喬計(jì)，張永勝

阿拉善職業(yè)技術(shù)學(xué)院（阿拉善盟 750306）

智能稱重系統(tǒng)集成計(jì)算機(jī)控制、自動(dòng)化控制、電氣、機(jī)械等技術(shù)，該類自動(dòng)稱量設(shè)備具有稱量效率高、計(jì)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，因此在醫(yī)藥、水泥、食品包裝、糧食加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-3]。實(shí)現(xiàn)智能稱重的關(guān)鍵點(diǎn)在于完成物料精確計(jì)量，而精確計(jì)量的前提是物料質(zhì)量的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反饋[4-5]。因此，控制系統(tǒng)性能直接決定稱重精度。通常情況下，定量稱重系統(tǒng)具有非線性、滯后性，而且慣性比較大，很難準(zhǔn)確建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。如果提高包裝速度，會(huì)導(dǎo)致空中飛料、物料沖擊，進(jìn)而降低稱重精度；如果提高包裝精度，勢(shì)必影響包裝效率[6-9]。如何設(shè)計(jì)一種智能控制方法同時(shí)兼顧包裝效率和稱重精度以提高系統(tǒng)整體性能就顯得十分重要。

針對(duì)上述問題，眾多學(xué)者將先進(jìn)控制方法引入到稱重系統(tǒng)，如馬麗娟等[10]結(jié)合模糊控制理論設(shè)計(jì)一種模糊PID控制器，并將其用于定量包裝機(jī)；仿真結(jié)果表明，該控制器實(shí)際效果比較理想；雖然該控制器推理能力比較突出，但是存在控制盲區(qū)。吳宇平等[11]結(jié)合RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一種定量稱重控制器并將其用于包裝系統(tǒng)，該控制器不依賴于被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型，但是學(xué)習(xí)周期過長(zhǎng)、參數(shù)選擇不便、算法收斂速度慢，在一定程度上限制其在稱量系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用。

以食品包裝機(jī)械智能稱重系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于迭代學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)一種控制器，同時(shí)搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 包裝稱重系統(tǒng)

包裝稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括給料設(shè)備、稱重傳感器、電磁閥、控制器等。通常情況下，稱重傳感器會(huì)安裝在稱重平臺(tái)底部；稱重平臺(tái)中有物料時(shí)，稱重傳感器會(huì)生成一種模擬信號(hào)；模擬信號(hào)經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后變成與模擬信號(hào)相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；該數(shù)字信號(hào)會(huì)被發(fā)送到控制器，如單片機(jī)；通過比較質(zhì)量設(shè)定值和實(shí)際值可以得到質(zhì)量偏差數(shù)值；根據(jù)偏差數(shù)值實(shí)現(xiàn)電磁閥1開啟或斷開時(shí)間控制，調(diào)節(jié)物料質(zhì)量；打開電磁閥2，使物料進(jìn)入包裝袋以完成包裝。串口可用于單片機(jī)和PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)包裝稱重系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。觸摸屏則用于稱重參數(shù)設(shè)置、生產(chǎn)過程參數(shù)顯示等，是一種比較常見的人機(jī)交互界面。

圖1 包裝稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 控制算法

2.1 稱重過程分析

稱重配料過程不確定因素較多，具有較強(qiáng)的非線性。若采用傳統(tǒng)控制方法，往往無(wú)法取得理想控制效果。試驗(yàn)選用迭代學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)一種稱重控制器。

在稱重過程中，質(zhì)量達(dá)到設(shè)定值就會(huì)立刻關(guān)閉電磁閥，肯定存在一定滯后。該滯后所產(chǎn)生的空中余料就是影響稱重精度的主要因素。為了盡可能地減小空中余料所造成的誤差，采用提前關(guān)閉電磁閥的方法，即在質(zhì)量未達(dá)到設(shè)定值之前關(guān)閉電磁閥。待空中余料全部落入稱重平臺(tái)后，就可獲得稱重過程的實(shí)際質(zhì)量WZ，其可表示為：

