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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(wú)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(cāng)、加料裝置和秤體等部分組成。定量精度在判斷定料包裝機(jī)優(yōu)劣中是非常重要的一個(gè)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(gè)部分[1]。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[1,2]。目前，本公司大量生產(chǎn)的定量包裝機(jī)是在使用之前就已經(jīng)設(shè)定好兩個(gè)固定的速度，包括快加檔和慢加檔，在包裝機(jī)工作過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的動(dòng)態(tài)控制，只能按照提前設(shè)定好的電機(jī)速度進(jìn)行加料，導(dǎo)致生產(chǎn)的包裝機(jī)無(wú)法使用在精度較高的場(chǎng)合。根據(jù)公司的發(fā)展要求，對(duì)定量包裝機(jī)進(jìn)行技術(shù)提升來(lái)提高定量包裝精度，由于動(dòng)態(tài)稱重的被控對(duì)象具有非線性特性，所以本次設(shè)計(jì)中將模糊控制的方法來(lái)應(yīng)用于動(dòng)態(tài)定量包裝控制系統(tǒng)。
1定量包裝秤的結(jié)構(gòu)
圖1為本次設(shè)計(jì)的定量包裝秤的組成簡(jiǎn)圖。本次設(shè)計(jì)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(cāng)、稱重裝置、夾袋機(jī)構(gòu)和自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。加料倉(cāng)采用緩沖料倉(cāng)，主要是為了提供比較
均勻的物料。本次設(shè)計(jì)的包裝機(jī)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(guò)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變加料速度的快慢，從而來(lái)滿足動(dòng)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(jié)構(gòu)的左側(cè)，如圖1所示，將物料的重量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送給控制系統(tǒng)。本次控制系統(tǒng)由西門子200系列PLC、UNIPULSE的F701稱重顯示儀表、電控箱等組成，使整個(gè)包裝機(jī)按照PLC編寫的程序進(jìn)行控制。硬件控制流程圖如圖2所示。

1.除塵接管；2.氣振動(dòng)；3.緩沖料倉(cāng)；4.蝶閥；5.呼吸帽；
6.伺服電機(jī)；7.減速機(jī)；8.呼吸帽；9.攪拌棒；10.螺桿；
11.氣缸；12.漲袋裝置；13.稱重傳感器；14.托袋架
圖1    定量包裝秤組成簡(jiǎn)圖

圖2    硬件控制流程圖

2定量控制原理
本次對(duì)包裝機(jī)進(jìn)行改造的過(guò)程中，定量控制總體還是保留二級(jí)加料的加料方式，即開始的時(shí)候采用快加料，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定值的約90%加料量時(shí), 改成慢加料以滿足稱重精度的要求。在剛開始的時(shí)候，即定量稱重誤差比較大時(shí)，采用恒定的快加料控制，來(lái)滿足速度的要求；當(dāng)稱重誤差小于某一特定值的時(shí)候，進(jìn)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(dòng)控制系統(tǒng)。

圖3 自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
在定量控制中，稱重傳感器檢測(cè)到的電壓信號(hào)進(jìn)入F701儀表的放大、濾波等電路，通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器，然后經(jīng)過(guò)儀表內(nèi)部的控制器轉(zhuǎn)換為重量值，與設(shè)定值進(jìn)行比較得到偏差值。在恒速快加料結(jié)束之后，采用模糊控制算法計(jì)算出在該偏差下的螺桿的下料量，通過(guò)該下料量得出電機(jī)的驅(qū)動(dòng)量。包裝過(guò)程中控制螺旋加料的電機(jī)為伺服電機(jī)，通過(guò)控制電壓值來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而來(lái)控制螺旋下料的速度[3]。圖4為控制系統(tǒng)原理圖。

圖4    控制系統(tǒng)原理圖
3模糊控制設(shè)計(jì)
圖5為模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)框圖?？刂破鞑捎霉こ躺鲜褂帽容^成功的二維模糊控制器，以實(shí)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(jī)的轉(zhuǎn)速作為輸出u[4,5]。
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(zhuǎn)化為模糊量[6,7]。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

