鐘國文，潘盛輝

（1.廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530007；2.廣西科技大學(xué)，柳州 545006）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟水平的不斷提高，人們對生活的質(zhì)量要求也越來越高，消費觀念也隨著生活質(zhì)量的提高不斷地發(fā)生變化[1]。消費市場成為了人們?nèi)粘５闹饕枨髞碓?，各種商品的競爭日趨激烈，其自身質(zhì)量差距不大，而產(chǎn)品的外包裝是決定消費者購買的重要因素。大部分的商品都具有自身特色的外包裝，利用包裝材料不僅能起到包裹裝飾的作用，還能展示出產(chǎn)品的特色屬性，從而提高產(chǎn)品的銷量[2]。伴隨著科技水平的不斷提高，包裝機械設(shè)備的不斷更新，自動控制類包裝機得到了廣大企業(yè)的青睞。國內(nèi)對于包裝機械設(shè)備的研究起步較晚，因此大部分的技術(shù)依賴于國外的研究。與其他國家相比，中國的包裝行業(yè)具有市場容量大和集中度不高等特點，隨著人們消費觀念的不斷轉(zhuǎn)變，相關(guān)領(lǐng)域開始重視對于自動化程度高的包裝機械的研究[3]。本文利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID技術(shù)，研究了雙秤定量包裝機的自動控制方法，對我國包裝機械設(shè)備的發(fā)展具有重要意義。

豐會萍等人[4]針對定量包裝機稱重不準(zhǔn)確等問題，提出了一種基于復(fù)位連接的定量包裝機自動控制方法，該方法利用傳統(tǒng)的PID控制器對產(chǎn)品進(jìn)行定量稱重，然后根據(jù)復(fù)位調(diào)節(jié)控制器的調(diào)量，減小產(chǎn)品稱重過程中的誤差，且復(fù)位調(diào)節(jié)時間短，不會影響正常的包裝機運作，從而實現(xiàn)定量包裝機的自動控制，實驗結(jié)果證明，采用復(fù)位連接的定量包裝機自動控制方法，可以有效地提高定量包裝機的稱重精度。梁禮群等人[5]研究了一種基于微處理器的觸摸屏定量包裝機自動控制方法，用來提高定量包裝機的自動化性能，從而提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，該方法采用MT6070IH觸摸屏完成定量包裝機各項參數(shù)的設(shè)定，方便及時調(diào)整與設(shè)置，提高了定量包裝機的可操作性，在軟件上采用微處理器，提高了定量包裝機的整體自適應(yīng)性，從而提高了定量包裝機的生產(chǎn)效率。結(jié)果表明，采用微處理器的觸摸屏定量包裝機自動控制方法，不僅有效地提高了定量包裝機的自動化程度，還實現(xiàn)了對包裝機的可視化管理，從而提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

1 雙秤定量包裝機自動控制方法設(shè)計

1.1 搭建模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

雙秤定量包裝機搭建模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一共包括四個層面，分別是輸入層、操作層、模糊推理層與輸出層，通過以上四個層面完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊推理[6]。設(shè)定e(t)表示雙秤定量包裝機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入信號系統(tǒng)的方程式，包括雙秤定量包裝機的包裝速度與誤差[7]。U表示雙秤定量包裝機的實際包裝效率，其為輸出信號。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各層之間的關(guān)系為：

輸入層：ei為該層的輸出，表示第i個元素的雙秤定量包裝的誤差，其中，i=1，2…，n。

操作層：利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID技術(shù)，對雙秤定量包裝機的輸入信號進(jìn)行模糊計算，用式(1)表示：

式(1)中，aij和σij分別表示雙秤定量包裝機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的第i個元素的隸屬j的核心值與操作寬度，表示每個雙秤定量包裝機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對應(yīng)的輸出值，a=[a11,…,a n1,a12,… ,an2,a1m,… ,anm]表示操作矢量，σ=[σ11,…,σn1,σ12,…,σn2,σ1m,…,σnm]表示所有隸屬的核心值與操作寬度矢量。

模糊推理層：根據(jù)操作層的函數(shù)關(guān)系式，實現(xiàn)模糊推理層的模糊推理，利用二階函數(shù)[8]計算出每個操作層節(jié)點對該層的輸出影響，即：

式(2)中，wkij表示模糊推理層各個節(jié)點對輸出層第k條的具體影響，其單位量為1，yk表示模糊推理層的第k條推理規(guī)則對應(yīng)的輸出。

輸出層：通過模糊推理層的操作，得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，用函數(shù)表示為：

式(3)中，wko表示雙秤定量包裝機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層權(quán)值。

綜上所述，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對雙秤定量包裝機的實際控制表述為：

設(shè)雙秤定量包裝機操作過程中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)期望值與實際輸出層的實際值相等[9]，即：

對雙秤定量包裝機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的線性函數(shù)進(jìn)行局部處理，得到：