式中：WG為電磁閥關(guān)閉時(shí)稱重平臺(tái)已有物料質(zhì)量；WY為空中余料質(zhì)量。

電磁閥關(guān)閉時(shí)稱重平臺(tái)已有物料質(zhì)量WG能實(shí)時(shí)測(cè)得，若能準(zhǔn)確預(yù)判空中余料質(zhì)量WY，便可實(shí)現(xiàn)整個(gè)包裝稱重過程的精確控制。稱重過程曲線如圖2所示。

圖2 稱重過程曲線

假設(shè)電磁閥關(guān)閉提前量為u，那么WG還可表示為：

式中：WS為稱重系統(tǒng)質(zhì)量設(shè)定值。

電磁閥關(guān)閉時(shí)，稱重平臺(tái)內(nèi)物料高度可表示為：

空中余料高度可表示為：

那么空中余料質(zhì)量可表示為：

可得稱重平臺(tái)內(nèi)物料實(shí)際質(zhì)量，即：

式中：k為比例系數(shù)，用于描述物料高度和質(zhì)量之間的比例關(guān)系；S為下料口橫截面積；H為下料口和稱重平臺(tái)底部之間的距離，這3個(gè)參數(shù)比較容易確定。P為空中余料比重。考慮到在很短的時(shí)間內(nèi)，物料顆粒、濕度不會(huì)出現(xiàn)明顯變化，為便于分析，將ρ視作相對(duì)穩(wěn)定。如果設(shè)定值WS保持不變，單次稱重過程的實(shí)際質(zhì)量WZ僅受電磁閥關(guān)閉提前量u影響。所以可將WZ表示成一個(gè)關(guān)于u的函數(shù)，即：

因此，稱重精度控制可簡(jiǎn)化為電磁閥關(guān)閉提前量u的控制，只要該提前量設(shè)計(jì)合適，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)稱重過程的精確控制。

2.2 迭代學(xué)習(xí)控制器

根據(jù)迭代學(xué)習(xí)控制的基本原理，在每次稱量過程中，可設(shè)定一個(gè)期望質(zhì)量軌跡yd(t)，t∈[t1, t3]；提前量u(t)作為控制量；在其所用下，確保物料實(shí)際質(zhì)量軌跡無(wú)限趨近yd(t)。

假設(shè)控制量初始值為：

式中：u0可根據(jù)實(shí)際情況選取，令u0=WS/10。在第1次稱重過程中，稱重平臺(tái)內(nèi)物料實(shí)際質(zhì)量為WS-u1時(shí)就關(guān)閉電磁閥。待空中余料全部落入稱重平臺(tái)后，可得物料實(shí)際質(zhì)量值W1，定義W1和WS之間的偏差為：

定義新控制量為：

式中：r為加權(quán)學(xué)習(xí)因子。在第2次稱重過程中，則需要按照u2提前關(guān)閉電磁閥，那么第2次稱重偏差可表示為：

式中：W2為物料質(zhì)量實(shí)際值。依次類推，可定義第k次稱重時(shí)提前量為uk，物料質(zhì)量實(shí)際值為Wk，實(shí)際值和設(shè)定值之間誤差ek可表示為：

根據(jù)迭代學(xué)習(xí)規(guī)則，第k+1次稱重時(shí)電磁閥關(guān)閉提前量uk+1可表示為：

式中：加權(quán)學(xué)習(xí)因子r的取值范圍通常設(shè)定為0＜r＜1。

在整個(gè)迭代過程中，如果ek＜0，則表示負(fù)向迭代，此時(shí)uk會(huì)變?。环粗?，如果ek＞0，則表示正向迭代，此時(shí)uk變大。經(jīng)證明，可假設(shè)每次訓(xùn)練的初始條件均滿足ek(0)＞0；如果訓(xùn)練次數(shù)足夠多，即k→∞，便可實(shí)現(xiàn)實(shí)際輸出數(shù)值無(wú)限逼近期望數(shù)值。誤差可被控制在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)，即滿足：

