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0引言
隨著經(jīng)濟的發(fā)展,對于皮帶給料式定量包裝秤的需求不斷增加眾多學者對其進行了相關(guān)研究，文獻［2］提出了一種三級給料控制的方法,減小了稱重誤差,但難以同時滿足計量精度與計量速度的要求,且適應(yīng)性差。文獻［3］在變頻調(diào)速的基礎(chǔ)上加入模糊PID控制器,增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的計量速度與精度，但仍無法滿足適應(yīng)性的要求。文獻［4］提岀了一種基于誤差自動修正的控制算法，對誤差進行在線修正,有效地改善了系統(tǒng)性能,但該算法在連續(xù)工作情況下才能保證較好的效果，且動穩(wěn)態(tài)性能較差。
為了進一步提高皮帶給料式定量包裝秤的性能,本文在多級給料方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于模糊控制算法⑶的定量包裝秤模糊控制器，并將其與異步電機模糊自適應(yīng)PID⑹矢量控制調(diào)速系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)成定量包裝秤模糊矢量控制系統(tǒng)，從而提高其動穩(wěn)態(tài)性能，增強其對多種物料多種定量的適應(yīng)性，解決計量速度與精度的矛盾。通過仿真分析證明了該方法的合理性與有效性。
1皮帶給料式定量包裝秤稱重系統(tǒng)
1.1系統(tǒng)的組成
皮帶給料式定量包裝秤稱重系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1皮帶給料式定量包裝秤稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
皮帶傳輸機構(gòu)、異步電機和減速箱構(gòu)成皮帶給料機。包裝袋和夾帶裝置構(gòu)成了稱重容器，稱重控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心。自動運行過程為:稱重控制系統(tǒng)檢測到上袋信號后，夾袋裝置夾緊包裝袋,然后啟動電機，通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速來控制給料速度。當物料重量達到設(shè)定值時,給料裝置停止給料,打開卸料門，物料放完后自動關(guān)閉卸料門。如此循環(huán)往復(fù)自動運行。
1.2動態(tài)稱重模型及誤差分析
稱重系統(tǒng)模型如圖2所示，稱重部分和稱重傳感器可以等效為一個二階系統(tǒng)。對其進行受力分析可知,在動態(tài)稱重過程中，物料重量G。）和物料下落的沖擊力F。）隨物料下落而改變，稱重模型隨時間變化，此時稱重系統(tǒng)為時變線性系統(tǒng)。

圖2稱重系統(tǒng)等效圖
造成動態(tài)稱重系統(tǒng)不能及時稱量出物料重量的主要原因有兩個:一是物料下落產(chǎn)生沖擊力，使得稱量值大于實際物料重量;二是存在空中落料差，由于這部分物料存在滯后性，導(dǎo)致稱量值小于實際物料重量。在給料過程中，當落差高度&和流量系數(shù)c（C等于皮帶上物料橫截面積s和物料密度P的乘積）一定時，降低給料機的轉(zhuǎn)速n（t）,可減小稱量誤差,但同時降低了計量速度。好的動態(tài)稱重系統(tǒng),關(guān)鍵是保證稱重速度的同時，具有高的稱重精度。本文釆用三級給料方式，為保證稱量精確度，要求中速和慢速給料存在穩(wěn)定段,且末級穩(wěn)定給料時間t＞丿瓦布，h,為中速給料切換到慢速給料時的落差高度。所以保證計量精度的前提下提高計量速度就必須縮短各級給料的過渡時間。
2模糊控制器設(shè)計
模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，由輸入量模糊化接口、數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫、推理機、輸出量解模糊接口組成。
2.1模糊自適應(yīng)PID速度調(diào)節(jié)器設(shè)計
如圖3、圖4所示，速度調(diào)節(jié)器本質(zhì)上是一個PID控制的轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器，為了提高系統(tǒng)的魯棒性、適應(yīng)性以及動靜態(tài)性能,本文結(jié)合模糊控制對比例系數(shù)kp、積分系數(shù)k,和微分系數(shù)kd進行在線整定。模糊控制器的輸入量為轉(zhuǎn)速偏差e和偏差變化率ec,輸出量為PID調(diào)節(jié)器參數(shù)增量Akp仏傷。偏差e和偏差變化率ec的隸屬函數(shù)如圖3所示，圖4為輸出量△如、弘,、△奶的隸屬函數(shù)。根據(jù)操作經(jīng)驗和實驗分析獲得推理規(guī)則如表1所示（分別為庇Wd）。

