胡汪洋 曹成茂，2 吳正敏 蔣 蘭 胡夢柯

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036；2. 農(nóng)業(yè)部南方農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測實驗站，安徽 合肥 230036)

小袋山核桃仁包裝機袋膜糾偏模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

胡汪洋1曹成茂1，2吳正敏1蔣 蘭1胡夢柯1

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036；2. 農(nóng)業(yè)部南方農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測實驗站，安徽 合肥 230036)

為減小小袋山核桃仁包裝機袋膜跑偏對產(chǎn)品外觀與質(zhì)量造成的影響，提出基于模糊控制的智能糾偏控制方案。在分析拉膜機構(gòu)工作過程中袋膜跑偏原因與糾偏可行性的基礎(chǔ)上，設(shè)計了糾偏控制模型，通過CCD傳感器檢測袋膜偏移量，建立模糊控制規(guī)則，實時調(diào)控拉膜速度與糾偏輥偏移角度，控制袋膜偏移量始終在要求范圍內(nèi)。利用改進DF-50B2型粉料自動包裝機作為試驗平臺進行糾偏試驗，并通過LabVIEW軟件對糾偏模糊控制系統(tǒng)輸出效果進行測試。試驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有較好的糾偏效果，拉膜速度為80 mm/s時的糾偏精度最高達0.52 mm，包裝重量對糾偏效果沒有較明顯影響，但拉膜速度越大時袋膜偏移量也越大。該控制系統(tǒng)在保證產(chǎn)品質(zhì)量前提下，加快了包裝速度，進而提高了包裝機工作效率。

小袋包裝機；山核桃仁；袋膜；糾偏；模糊控制

Abstract： In order to reduce the influence on the appearance and quality of production on the pecan kernel pouch packaging machine, caused by bag film deviation, we proposed an intelligent control scheme based on fuzzy control. Firstly, the reasons of bag film deviation and the rectification feasibility in the working process of the film-drawing mechanism was analyzed. Furthermore, a model of deviation correction control was designed to detect the offset of the bag film by using the CCD sensor, and the fuzzy control rules were established to adjust the film-drawing velocity and the deviation angle of correcting rod in real time. This could ensure the bag film offset always within the required range. The improved DF-50B2 powder automatic packing machine was used as the test platform to rectify the deviation. In addition, the output effect of fuzzy control system was tested by LabVIEW software. The experimental results showed that the control system had a preferable rectifying effect. When the drawing speed was set at 80 mm/s, the maximum rectification precision of fuzzy control was 0.52 mm, and the packaging weight had no obvious influence on the rectify deviation effect, the film offset increasing with the film-drawing velocity. The control system could accelerate the packaging speed on the premise of ensuring the product’s quality requirements, which also improved the efficiency of packaging machine.

Keywords： pouch; packaging machine; bag film; pecan kernel; rectify deviation; fuzzy control

山核桃又名核桃楸、胡桃楸，高達10～20 m，胸徑30～60 cm，具有極高的營養(yǎng)價值和口感，適生于腐殖質(zhì)豐富的山谷或山麓疏林中，海拔平均為400～1 200 m，在中國主要產(chǎn)于浙皖交界處山區(qū)，如臨安、寧國等地[1]。目前市場上加工后的山核桃存貯期僅有春節(jié)前后3～5個月，未經(jīng)破殼取仁深加工的山核桃不易于食用，口感差且售價低，而經(jīng)深加工后的山核桃仁食用方便且口感更佳，在市場上廣受消費者青睞，廠家也更傾向于出售精包裝后的山核桃仁，售價可達320～400元/kg[2-4]。所以對包裝機的定量精度與速度的要求也越來越高。

在對山核桃仁進行自動包裝過程中，包裝機往往會由于拉膜、送膜桿位置不適當(dāng)、袋膜受力不均勻[5]、拉膜速度與縱封、橫封、切斷處的瞬時速度不一致等原因，導(dǎo)致包裝袋膜無法保持直線運動，也就是袋膜中心線偏離系統(tǒng)設(shè)定的中心線，工程上稱作袋膜跑偏現(xiàn)象[6-7]。跑偏嚴(yán)重時會引起包裝袋封邊不齊整、褶皺、漏氣、袋子尺寸不符標(biāo)準(zhǔn)等質(zhì)量問題，還會造成包裝袋膜與制袋成型器卡死，無法正常工作[8-9]。

