蘭志超，鄢紅章，張艮水，郭子國，胡祥勝，李 誠，魯展青

(1.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 武漢430040；2.杭州書微信息科技有限公司，浙江 杭州330009)

0 引言

隨著卷煙生產(chǎn)行業(yè)的結(jié)構(gòu)升級，為順應(yīng)我國煙草行業(yè)的發(fā)展趨勢，同時進(jìn)一步打造先進(jìn)高效的卷煙生產(chǎn)體系，卷煙企業(yè)對卷煙設(shè)備研發(fā)與升級的重視程度正逐年提高[1]。

為提高產(chǎn)品競爭力，我國卷煙制造企業(yè)不斷進(jìn)行技術(shù)革新，著力提高卷煙生產(chǎn)流水線智能化及自動化水平[2]。而煙支卷接機作為卷煙生產(chǎn)線中的重要設(shè)備，其控制效果對最終的卷煙產(chǎn)品有著顯著影響，面對卷煙企業(yè)日益增長的質(zhì)量精益管理需求，現(xiàn)有卷接機重量控制系統(tǒng)在控制精度與穩(wěn)定性方面仍有待提升[3]。

對此，本文基于現(xiàn)有較為成熟的微波檢測質(zhì)量檢測技術(shù)，采用微波傳感器作為重量掃描模塊，進(jìn)行煙支產(chǎn)品重量檢測[4]。引入PID控制技術(shù)，以實時產(chǎn)品與設(shè)定值間的質(zhì)量誤差作為控制量，并使用模糊控制算法，采用相應(yīng)的模糊規(guī)則調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計傳統(tǒng)的PID控制器，設(shè)計了一套基于模糊算法卷接機煙支重量自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在進(jìn)行煙支生產(chǎn)時，能夠?qū)崿F(xiàn)對所生產(chǎn)煙支重量的穩(wěn)定控制，同時系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

1 卷接機煙支重量自動控制系統(tǒng)

1.1 卷接機重量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

我國卷煙生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量較多，其所生產(chǎn)的產(chǎn)品類別、使用的設(shè)備型號及生產(chǎn)環(huán)境均有所差異，采用的卷接機重量控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)與功能上也有所不同[5]。但依據(jù)各模塊所實現(xiàn)功能可將卷接機重量控制系統(tǒng)大致分為：重量掃描模塊、重量采集模塊、重量控制模塊、控制交互模塊和執(zhí)行機構(gòu)模塊[6]。各模塊的大致功能如下。

a.重量掃描模塊：當(dāng)單條卷煙通過此模塊時，模塊內(nèi)的微波傳感器進(jìn)行檢測，產(chǎn)生煙支重量檢測信號。

b.重量采集模塊：為收集重量掃描模塊傳輸來的煙支重量檢測信號，對其進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換為可被微機讀取的數(shù)字信號。

c.重量控制模塊：對輸入的重量信號進(jìn)行相應(yīng)處理得到執(zhí)行機構(gòu)所需的控制信號，并將信號傳入執(zhí)行機構(gòu)模塊中。

d.控制交互模塊：在流水線工作時存儲所獲得的設(shè)備運行信息及相關(guān)指令，通過液晶顯示屏等部件完成人機交互。

e.執(zhí)行機構(gòu)模塊：一般由位置傳感器等多種傳感器及伺服電機等多種電機設(shè)備構(gòu)成，是完成煙支生產(chǎn)的具體設(shè)備。

由以上模塊組成的卷接機重量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 卷煙機重量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

卷接機重量控制系統(tǒng)硬件組成包含平準(zhǔn)盤、切刀、位置傳感器及各類處理電路，各硬件分布如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.2 卷接機重量PID控制系統(tǒng)

作為一種常見的調(diào)控方法，PID控制在自動控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，PID控制器有著結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)較為靈敏及可以消除穩(wěn)態(tài)誤差等優(yōu)勢，對于部分控制對象如線性系統(tǒng)有著較好的控制效果?；趥鹘y(tǒng)的卷接機重量控制系統(tǒng)，本文引入PID控制思想，通過重量掃描模塊與重量采集模塊得到煙支重量數(shù)據(jù)，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，以實時煙支產(chǎn)品與產(chǎn)品設(shè)定值間的質(zhì)量誤差作為控制量，對生產(chǎn)的煙支重量進(jìn)行穩(wěn)定控制。

1.3 PID控制器參數(shù)分析

PID控制器實際是通過比例、積分和微分3個并行結(jié)構(gòu)以偏差值為輸入，輸出控制量對被控對象加以調(diào)節(jié)[7]。

控制器中的比例環(huán)節(jié)可以實現(xiàn)按照一定的比例放大偏差值，當(dāng)反饋值與設(shè)定值不相等時，比例環(huán)節(jié)會執(zhí)行放大指令，進(jìn)而減小偏差值。一般而言，在增大比例系數(shù)時，能夠加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但是也更容易使得系統(tǒng)產(chǎn)生靜態(tài)誤差并出現(xiàn)振蕩[8]。