2.2定量包裝秤模糊控制器設(shè)計
根據(jù)物料密度、流量和給料皮帶轉(zhuǎn)速之間存在的模糊關(guān)系，設(shè)計了一個模糊控制器,通過物料密度P和目標定量值。得到給料皮帶的轉(zhuǎn)速"，從而調(diào)節(jié)物料流量Qo增強了定量包裝秤的適應(yīng)性，且在保證稱量精度前提下提高了定量包裝的速度。本設(shè)計方案中語言變量P的基本論域為［0.3g/cm，35g/cm，jD
的基本論域為［0.5kg,50kg］的基本論域為［5rad/s,76.5
rad/s］,輸入輸出量采用均勻量化形式。其中輸入D和P的隸屬函數(shù)如圖5所示，圖6為輸出n的隸屬函數(shù)。通過查閱相關(guān)資料，總結(jié)模糊推理規(guī)則如表2所示。

3控制系統(tǒng)MATLAB仿真
3.1仿真模型的建立
為了驗證該方法的正確性,本文用MATLAB搭建仿真模型進行驗證。系統(tǒng)采用三級給料方式，給料過程中S幾乎不變，為了方便計算認為S等于0.01m2，皮帶與電機轉(zhuǎn)速之比v為0.04。所選電機參數(shù)如下:額定電壓380V,額定功率15kW,額定頻率50Hz,額定轉(zhuǎn)速730r/min,定子電阻0.332Q,轉(zhuǎn)子電阻0.153Q,定轉(zhuǎn)子漏感1mH,互感31.5mH,4對極，轉(zhuǎn)動慣量0.15kg•m2。
3.2仿真結(jié)果及分析
本文將定量包裝秤模糊控制器分別與模糊自適應(yīng)PID和常規(guī)PID速度調(diào)節(jié)器調(diào)速給料系統(tǒng)相結(jié)合進行了仿真實驗。仿真結(jié)果如下圖，圖(a)/(b)/(c)中模糊自適應(yīng)PID調(diào)速給料系統(tǒng)均釆用快速給料至0.9、中速給料至0.95D、慢速加料至D,常規(guī)PID調(diào)速給料系統(tǒng)分別釆用快速給料至0.9/0.85/0.8〃、中速給料至0.95/0.95/0.92D、慢速加料至D。
D=50kg且P=1.5g/cn?時，由圖7可知，與模糊自適應(yīng)PID速度調(diào)節(jié)器相結(jié)合的控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，動穩(wěn)定性高，存在中速和慢速給料穩(wěn)定段，且末級給料穩(wěn)定時間滿足要求，既保證了計量精度又提高了計量速度。與常規(guī)PID速度調(diào)節(jié)器相結(jié)合的控制系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，動穩(wěn)定性差，不能同時滿足計量精度和速度的要求。
D=25kg且P=l.0^cm3時，由圖8可知，與模糊自適應(yīng)PID速度調(diào)節(jié)器相結(jié)合的控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，動穩(wěn)定性高，存在中速和慢速給料穩(wěn)定段，且末級給料穩(wěn)定時間滿足稱重要求,在保證計量精度的前提下縮短了給料時間。與常規(guī)PID速度調(diào)節(jié)器相結(jié)合的控制系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，動穩(wěn)定性差，不能同時滿足計量精度和計量速度的要求。與圖7相比改變D與P后,定量包裝秤模糊控制器相應(yīng)地改變了各級給料速度。
D=10kg且P=Q.5g/cm3時，由圖9可知，與模糊自適應(yīng)PID速度調(diào)節(jié)器相結(jié)合的控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，動穩(wěn)定性高，存在中速和慢速給料穩(wěn)定段，且末級給料穩(wěn)定時間滿足稱重要求,在保證計量精度的前提下縮短了給料時間。與常規(guī)PID速度調(diào)節(jié)器相結(jié)合的控制系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，動穩(wěn)定性差，仍不能同時滿足計量精度和計量速度的要求。與圖7和8相比改變。與P后,定量包裝秤模糊控制器相應(yīng)地改變了各級給料速度。由此可見,定量包裝秤模糊控制器增強了定量包裝秤的適應(yīng)性。

4結(jié)束語
本文針對皮帶給料式定量包裝秤存在的不足,設(shè)計了定量包裝秤模糊控制器和模糊自適應(yīng)PID速度調(diào)節(jié)器，并且搭建了定量包裝秤模糊矢量控制系統(tǒng)仿真模型。通過仿真實驗，得出如下結(jié)論:(1)采用多級給料有效地減小了因沖擊力和空中落料量造成的稱重誤差；(2)針對不同的D和P,定量包裝秤模糊控制器相應(yīng)地改變各級給料速度，增強了定量包裝秤對多種物料進行多種定量的適應(yīng)性；(3)定量包裝秤模糊矢量控制系統(tǒng)，加快了響應(yīng)速度，提高了動穩(wěn)態(tài)性能和調(diào)節(jié)精度,且沒有超調(diào)量，增強了控制系統(tǒng)的魯棒性，更好地協(xié)調(diào)了計量速度和計量精度的矛盾。上述仿真結(jié)果驗證了該控制方法的合理性與有效性，為進行相關(guān)的硬件設(shè)計打下了基礎(chǔ)，具有一定的工程應(yīng)用價值。
 

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