目前工業(yè)生產(chǎn)線中類似的物料傳輸位置跑偏問題，主要的解決辦法是采用糾偏控制，其在農(nóng)業(yè)機械智能化推廣過程中已被廣泛應(yīng)用，如無人機滑跑、帶鋼材料收卷、布袋纏繞、起重機啃軌等領(lǐng)域，糾偏方式主要為電感式與紅外線式2種[10-11]。但目前山核桃仁包裝機還未將糾偏控制系統(tǒng)引入，僅依靠機械的調(diào)控難以實現(xiàn)高精度糾偏[12]。為避免袋膜跑偏對山核桃仁外觀與質(zhì)量造成影響，本研究基于模糊控制原理提出了自動檢測袋膜偏移量的智能糾偏控制方案，可廣泛應(yīng)用于同類型包裝機。

1 跑偏原因與糾偏可行性分析

1.1 包裝機拉膜機構(gòu)

小袋山核桃仁包裝機整個工作過程主要由給料機構(gòu)、拉膜機構(gòu)、縱封橫封機構(gòu)、切斷機構(gòu)等配合電氣控制部分完成，其中拉膜機構(gòu)包括了放膜桿、壓膜桿、打碼機、傳感器等機構(gòu)，見圖1。電機提供動力輸出，帶動主動送膜桿進行送膜，配合壓膜桿使袋膜具有一定的張力，保證袋膜表面平整和均勻輸送。

1. 放膜桿 2. 從動送膜桿 3. 主動送膜桿 4. 放膜桿 5. 糾偏輥 6. 壓膜桿 7. 打碼機 8. 放膜桿 9. 檢邊傳感器 10. 制袋成型器

圖1 拉膜機構(gòu)工作示意圖

Figure 1 Schematic diagram of film-drawing mechanism

1.2 跑偏原因分析

1.2.1 送膜桿制造誤差與安裝誤差的影響 送膜桿導(dǎo)致跑偏的原因主要有2種：① 由于外圓圓柱度的誤差使輥子表面呈現(xiàn)類似錐形形狀，受牽引力F作用影響，造成輸送過程中袋膜兩側(cè)的摩擦阻力差別較大，產(chǎn)生橫向偏移力Fx，進而使得袋膜向著所受摩擦阻力較大的一側(cè)跑偏[13]，見圖2；② 由于安裝水平度的誤差使輥子有一定傾斜，在牽引力F和最小靜摩擦力f作用下，產(chǎn)生橫向偏移力Fx，導(dǎo)致袋膜向著偏向于輸送正方向一側(cè)跑偏，見圖3。

1.2.2 落料位置及方向的影響 如圖4所示，若山核桃仁的落料位置始終相對于包裝袋的中心線有較大偏差，導(dǎo)致袋膜輸送過程中受到偏向一側(cè)的沖擊力，會使袋膜產(chǎn)生同向的跑偏，且山核桃仁重量越大，造成的沖量影響越大[14]。

1.2.3 袋膜張力分布不均勻的影響 為抑制山核桃仁油脂氧化的次級產(chǎn)物生成，大部分的包裝袋膜都是采用PE聚乙烯塑料纖維材料，而塑料袋膜往往存在厚度不均的現(xiàn)象，導(dǎo)致袋膜與放膜、送膜桿接觸表面不同位置的摩擦系數(shù)各不相同；另外在一定拉力的作用下塑料纖維式的袋膜會產(chǎn)生形變，而且由于各處張力分布不均勻也會使得形變大小不一，從而影響袋膜的跑偏[15-16]。所以袋膜輸送過程中要控制張力的大小，保證送膜的平整性與均勻性，一般通過調(diào)整拉膜速度和壓膜桿位置來實現(xiàn)。

圖2 送膜桿外圓圓柱度誤差對跑偏的影響

圖3 送膜桿安裝水平度誤差對跑偏的影響

圖4 落料位置對袋膜跑偏的影響

綜上所述，在山核桃仁包裝機工作過程中，影響輸送袋膜跑偏因素較多，理論上要同時保證送膜、放膜、壓膜桿的安裝精度和制造精度，以及袋膜材料的張力均勻性都達到理想狀態(tài)，幾乎是不可能的，而且還要考慮不同包裝對象在包裝工藝上的客觀影響。因此包裝機拉膜過程中出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象是很難避免的，只能通過在控制方法上的改進逐漸減小袋膜跑偏量，控制其在允許范圍內(nèi)，最終達到產(chǎn)品包裝要求。