控制器中的積分環(huán)節(jié)能夠減小并消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但是引入積分環(huán)節(jié)有可能使得系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度變慢。

控制器中的微分環(huán)節(jié)能夠進(jìn)一步減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間，對微分常數(shù)大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠使得系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度加快，同時可以提升系統(tǒng)抑制震動的能力，但也可能會降低系統(tǒng)對高頻信號的抗性[9]。

2 模糊控制算法

2.1 模糊控制理論

模糊控制是將模糊集理論、模糊語言、模糊數(shù)學(xué)和模糊邏輯推理作為理論參照和理論基礎(chǔ)，并基于相關(guān)專家研究及大量工程實際開發(fā)出的一種先進(jìn)的現(xiàn)代智能控制方法。其具有成本低和利用方法簡單的特點，適用于大多數(shù)自動控制系統(tǒng)[10]。

使用模糊PID工作時，會基于相關(guān)研究人員的工程經(jīng)驗以及大量工程實踐中的規(guī)律，來制定模糊控制器所使用的控制規(guī)則，這是此控制方法最為關(guān)鍵的部分，之后找到控制方法所對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，得到模糊化的輸出值，最后實現(xiàn)解模糊環(huán)節(jié)[11]。而模糊控制器采用不同的控制器、不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、不同的模糊判定規(guī)則以及對模糊輸入輸出的放大系數(shù)設(shè)定的不同，會直接影響到模糊PID控制方法的控制效果[12]。

2.2 模糊控制器構(gòu)成

作為整個模糊控制的核心機構(gòu)，模糊控制器主要由4部分構(gòu)成。

a.輸入模糊化：輸入量模糊化主要是將檢測得到的輸入物理量以適當(dāng)?shù)谋壤D(zhuǎn)換映照至模糊論域，通過利用簡單化的變量來表達(dá)所檢測的輸入，最終可以達(dá)到將輸入量模糊化的目的[13]。

b.知識庫：數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫2部分并行構(gòu)成了知識庫，其中，數(shù)據(jù)庫可以用于處理輸入模糊化后得到的模糊化的輸入量，而規(guī)則庫可以實現(xiàn)控制器的控制功能，通過撰寫不同的控制規(guī)則可以得到不同的控制效果，控制規(guī)則的不同會顯著影響控制器的最終性能[14]。一般可以通過MATLAB中的Fuzzy控制箱來進(jìn)行規(guī)則庫編寫，其編寫語言常為“if/or-then”。

c.模糊推理：模糊推理一般是利用模糊控制器的機器語言根據(jù)實際控制過程中的邏輯中應(yīng)有的蘊含關(guān)系和模糊控制規(guī)則來模擬人類，對輸入的模糊控制量進(jìn)行分析判別，并推理得出模糊決策輸出，即需要解模糊的控制量。

d.反模糊化：由于模糊推理后得到的輸出量并非精確的控制量，而實際的生產(chǎn)生活中所需要的模糊控制器對其輸出控制量有著精度的要求。故而需要通過反模糊化步驟對經(jīng)過模糊推理后的輸出量進(jìn)行精確化處理，一般可以使用最大隸屬度法等精確化算法將模糊輸出轉(zhuǎn)化為論域范圍內(nèi)的清晰量，再經(jīng)過尺度比例變換轉(zhuǎn)化為實際所需的控制量[15]。

本文所使用模糊控制器系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 模糊控制器的組成

3 模糊PID控制器設(shè)計步驟

3.1 控制器參數(shù)設(shè)定

通過對生產(chǎn)煙支重量的實時檢測值，與設(shè)定的產(chǎn)品理想質(zhì)量對比求取差值，將得到的輸入量輸入模糊控制器，先后進(jìn)行模糊處理、模糊規(guī)則映射、邏輯推理判定以及解模糊數(shù)據(jù)精確化，可以分別獲得比例、積分和微分的控制器參數(shù)，最后對此3個參數(shù)實時在線調(diào)整。

(1)

KP0、KI0、KD0為人為設(shè)定的初始控制參數(shù)；ΔKP、ΔKI、ΔKD為模糊控制器的輸出結(jié)果；KP、KI、KD為最終得到的3個PID參數(shù)。

3.2 建立模糊PID控制器隸屬度函數(shù)