圖5 模糊控制基本結(jié)構(gòu)圖
下料系統(tǒng)是一個(gè)單向逼近式的過(guò)程，也就是落下的料是不能收回的，所以偏差e就無(wú)負(fù)值，偏差變化率ec就逐漸減少。針對(duì)設(shè)計(jì)的包裝機(jī)，理論誤差是0~25000g。但是根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，在剛開始加料的時(shí)候采用恒速加料的形式，當(dāng)偏差小于10000g的時(shí)候采用模糊控制的方法進(jìn)行加料速度的控制。偏差的模糊論域定為[0,10]，對(duì)偏差較小的這部分進(jìn)行非均勻量化,得出偏差e的模糊論域與實(shí)際論域的關(guān)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(guò)多次的測(cè)試，得出模糊論域與實(shí)際論域的關(guān)系表如表2所示。在包裝過(guò)程中，進(jìn)行精確加料的過(guò)程一般時(shí)間是比較短的， 按照以前的慢加料精度加料的時(shí)間，一般只有2~3 秒鐘的時(shí)間，所以在設(shè)計(jì)的過(guò)程中采用100次/秒的采樣方式，從而提高采樣率來(lái)提高精度。

3.2模糊控制規(guī)則
在本次設(shè)計(jì)中，要想使模糊控制能否能夠精確地控制定量包裝機(jī)的下料過(guò)程，那么關(guān)鍵的地方就是看選取的模糊控制規(guī)則是否合適?？刂屏縐的模糊論域?yàn)閇0,10]，其中0檔所代表的就是轉(zhuǎn)速最慢，10檔所代表的就是轉(zhuǎn)速最快。根據(jù)推理規(guī)則，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，進(jìn)行多次調(diào)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(shí)際控制下料快慢的是精確量，所以要得到實(shí)際的精確控制量[8,9]。在定量下料裝置中，控制下料的是伺 服電機(jī)，伺服電機(jī)中使用速度控制模式，10V所對(duì)應(yīng)伺服電機(jī)的速度是最快的。伺服電機(jī)對(duì)應(yīng)的電壓范圍是0~10V，模糊論域?yàn)閇0,8]，所以實(shí)際控制量與模糊控制量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。

的數(shù)據(jù)和VW110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(gè)數(shù)據(jù)寄存器實(shí)際值

中的數(shù)據(jù)相同。

4模糊控制算法的PLC實(shí)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PLC[10]。模糊算法的設(shè)計(jì)流程如圖6所示。
在這次程序設(shè)計(jì)中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采用模糊控制查詢表的方法，對(duì)離線已經(jīng)設(shè)計(jì)好的控制表進(jìn)行查詢。這個(gè)在PLC實(shí)現(xiàn)模糊控制中是非常關(guān)鍵的步驟。根據(jù)程序圖中所示，將采樣到已經(jīng)量化過(guò)的偏差E、偏差變化Ec分別放在了VW104和VW106 中。將偏差E的模糊論域放在VW110開始的連續(xù)11個(gè)數(shù)據(jù)寄存器中，偏差變化Ec的模糊論域放在VW132開始的連續(xù)9個(gè)數(shù)據(jù)寄存器中。將VW104中據(jù)寄存器VW400中。實(shí)現(xiàn)的部分程序如下所示。
STL 部分程序圖
LD    I0.0 LPS
AW=    VW104, VW110
=    M0.0 LRD
AW=    VW104, VW112
=    M0.1
……
LRD
AW=    VW106, VW144
=    M2.6 LRD
AW=    VW106, VW146
=    M3.0
LD    M0.0
A    M2.0
MOVW VW150, VW400 LD    M0.0
A    M2.1
MOVW VW152, VW400
……
LD    M1.3
A    M3.2
MOVW VW348, VW400

5結(jié)論
本次為公司進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)過(guò)程中，針對(duì)動(dòng)態(tài)稱重過(guò)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(shí)現(xiàn)模糊控制運(yùn)用于定量稱重系統(tǒng)上。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，在保證160包/h的速度基礎(chǔ)上將精度提高到0.2%。將PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制比其他控制器實(shí)現(xiàn)定量包裝能滿足適應(yīng)能力強(qiáng)來(lái)運(yùn)用于環(huán)境比較復(fù)雜的工廠環(huán)境。本次設(shè)計(jì)得到了公司的一致認(rèn)可，將控制算法稍加改動(dòng)就可以應(yīng)用于公司其它的定量包裝設(shè)備中。

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