1.3 糾偏模型與可行性分析

送膜桿或糾偏輥的水平度對袋膜輸送的平整性有著較大的影響，且袋膜總向著偏向于輸送正方向一側(cè)跑偏。因此，完全可以通過調(diào)整糾偏輥的傾斜度進行糾偏控制，拉膜機構(gòu)工作過程中袋膜偏向哪一側(cè)，糾偏輥就向相反的另一側(cè)調(diào)整一定的角度?；诖嗽?，可以設(shè)計包裝機拉膜機構(gòu)糾偏控制模型，見圖5。

山核桃仁包裝機糾偏機構(gòu)的傾斜作用見圖6。

1. 控制器 2. 糾偏電機 3. 螺紋絲桿 4. 糾偏輥 5. 放膜桿 6. 檢邊傳感器

α. 糾偏輥與垂直方向夾角，(°)β. 袋膜與水平方向夾角，(°)a. 絲桿行程，mmb. 糾偏輥正位置長度，mmc. 糾偏輥偏位置長度，mmd. 袋膜寬度，mme. 袋膜偏移量，mmL. 糾偏輥與放膜輥間距，mm

圖6 糾偏輥傾斜作用分析

Figure 6 Analysis of tilt effect of rectifying roller

糾偏電機在檢測到偏移信號后通過螺紋絲桿推動糾偏輥傾斜一定角度α，實現(xiàn)袋膜的糾偏，袋膜與水平方向夾角β和袋膜偏移量e之間的關(guān)系為：

e=Ltanβ。

(1)

根據(jù)式(1)可計算袋膜糾偏速度v，見式(2)。

(2)

式中：

v——袋膜糾偏速度，mm/s；

w——袋膜偏移角速度，rad/s。

同理可計算糾偏輥偏移角度α，見式(3)。

(3)

此外，還可計算糾偏電機對絲桿施加的推力F推，見式(4)。

(4)

式中：

η——絲桿正效率，%；

T——糾偏電機轉(zhuǎn)矩，N·m；

Ph——絲桿導(dǎo)程，mm。

提高糾偏控制系統(tǒng)的精度主要有以下3種方式：① 采用高精度的傳感器；② 執(zhí)行機構(gòu)要具有足夠快的響應(yīng)速度，并且動作精確；③ 對糾偏控制策略和算法進行優(yōu)化。但對傳感器和執(zhí)行機構(gòu)進行硬件上的提高短期內(nèi)較困難，同時也會增加設(shè)備的成本，所以本文著重通過第3種方式進行改進。

2 總體控制方案設(shè)計

2.1 糾偏模糊控制工作原理

糾偏控制系統(tǒng)主要由糾偏控制器、傳感器和執(zhí)行機構(gòu)3個部分組成。安裝在包裝薄膜的邊緣位置的CCD傳感器檢測出薄膜與設(shè)定中心線偏離的大小，將位移位置變化的偏差量進行A/D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)放大后輸入模糊PID控制器，利用模糊控制規(guī)則在線修改PID參數(shù)，滿足不同時刻輸入量對PID參數(shù)自整定的要求，控制系統(tǒng)對信號進行分析處理發(fā)送糾偏信號到執(zhí)行機構(gòu)，當(dāng)檢測的偏移量大于設(shè)定誤差范圍時，驅(qū)動步進電機和機械傳動裝置進行糾偏[17-19]。自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 自適應(yīng)模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

2.2 包裝機糾偏模糊控制方案

結(jié)合小袋山核桃仁包裝機的工作特點，袋膜位置受包裝重量和拉膜速度等干擾因素的影響不斷改變，且變化頻率高，不易定量表示。因此采用模糊自適應(yīng)PID進行糾偏控制，設(shè)定固定位置和允許跑偏范圍，通過CCD傳感器檢測袋膜邊緣位置變化量，將位置偏差和偏差變化率反饋到糾偏模糊控制器的輸入端，然后由LabVIEW上位機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，運用模糊推理，實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整，同時模糊控制器輸出脈沖信號控制執(zhí)行機構(gòu)進行糾偏，構(gòu)成一個閉環(huán)控制回路，使袋膜的輸送位置始終處在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，保證下一環(huán)節(jié)封合機構(gòu)動作時效果達到最佳[20-21]。利用LabVIEW軟件建立隸屬函數(shù)模型并輸出仿真，提高了糾偏系統(tǒng)整體穩(wěn)定性與糾偏精度。具體控制方案見圖8。

圖8 糾偏控制系統(tǒng)框圖

3 糾偏模糊控制器設(shè)計

3.1 建立隸屬函數(shù)模型

在建立模糊控制規(guī)則基礎(chǔ)上對kp、ki、kd進行自適應(yīng)校正，將袋膜偏移量E分為7個等級，并建立模糊子集{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，論域為[-5，5]，采用常用的三角形隸屬函數(shù)實現(xiàn)袋膜偏移量的模糊化，在LabVIEW軟件中用隸屬函數(shù)編輯器建立相應(yīng)的隸屬函數(shù)模型，見圖9。