經(jīng)迭代處理后，得到：

式(7)中，ar，σr，Wr表示雙秤定量包裝機操作過程中的期望值的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)期望值分布，ae，σe，We表示期望值與實際值的誤差，o`表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高階余量。根據(jù)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獨特的特性[10]，將雙秤定量包裝機操作過程中的實際值函數(shù)逼近成期望函數(shù)。此時，可以保證雙秤定量包裝機系統(tǒng)誤差方程矢量e(t)一直在控制范圍內(nèi)。因此，引入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)對雙秤定量包裝機的精準(zhǔn)控制。

1.2 傳感控制點設(shè)置

雙秤定量包裝機組件由7部分構(gòu)成，分別是包裝材料配送裝置、橫封操作裝置、縱封操作裝置、成型器、包裝成膜裝置、傳導(dǎo)裝置和成形包裝材料[11]。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制對雙秤定量包裝機進(jìn)行傳感控制點設(shè)置，分別為p1,p2,…,pi。采用控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)安裝在雙秤定量包裝機系統(tǒng)內(nèi)，利用微處理器將該控制系統(tǒng)安裝在計算機上，通過計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)包裝機的自動控制。此時，雙秤定量包裝機傳感控制點之間距離的計算如式(8)所示：

式(8)中，d表示任意兩個傳感控制點之間的水平距離，λ表示雙秤定量包裝機的工作頻率，n表示區(qū)域劃分的數(shù)量，s表示雙秤定量包裝機的表面積。按照雙秤定量包裝機的運行周期對各個傳感控制點進(jìn)行監(jiān)測[12]，對位置不在預(yù)期目標(biāo)的控制點及時修正。

根據(jù)式(1)的計算結(jié)果，對雙秤定量包裝機進(jìn)行水平偏離修正，由于受傳感控制點監(jiān)測儀器的高度影響，還要根據(jù)水平偏離計算出控制點的高差，然后對其進(jìn)行精準(zhǔn)修正。設(shè)傳感控制點的高差為k1和k2，測量出傳感控制點的高差為k`1和k`2，則高差的表達(dá)式為：

設(shè)定雙秤定量包裝機控制傳感控制點的距離用k`p表示，修正后的偏離距離為：

上述式(10)中，是對修正后的結(jié)果進(jìn)行修正，設(shè)傳感控制點p1和p2為基準(zhǔn)點，設(shè)兩個基準(zhǔn)點之間的偏離距離為k1和k2，在雙秤定量包裝機實際進(jìn)行包裝過程中，時刻t下測量出實際的偏離距離，得到修正系數(shù)的修正公式：

式(11)中，βn表示傳感控制點的垂直監(jiān)測角度，ln表示垂直高度，jn表示傳感控制點的探頭高度。根據(jù)上述的基準(zhǔn)點計算公式，同理代入式(9)，計算出高差的修正系數(shù)，修正后的高差表示為：

根據(jù)上述式(10)計算出的水平偏差，與式(12)計算出的垂直高差，得到雙秤定量包裝機的傳感控制點修正后的水平距離為，此時的傳感控制點坐標(biāo)為：

式(13)中，a表示傳感控制點的實際方向角，x0、y0、z0分別表示傳感控制監(jiān)測點在x軸和y軸的高程值，此時完成對雙秤定量包裝機傳感控制點的設(shè)置。

1.3 雙秤定量包裝機自動控制模型構(gòu)建

由于包裝機在進(jìn)行包裝操作的過程中，設(shè)置的參數(shù)會隨著傳感控制點的變化而變化[13]，因此需要利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID技術(shù)，建立雙秤定量包裝機的自動控制模型，利用下式對自動控制模型進(jìn)行描述：

式(14)中，x(t)表示包裝機械運行狀態(tài)，u(t)表示雙秤定量包裝機的輸入變量，y(t)表示雙秤定量包裝機的輸出變量，C表示包裝機械的輸出矩陣。

對雙秤定量包裝機自動控制模型進(jìn)行簡化處理，得到簡化后的模型如圖2所示。

圖2 雙秤定量包裝機自動控制模型

為了保證雙秤定量包裝機的精準(zhǔn)稱重，在不考慮時間的影響下，對傳感控制點進(jìn)行修正調(diào)整[14]，得到不同時刻下的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳感控制器。

假設(shè)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳感控制器內(nèi)的控制規(guī)則數(shù)為N，那么，第n+1個模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳感控制器為：

其中，K表示控制系數(shù)，σ∈{1,…,N}表示該雙秤定量包裝機自動控制模型的控制信號，Rσi表示第σ個傳感控制器內(nèi)的第i條規(guī)則。

設(shè)雙秤定量包裝機自動控制模型實際包裝過程中的延時為a，則得到第a個模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳感控制器的控制機制為：

此時，rs(k)表示在k時刻的傳感控制器的延遲信號，當(dāng)Kσi=0時，得到控制信號的延遲上限為μi。

當(dāng)?shù)讦覀€模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳感控制器下，得到雙秤定量包裝機的模糊方程為：

其中，μi表示控制律，Ai和Bi表示控制幅值，x(k)表示輸入量，μi和μj分別表示第i條和第j條控制律，Kσj是一個常數(shù)，rs(k)表示控制變量。

根據(jù)以上步驟，構(gòu)建雙秤定量包裝機自動控制模型，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID方法[15]對包裝機進(jìn)行模糊線性處理，計算出不同時刻下最優(yōu)模糊信號，將模糊信號的延遲轉(zhuǎn)化為控制信息，通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的控制規(guī)則，實現(xiàn)對雙秤定量包裝機的自動控制。