在進(jìn)行輸入量的模糊化過程中，模糊化后的輸入量范圍為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其意義分別為：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、0、正小、正中、正大，同時規(guī)定模糊子集的范圍為 [-6，6]，并可以由比例參數(shù)進(jìn)行輸入調(diào)整。最終經(jīng)過解模糊后得到的輸出量為ΔKP、ΔKI、ΔKD，其作為PID的參數(shù)調(diào)節(jié)量，可以改進(jìn)當(dāng)前的控制器參數(shù)，并隨時間不斷在線更新。同理，解模糊前的模糊輸出子集也為{NB,NM ,NS,ZO,PS,PM,PB}，定義其范圍也是[-6，6]，同時可以由比例參數(shù)進(jìn)行輸出調(diào)整。比例參數(shù)也被稱為量化因子，依據(jù)實際控制系統(tǒng)需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以獲得較好的控制效果。但改變前后，模糊論域依舊對應(yīng)7個算法使用的模糊詞匯{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。

本文使用的模糊控制器輸入項為2，輸出項為3，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模糊控制器輸入輸出拓?fù)?/p>

其中，模糊PID控制器的輸入輸出隸屬度函數(shù)，本文均采用服從三角形隸屬度函數(shù)，在該坐標(biāo)系中，橫軸坐標(biāo)為模糊論域，縱軸隸屬度函數(shù)值，縱坐標(biāo)僅僅具有數(shù)學(xué)意義而無實際的物理意義，故而均無單位，本文所用的三角形隸屬度函數(shù)曲線分布如圖5所示。

圖5 三角形隸屬度函數(shù)曲線分布

3.3 模糊規(guī)則制定

模糊規(guī)則可以以模糊規(guī)則表的形式加以體現(xiàn)，而模糊規(guī)則表的建立主要遵循實際工作中PID控制器3個參數(shù)與控制效果之間的關(guān)系，根據(jù)專家長時間在系統(tǒng)調(diào)試運行與性能參數(shù)不斷調(diào)試的經(jīng)驗中進(jìn)行總結(jié)提煉，對ΔKP、ΔKI、ΔKD進(jìn)行實時在線調(diào)整，得到在某一時刻更加符合系統(tǒng)運行的比例、積分和微分參數(shù)，使得卷接機煙支重量自動控制系統(tǒng)處在較為理想的控制狀態(tài)，針對輸入有著良好的靜態(tài)性能和動態(tài)性能。

3.4 反模糊化處理

由于在實際應(yīng)用中需要精確的確定值作為控制量輸出，為了得到真正的精確輸出量作為下一步的輸入，需要對控制器的模糊輸出進(jìn)行解模糊處理，本文選用重心法加以實現(xiàn)。重心法表達(dá)式為

(2)

z0為解模糊后得到的精確輸出量；zi為模糊控制量論域內(nèi)的值；uc(zi)為zi的隸屬度值。

4 案例分析

為了評估本文所提出的基于模糊算法的卷接機煙支重量自動控制系統(tǒng)的控制效果，設(shè)計針對性案例進(jìn)行檢驗分析，選取某一卷煙生產(chǎn)企業(yè)2臺型號相同、生產(chǎn)環(huán)境一致的卷接機進(jìn)行對比驗證，其中一臺設(shè)備已完成控制系統(tǒng)優(yōu)化，另一臺未進(jìn)行控制系統(tǒng)優(yōu)化。

在生產(chǎn)相同牌號產(chǎn)品即煙支重量相同時，對所生產(chǎn)的煙支產(chǎn)品隨機抽樣稱重，控制系統(tǒng)優(yōu)化前后對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)優(yōu)化前后對比

由圖6可知，控制系統(tǒng)優(yōu)化前煙支重量波動較大，進(jìn)行控制系統(tǒng)優(yōu)化后可以較理想的控制煙支成品重量，其產(chǎn)品重量波動較小，可以更為準(zhǔn)確與穩(wěn)定地控制煙支成品重量。

5 結(jié)束語

本文使用模糊控制算法實時優(yōu)化PID控制的3個參數(shù)，并將該方法應(yīng)用于煙支卷接機重量控制系統(tǒng)中。針對煙支卷接機硬件結(jié)構(gòu)，明確其內(nèi)部各模塊以及每個模塊對應(yīng)的功能。針對控制系統(tǒng)簡述了模糊控制理論以及PID控制方法，基于專家經(jīng)驗使用對應(yīng)的模糊控制規(guī)則以及隸屬度函數(shù)，以實時產(chǎn)品與設(shè)定值間的質(zhì)量偏差值作為控制量設(shè)計了能夠優(yōu)化PID參數(shù)的模糊控制器。通過針對性的案例分析，進(jìn)行控制系統(tǒng)優(yōu)化前后對比測試，相較于傳統(tǒng)的煙支卷接機控制系統(tǒng)，采用本文所提出的基于模糊算法的卷接機煙支重量自動化控制系統(tǒng)具有更高的控制精度與更好的抗干擾性能，可以使得所生產(chǎn)的卷煙產(chǎn)品在煙支重量方面得到保證。