式中：ε為系統(tǒng)所能容忍的最大誤差。

3 試驗(yàn)研究

3.1 平臺(tái)搭建

為驗(yàn)證所述智能稱重迭代學(xué)習(xí)控制器的可行性和有效性，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。搭建試驗(yàn)平臺(tái)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。智能稱重系統(tǒng)包括控制器及其外圍電路、輸入輸出和光電隔離模塊、串口通信模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、電源模塊、傳感器信號(hào)測(cè)量模塊等。微控制器選用W77E58單片機(jī)，該單片機(jī)的處理速度是普通單片機(jī)的2.5倍；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間為512 B；程序存儲(chǔ)空間為32 kB；支持定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口通信、I/O口等；具有正常和省電2種工作模式。

所述稱重傳感器為電阻應(yīng)變式傳感器，具體型號(hào)為H3-C3，靈敏度可達(dá)2 mV/V。稱重傳感器信號(hào)由測(cè)量電路獲取，測(cè)量電路的作用在于：稱重信號(hào)濾波、放大，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，然后發(fā)送給W77E58單片機(jī)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器型號(hào)為AD7730，可利用SPI總線和單片機(jī)通訊。另外，開關(guān)信號(hào)需經(jīng)光電隔離后傳送至單片機(jī)。系統(tǒng)時(shí)鐘芯片型號(hào)為DS12887，可提供時(shí)間、日期、系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)、非易失性RAM等。

觸摸屏是一種比較常見的顯示終端，使用簡(jiǎn)單、操作方便、便于二次開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)（質(zhì)量、包裝數(shù)量、包裝速度）設(shè)置及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示。另外，采用RS485總線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，有利于提高工業(yè)自動(dòng)化程度。

圖3 平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

包裝對(duì)象為粉末狀食品，以嬰幼兒奶粉為例，包裝質(zhì)量設(shè)定為400，600和900 g，每個(gè)質(zhì)量均進(jìn)行10次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1～表3所示。

質(zhì)量為400 g時(shí)，填充質(zhì)量的絕對(duì)誤差最大值為6.62 g，相對(duì)誤差最大值為1.57%，填充時(shí)間約3 s；質(zhì)量600 g時(shí)，填充質(zhì)量的絕對(duì)誤差最大值為9.68 g，相對(duì)誤差最大值為1.61%，填充時(shí)間約4 s；質(zhì)量900 g時(shí)，填充質(zhì)量的絕對(duì)誤差最大值為11.66 g，相對(duì)誤差最大值為1.3%，填充時(shí)間約5 s。

查閱相關(guān)資料可知，現(xiàn)有粉末狀食品包裝稱量設(shè)備，填充質(zhì)量相對(duì)誤差一般在5%左右。該系統(tǒng)的填充質(zhì)量相對(duì)誤差小于2%，而且填充效率較高。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的稱重精度較高，收斂速度較快，大幅提高了生產(chǎn)效率；而且在試驗(yàn)過程中，系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)比較穩(wěn)定。

表1 400 g試驗(yàn)結(jié)果

表2 600 g試驗(yàn)結(jié)果

表3 900 g試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

以食品機(jī)械為研究對(duì)象，重點(diǎn)討論其稱重系統(tǒng)。通過分析稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及稱重過程，得出影響稱重精度的主要因數(shù)就是空中余料?；诘鷮W(xué)習(xí)控制算法設(shè)計(jì)一種智能稱重控制器并將其應(yīng)用到具體食品包裝機(jī)械中。結(jié)果表明，該系統(tǒng)的稱重精度較高，收斂速度較快，大幅提高生產(chǎn)效率；試驗(yàn)過程中，系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定。智能稱重系統(tǒng)可在多種包裝機(jī)械中推廣使用。