圍中時(shí)，控制器對(duì)給料裝置發(fā)出精給料信號(hào)開始進(jìn)行緩慢下料，通過(guò)緩慢下料進(jìn)行精確稱重。

圖1 食品定量稱重機(jī)結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要通過(guò)PLC控制器、伺服系統(tǒng)以及觸摸屏等設(shè)備組成。在稱重機(jī)工作過(guò)程中，稱重傳感器實(shí)時(shí)對(duì)稱重物料重量信號(hào)進(jìn)行采集，然后經(jīng)過(guò)模擬量采集模塊實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化成數(shù)字量后，最終傳送到PLC中，為后續(xù)控制算法提供依據(jù)。根據(jù)顆粒食品稱量包裝的工藝流程以及控制要求，控制系統(tǒng)硬件配置如表1所示。

表1 硬件配置

為了提高食品稱重系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)抗干擾能力，采用抗干擾能力強(qiáng)的PLC和觸摸屏相結(jié)合的控制方式[4-7]，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。控制系統(tǒng)主要組成為：

（1）控制器CPU：控制器核心由松下FP-XC60R實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、核心算法運(yùn)算，并將模擬量模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

（2）A/D采集模塊，AD采集模塊主要負(fù)責(zé)采集稱重傳感器信號(hào)，并通過(guò)轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并由PLC完成重量偏差計(jì)算。

（3）稱重傳感器：稱重傳感器主要負(fù)責(zé)測(cè)量稱量斗內(nèi)的食品重量，并將其傳送到A/D模塊中。

（4）伺服電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器：通過(guò)PLC對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖和脈沖頻率，再由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)完成下料和關(guān)閉下料閥門等動(dòng)作。

（5）觸摸屏：觸摸屏主要負(fù)責(zé)稱重包裝參數(shù)設(shè)置、部分命令下發(fā)、數(shù)據(jù)采集以及故障監(jiān)控。

（6）顯示基板：顯示基板為觸摸屏冗余，主要作用同觸摸屏完全相同，在觸摸屏出現(xiàn)故障情況下同樣能夠采集數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)、下發(fā)運(yùn)轉(zhuǎn)指令。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

食品稱量機(jī)控制器工作環(huán)境通常較為惡劣，電子設(shè)備往往會(huì)受到外部因素干擾，而稱重機(jī)較為關(guān)鍵的電子設(shè)備便是稱重傳感器，傳感器傳感器經(jīng)過(guò)放大電路放大后，再經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換等處理后送入到PLC模擬量采集模塊中，經(jīng)過(guò)各種稱重傳感器的考察，最終選擇ZEMIC生產(chǎn)的L6J橋式電阻應(yīng)變式稱重傳感器，圖3為傳感器內(nèi)部電路。

圖3 傳感器內(nèi)部電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)流程

根據(jù)顆粒食品稱量工藝要求以及控制要求進(jìn)行軟件編程，控制系統(tǒng)流程如圖4所示。根據(jù)圖4控制流程對(duì)軟件進(jìn)行模塊編程，保證PLC能夠按照?qǐng)D4所示邏輯進(jìn)行動(dòng)作，從而達(dá)到精確、自動(dòng)稱量包裝的功能。

3.2 模糊PID控制

為了提高稱重精度，需要對(duì)下料速度進(jìn)行控制，在控制中通常采用PID進(jìn)行控制。PID控制因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域中被廣泛使用。PID控制器是將目標(biāo)質(zhì)量與實(shí)際采集質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，得到最終的控制器輸出，PID控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 控制系統(tǒng)流程

圖5 傳統(tǒng)PID控制器

傳統(tǒng)PID數(shù)學(xué)模型可描述為：

式中：y(t)為食品質(zhì)量采集值，r(t)為系統(tǒng)設(shè)定目標(biāo)值，e(t)為測(cè)量值與設(shè)定值偏差。

上述PID控制器參數(shù)固定不變，不能根據(jù)系統(tǒng)變化進(jìn)行變化，從而導(dǎo)致控制效果不理想。為了提高控制器的自適應(yīng)能力，在PID控制器中引入了模糊控制，通過(guò)模糊規(guī)則對(duì)PID控制器中的參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整[8-9]。模糊PID控制器參數(shù)調(diào)整方式為：

式中：Kp、Ki、Kd為PID控制器初始參數(shù)，ΔKp、ΔKi、ΔKd為通過(guò)模糊控制理論得到的PID參數(shù)的調(diào)整量。通過(guò)食品顆粒質(zhì)量偏差e(t)和偏差變化率ec，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊規(guī)則對(duì)其參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖6 模糊PID控制器

取e、ec、ΔKP、ΔKi、ΔKd的模糊集合論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。其模糊集合為{PM，NM，NS，ZO，PS，PB，PM}。e、ec以及ΔKP、ΔKi、ΔKd隸屬函數(shù)形狀如圖7所示。

圖7 隸屬度函數(shù)關(guān)系

4 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的食品定量稱重控制系統(tǒng)的有效性，對(duì)控制系統(tǒng)分別采用PID控制和模糊PID控制兩種控制方式進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)分析，試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)定質(zhì)量為200 g，實(shí)時(shí)對(duì)成品進(jìn)行稱量并記錄。部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，采用傳統(tǒng)PID控制時(shí)最終的食品稱量質(zhì)量波動(dòng)較大，最大誤差高達(dá)5 g，而采用模糊PID控制算法時(shí)，稱量質(zhì)量最大誤差不超過(guò)±1 g，且質(zhì)量波動(dòng)較小。由此試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的食品顆粒稱量控制系統(tǒng)控制效果較為理想，能夠顯著提高稱量質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了以松下PLC為控制核心、以觸摸屏作為人機(jī)交互的食品定量稱量控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上給出了系統(tǒng)軟件流程，分析了傳統(tǒng)PID控制方法的缺陷，并在傳統(tǒng)PID控制器中引入了模糊控制方法，形成了模糊PID控制。最后對(duì)傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制分別進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)結(jié)果表明，模糊PID控制器控制精度能夠達(dá)到±1 g，控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器。該控制系統(tǒng)能夠顯著提高稱重系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，對(duì)提升食品稱量包裝企業(yè)生產(chǎn)效率具有重要意義。