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0引言
隨著經(jīng)濟(jì)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(xué)者對其進(jìn)行了相關(guān)研究，文獻(xiàn)［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(shí)滿足計(jì)量精度與計(jì)量速度的要求,且適應(yīng)性差。文獻(xiàn)［3］在變頻調(diào)速的基礎(chǔ)上加入模糊PID控制器,增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的計(jì)量速度與精度，但仍無法滿足適應(yīng)性的要求。文獻(xiàn)［4］提岀了一種基于誤差自動(dòng)修正的控制算法，對誤差進(jìn)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(dòng)穩(wěn)態(tài)性能較差。
為了進(jìn)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(jì)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(jī)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(dòng)穩(wěn)態(tài)性能，增強(qiáng)其對多種物料多種定量的適應(yīng)性，解決計(jì)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(jī)構(gòu)、異步電機(jī)和減速箱構(gòu)成皮帶給料機(jī)。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(gè)系統(tǒng)的核心。自動(dòng)運(yùn)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(dòng)電機(jī)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制給料速度。當(dāng)物料重量達(dá)到設(shè)定值時(shí),給料裝置停止給料,打開卸料門，物料放完后自動(dòng)關(guān)閉卸料門。如此循環(huán)往復(fù)自動(dòng)運(yùn)行。
1.2動(dòng)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(gè)二階系統(tǒng)。對其進(jìn)行受力分析可知,在動(dòng)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(shí)間變化，此時(shí)稱重系統(tǒng)為時(shí)變線性系統(tǒng)。

圖2稱重系統(tǒng)等效圖
造成動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)不能及時(shí)稱量出物料重量的主要原因有兩個(gè):一是物料下落產(chǎn)生沖擊力，使得稱量值大于實(shí)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(shí)際物料重量。在給料過程中，當(dāng)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(shí)，降低給料機(jī)的轉(zhuǎn)速n（t）,可減小稱量誤差,但同時(shí)降低了計(jì)量速度。好的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng),關(guān)鍵是保證稱重速度的同時(shí)，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(shí)間t＞丿瓦布，h,為中速給料切換到慢速給料時(shí)的落差高度。所以保證計(jì)量精度的前提下提高計(jì)量速度就必須縮短各級給料的過渡時(shí)間。
2模糊控制器設(shè)計(jì)
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(jī)、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(jì)
如圖3、圖4所示，速度調(diào)節(jié)器本質(zhì)上是一個(gè)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(dòng)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(jìn)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(yàn)和實(shí)驗(yàn)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(jì)
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(jì)了一個(gè)模糊控制器,通過物料密度P和目標(biāo)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(qiáng)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(jì)方案中語言變量P的基本論域?yàn)椋?.3g/cm，35g/cm，jD
的基本論域?yàn)椋?.5kg,50kg］的基本論域?yàn)椋?rad/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(yàn)證該方法的正確性,本文用MATLAB搭建仿真模型進(jìn)行驗(yàn)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(jì)算認(rèn)為S等于0.01m2，皮帶與電機(jī)轉(zhuǎn)速之比v為0.04。所選電機(jī)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(dòng)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(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。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(shí)，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(dòng)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(shí)間滿足要求，既保證了計(jì)量精度又提高了計(jì)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(dòng)穩(wěn)定性差，不能同時(shí)滿足計(jì)量精度和速度的要求。
D=25kg且P=l.0^cm3時(shí)，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(dòng)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(shí)間滿足稱重要求,在保證計(jì)量精度的前提下縮短了給料時(shí)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(dòng)穩(wěn)定性差，不能同時(shí)滿足計(jì)量精度和計(jì)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(shí)，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(dòng)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(shí)間滿足稱重要求,在保證計(jì)量精度的前提下縮短了給料時(shí)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(dòng)穩(wěn)定性差，仍不能同時(shí)滿足計(jì)量精度和計(jì)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(qiáng)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(jì)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(shí)驗(yàn)，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(qiáng)了定量包裝秤對多種物料進(jìn)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(dòng)穩(wěn)態(tài)性能和調(diào)節(jié)精度,且沒有超調(diào)量，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的魯棒性，更好地協(xié)調(diào)了計(jì)量速度和計(jì)量精度的矛盾。上述仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制方法的合理性與有效性，為進(jìn)行相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。
 

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