將袋膜偏移量變化率EC分為7個等級，建立模糊子集{負(fù)快(NF)，負(fù)中(NM)，負(fù)慢(NS)，零(Z)，正慢(PS)，正中(PM)，正快(PF)}，論域為[-5，5]，采用三角形隸屬函數(shù)實現(xiàn)袋膜偏移偏差變化率的模糊化，在LabVIEW軟件中用隸屬函數(shù)編輯器建立相應(yīng)的隸屬函數(shù)模型[22]，見圖10。

根據(jù)糾偏原理，袋膜偏移量越大意味著包裝效果越差，對應(yīng)糾偏輥的偏移角度U就越大，工作中糾偏電機的轉(zhuǎn)速與輸入趨于線性關(guān)系，為避免袋膜糾偏過程中由于電機的頻繁動作引起的振蕩，采用了帶死區(qū)的PID控制算法，控制算法見式(5)。

圖9 袋膜偏移量E隸屬函數(shù)

圖10 袋膜偏移偏差變化率EC隸屬函數(shù)

(5)

式中：

e(k)——袋膜位置檢測誤差，mm；

e0——可調(diào)死區(qū)值，mm。

若e0值設(shè)定過小會使控制電機動作頻繁，反之會使控制系統(tǒng)產(chǎn)生較大的滯后[23]?；诖私⒓m偏輸出模糊子集{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(ZE)，正慢(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，采用三角形隸屬函數(shù)實現(xiàn)糾偏輸出量的模糊化，在LabVIEW軟件中用隸屬函數(shù)編輯器分別建立kp、ki、kd隸屬函數(shù)模型，見圖11。

3.2 建立模糊控制規(guī)則

定義好變量并完成模糊化后，控制系統(tǒng)不斷檢測E和EC的變化，并根據(jù)模糊控制原理在線對Δkp、Δki、Δkd進

圖11 kp、ki、kd隸屬函數(shù)

行修改，從而滿足控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)穩(wěn)定性。當(dāng)kp越大時，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)量造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；當(dāng)ki越大時，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越快；kd主要是改善系統(tǒng)動態(tài)特性，不宜過大，否則會降低系統(tǒng)抗干擾能力。根據(jù)專家操作經(jīng)驗針對控制系統(tǒng)的kp、ki、kd3個參數(shù)分別建立模糊控制規(guī)則表，見表1～3。

表1 kp模糊控制規(guī)則

表2 ki模糊控制規(guī)則

表3 kd模糊控制規(guī)則

3.3 輸出效果測試

利用LabVIEW軟件平臺設(shè)計糾偏模糊控制系統(tǒng)程序框圖[24-25]，見圖12。將袋膜偏移量E和袋膜偏移偏差變化率EC作為系統(tǒng)的輸入，加載建立好的fs文件，經(jīng)過模糊匹配和解模糊處理輸出kp、ki、kd相關(guān)參數(shù)。

kp、ki、kd輸出仿真效果和糾偏輸出曲線分別見圖13、14。通過仿真結(jié)果可以看出，在設(shè)定拉膜速度為160 mm/s，包裝重量為30 g/包的條件下，模糊PID控制方法下的糾偏輸出效果達到了理想狀態(tài)，控制超調(diào)量小，幾乎沒有穩(wěn)定誤差，并且在系統(tǒng)穩(wěn)定后，糾偏輸出曲線趨向于直線，控制袋膜偏移量始終在合適范圍內(nèi)。

4 糾偏控制試驗

4.1 材料與設(shè)備

包裝對象選用產(chǎn)于浙皖交界處的寧國山核桃仁(破殼前籽料沿縫合線方向直徑：18～22 mm，圓度系數(shù)0.98)；選用改進的汕頭市錦華泰包裝機械有限公司DF-50B2型粉料自動包裝機作為試驗平臺，增加了糾偏控制機構(gòu)，包裝速度為35～70 包/min，對應(yīng)拉膜速度120～400 mm/s，計量范圍5～50 g，常規(guī)制袋尺寸(展開)：長200～340 mm、寬160～280 mm；糾偏電機選用ASLONG PG36-42BY型步進電機，直流24 V供電，額定功率15 W，具有較好的定位精度；檢邊傳感器選用SONY ZS-2073 CCD傳感器，具有良好的線性特性曲線且檢測靈敏度高；包裝袋膜選用280 mm聚乙烯(PE)薄膜，優(yōu)點是阻水阻濕性好，且有一定的機械抗拉和抗撕裂強度，柔韌性好，減小了由于拉力過大造成薄膜產(chǎn)生形變帶來的跑偏影響。