2 仿真實驗對比分析

2.1 實驗準(zhǔn)備

為了驗證本文提出的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的雙秤定量包裝機自動控制方法在實際應(yīng)用過程中的效果，引入基于復(fù)位連接的定量包裝機自動控制方法和基于微處理器的觸摸屏定量包裝機自動控制方法進(jìn)行對比，對雙秤定量包裝機的機械臂軌跡跟蹤情況進(jìn)行仿真，給出了包裝機的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 雙秤定量包裝機的技術(shù)參數(shù)

將雙秤定量包裝機與實驗儀器進(jìn)行連接，搭建一個仿真實驗平臺，并對平臺進(jìn)行初始化，確保實驗結(jié)果的可靠性，實驗開始之前，需要注冊一個用戶名，具體內(nèi)容如圖3所示。

在圖3的注冊頁面中，注冊一個用戶賬號并設(shè)置密碼，填寫好用戶的基本信息之后點擊提交信息按鈕，完成仿真實驗平臺的搭建。然后對實驗對象進(jìn)行調(diào)整，假設(shè)雙秤定量包裝機會發(fā)生多種故障，模擬雙秤定量包裝機的故障數(shù)據(jù)，并將模擬故障數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫。

圖3 用戶注冊頁面

參考模擬的雙秤定量包裝機故障數(shù)據(jù)開始進(jìn)行仿真測試，對產(chǎn)品進(jìn)行包裝，設(shè)置雙秤定量包裝機的運行轉(zhuǎn)速和時間，假設(shè)雙秤定量包裝機自動控制實驗的周期為1小時。

2.2 實驗結(jié)果分析

在多個實驗周期內(nèi)，隨機選擇兩個周期，假設(shè)第一個周期的雙秤定量包裝機轉(zhuǎn)速為每分鐘200轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)速為200r/s下，測試本文提出的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的雙秤定量包裝機自動控制方法、基于復(fù)位連接的定量包裝機自動控制方法和基于微處理器的觸摸屏定量包裝機自動控制方法的雙秤定量包裝機的信噪比，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 200r/s下雙秤定量包裝機的信噪比對比結(jié)果

根據(jù)圖4可知，在轉(zhuǎn)速為200r/s下，本文提出的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的雙秤定量包裝機自動控制方法的雙秤定量包裝機信噪比最高可達(dá)50dB，而基于復(fù)位連接的定量包裝機自動控制方法和基于微處理器的觸摸屏定量包裝機自動控制方法的雙秤定量包裝機信噪比最高只有42dB和43dB，在轉(zhuǎn)速為200r/s下，本文方法的雙秤定量包裝機信噪比較高。

在轉(zhuǎn)速為700r/s下，測試本文提出的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的雙秤定量包裝機自動控制方法、基于復(fù)位連接的定量包裝機自動控制方法和基于微處理器的觸摸屏定量包裝機自動控制方法的雙秤定量包裝機的信噪比，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 700r/s下雙秤定量包裝機的信噪比對比結(jié)果

根據(jù)圖5可知，在轉(zhuǎn)速為700r/s下，本文提出的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的雙秤定量包裝機自動控制方法的雙秤定量包裝機信噪比最高可達(dá)100dB，而基于復(fù)位連接的定量包裝機自動控制方法和基于微處理器的觸摸屏定量包裝機自動控制方法的雙秤定量包裝機信噪比最高只有82dB和83dB，在轉(zhuǎn)速為700r/s下，本文方法的雙秤定量包裝機信噪比較高。

綜合以上兩個階段的測試可以看出，無論雙秤定量包裝機的轉(zhuǎn)速是200r/s還是700r/s，基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的雙秤定量包裝機自動控制方法的雙秤定量包裝機信噪比均較高。

為了進(jìn)一步驗證本文方法的有效性，采用本文提出的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的雙秤定量包裝機自動控制方法、基于復(fù)位連接的定量包裝機自動控制方法和基于微處理器的觸摸屏定量包裝機自動控制方法，對雙秤定量包裝機自動控制精度進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 雙秤定量包裝機自動控制精度對比結(jié)果

根據(jù)圖6可知，本文提出的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的雙秤定量包裝機自動控制方法的雙秤定量包裝機自動控制精度在95%以上，比基于復(fù)位連接的定量包裝機自動控制方法和基于微處理器的觸摸屏定量包裝機自動控制方法的雙秤定量包裝機自動控制精度高，說明本文方法的雙秤定量包裝機自動控制效果好。

3 結(jié)語

本文提出了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的雙秤定量包裝機自動控制方法，通過搭建模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置了傳感控制點，通過構(gòu)建雙秤定量包裝機自動控制模型，實現(xiàn)了雙秤定量包裝機的自動控制。結(jié)果顯示，本文設(shè)計的自動控制方法具有更好的降噪效果，并且雙秤定量包裝機自動控制效果較理想。