圖12 糾偏控制系統(tǒng)程序框圖

圖13 kp、ki、kd輸出仿真結(jié)果

圖14 糾偏輸出曲線

4.2 試驗方法與結(jié)果

根據(jù)上文的分析，對袋膜跑偏影響較大的干擾因素有拉膜速度V和包裝重量G，這2個時變參數(shù)均可通過控制系統(tǒng)在觸摸屏上進行手動設(shè)置，根據(jù)試驗包裝機的參數(shù)，分別設(shè)置拉膜速度80，140，200 mm/s，重量5，25，50 g各3個級別，在9組不同組合下各進行多次糾偏試驗，取袋膜輸送過程中的最大偏移量，驗證糾偏控制系統(tǒng)的糾偏精度。并根據(jù)專家經(jīng)驗對包裝效果進行評判，評判依據(jù)包括袋子平面對角誤差、封邊整齊度、褶皺、漏氣、尺寸標(biāo)準(zhǔn)等質(zhì)量情況，制袋不同包裝效果對比見圖15，左邊為出現(xiàn)褶皺、整齊度較差的包裝袋，右邊為包裝效果較好的包裝袋。每次試驗以包裝完成100 包為止，記錄每個袋子的平面對角誤差，計算平均值和產(chǎn)品合格率來驗證包裝效果，合格率按式(6)計算。試驗結(jié)果見表4。

(6)

式中：

A——包裝合格率，%；

TN——符合包裝標(biāo)準(zhǔn)總包數(shù)，包；

T——包裝總包數(shù)，包。

圖15 不同包裝效果對比圖

為了驗證控制系統(tǒng)的糾偏效果，在不糾偏的條件下對拉膜速度分別為80，140，200 mm/s，包裝重量25 g時進行3組試驗，每次試驗同樣以包裝完成100包為止，計算產(chǎn)品合格率來驗證包裝效果。試驗結(jié)果見表5。

由表2、3可知，采用糾偏模糊控制時的袋膜跑偏量最大值為0.77 mm，而非糾偏情況下拉膜速度為200 mm/s時的偏移量很難控制在2 mm以下，最大達到4.09 mm，證明該控制方案可明顯改善包裝效果。通過各組數(shù)據(jù)之間的對比分析還可看出，針對山核桃仁的包裝過程，包裝重量對糾偏效果沒有較明顯的影響，但隨著拉膜速度的增大，袋膜偏移量也增大，且合格率降低，所以選擇合適的拉膜速度能夠提高包裝機的實際工作效率。

表4 糾偏試驗結(jié)果

表5 非糾偏條件下試驗結(jié)果

5 結(jié)論

分析了山核桃仁包裝機拉膜機構(gòu)工作過程中袋膜輸送出現(xiàn)跑偏的原因，從理論上闡述了袋膜糾偏的可行性，并設(shè)計了有針對性的小袋山核桃仁包裝機拉膜機構(gòu)糾偏模型。針對袋膜輸送過程中產(chǎn)生的時變參數(shù)，提出了糾偏模糊控制方案，建立了相應(yīng)的隸屬函數(shù)模型和模糊控制規(guī)則，并利用LabVIEW軟件進行輸出效果測試，結(jié)果表明通過糾偏模糊控制得到的偏移量變化曲線，基本沒有超調(diào)量且穩(wěn)定性高。利用改進的山核桃仁包裝機在不同條件下進行分組試驗，驗證了仿真結(jié)果的正確性，該糾偏模糊控制系統(tǒng)的糾偏精度最高達到0.52 mm，使包裝效果得到明顯改善。

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Design of the rectifying fuzzy control system of the bag film of pouch pecan kernel packaging machine

HU Wang-yang1CAOCheng-mao1，2WUZheng-min1JIANGLan1HUMeng-ke1

(1.CollegeofEngineering,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei,Anhui230036,China; 2.ScientificObservingandExperimentalStationofAgricultureEquipmentfortheSouthernChinaMinistryofAgricultural,Hefei,Anhui230036,China)

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.08.014

國家自然資金面上項目(編號：51475002)；安徽省農(nóng)業(yè)機械管理局富民工程科技攻關(guān)資助項目(編號：2015FMGC-012)

胡汪洋，男，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生。

曹成茂(1964—)，男，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)教授，博士。 E-mail:caochengmao@sina.com

2017—05—02