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0.引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，對于皮帶給料式定量包裝秤的需求不斷增加。眾多學者對其進行了相關研究，文獻[2]提出了一種三級給料控制的方法，減小了稱重誤差，但難以同時滿足計量精度與計量速度的要求，且適應性差。文獻[3]在變頻調(diào)速的基礎上加入模糊PID控制器，增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的計量速度與精度，但仍無法滿足適應性的要求。提出了一種基于誤差自動修正的控制算法，對誤差進行在線修正，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，且動穩(wěn)態(tài)性能較差。

為了進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上，設計了一種基于模糊控制算法的定量包裝秤模糊控制器，并將其與異步電機模糊自適應PID。。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)，從而提高其動穩(wěn)態(tài)性能，增強其對多種物料多種定量的適應性，解決計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

皮帶傳輸機構(gòu)、異步電機和減速箱構(gòu)成皮帶給料機。包裝袋和夾帶裝置構(gòu)成了稱重容器，稱重控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心。自動運行過程為：稱重控制系統(tǒng)檢測到上袋信號后，夾袋裝置夾緊包裝袋，然后啟動電機，通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速來控制給料速度當物料重量達到設定值時，給料裝置停止給料，打開卸料門，物料放完后自動關閉卸料門。如此循環(huán)往復自動運行。

1.2動態(tài)稱重模型及誤差分析

稱重部分和稱重傳感器可以等效為一個二階系統(tǒng)。對其進行受力分析可知，在動態(tài)稱重過程中，物料重量G(t)和物料下落的沖擊力F(t)隨物料下落而改變，稱重模型隨時間變化，此時稱重系統(tǒng)為時變線性系統(tǒng)。造成動態(tài)稱重系統(tǒng)不能及時稱量出物料重量的主要原因有兩個：

一、是物料下落產(chǎn)生沖擊力，使得稱量值大于實際物料重量；

二、是存在空中落料差，由于這部分物料存在滯后性，導致稱量值小于實際物料重量。在給料過程中，當落差高度h和流量系數(shù)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，降低給料機的轉(zhuǎn)速n(t)，可減小稱量誤差，但同時降低了計量速度。好的動態(tài)稱重系統(tǒng)，關鍵是保證稱重速度的同時，具有高的稱重精度。本文采用三級給料方式，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)定給料時間t>2／g，h為中速給料切換到慢速給料時的落差高度。所以保證計‘量精度的前提下提高計量速度就必須縮短各級給料的過渡時間。

 

2.模糊控制器設計

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、輸出量解模糊接口組成。

2.1模糊自適應PID速度調(diào)節(jié)器設計

速度調(diào)節(jié)器本質(zhì)上是一個PID控制的轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器，為了提高系統(tǒng)的魯棒性、適應性以及動靜態(tài)性能，本文結(jié)合模糊控制對比例系數(shù)k、積分系數(shù)k和微分系數(shù)k進行在線整定。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Ak、Ak、Ak。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△、△、△的隸屬函數(shù)。根據(jù)操作經(jīng)驗和實驗分析獲得推理規(guī)則如表1所示(分別為Ak。／&k／Akd)。

2．2定量包裝秤模糊控制器設計

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系，設計了一個模糊控制器，通過物料密度P和目標定量值D得到給料皮帶的轉(zhuǎn)速n，從而調(diào)節(jié)物料流量Q。增強了定量包裝秤的適應性，且在保證稱量精度前提下提高了定量包裝的速度。本設計方案中語言變量P的基本論域為[0．3g／cm。3．5g／cm。1，D的基本論域為[0．5kg，5O]，n的基本淪域為[5rad／s，76．5rad／s]，輸入輸出量采用均勻量化形式。

 

3.控制系統(tǒng)MATLAB仿真

3.1仿真模型的建立

為了驗證該方法的正確性，本文用MATLAB搭建仿真模型進行驗證。系統(tǒng)采用三級給料方式，給料過程中S幾乎不變，為了方便計算認為S等于0．0lm，皮帶與電機轉(zhuǎn)速之比卵為0．04。所選電機參數(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0．332n，轉(zhuǎn)子電阻0．153n，定轉(zhuǎn)子漏感1mH，互感31．5mH，4對極，轉(zhuǎn)動慣量0．15kg·m。

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)合進行了仿真實驗。仿真結(jié)果，模糊自適應PID調(diào)速給料系統(tǒng)均采用快速給料至0．9D、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)分別采用快速給料至0．9／0．85／0．8D、中速給料至0．95／0．95／0．92D、慢速加料至D。D：50kg且P=1．5g／cm時，與模糊自適應PID速度調(diào)節(jié)器相結(jié)合的控制系統(tǒng)響應速度快，動穩(wěn)定性高，存在中速和慢速給料穩(wěn)定段，且末級給料穩(wěn)定時間滿足要求，既保證了計量精度又提高了計量速度。與常規(guī)PID速度調(diào)節(jié)器相結(jié)合的控制系統(tǒng)響應速度慢，動穩(wěn)定性差，不能同時滿足計龜精度和速度的要求。D=25kg且P=1．0g／cm時，與模糊自適應速度調(diào)節(jié)器相結(jié)合的控制系統(tǒng)響應速度快，動穩(wěn)定性高，存在中速和慢速給料穩(wěn)定段，且末級給料穩(wěn)定時間滿足稱重要求，在保證計量精度的前提下縮短了給料時間。與常規(guī)PID速度調(diào)節(jié)器相結(jié)合的控制系統(tǒng)響應速度慢，動穩(wěn)定性差，不能同時滿足計量精度和計量速度的要求。與圖7相比改變D與P后，定量包裝秤模糊控制器相應地改變了各級給料速度。D=10kg且P：0．5g／cm時與模糊自適應PID速度調(diào)節(jié)器相結(jié)合的控制系統(tǒng)響應速度快，動穩(wěn)定性高，存在中速和慢速給料穩(wěn)定段，且末級給料穩(wěn)定時間滿足稱重要求，在保證計量精度的前提下縮短了給料時間。與常規(guī)PID速度調(diào)節(jié)器相結(jié)合的控制系統(tǒng)響應速度慢，動穩(wěn)定性差，仍不能同時滿足計量精度和計量速度的要求。與圖7和8相比改變，J與P后，定量包裝秤模糊控制器相應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了定量包裝秤的適應性。

 

4.結(jié)束語：

本文針對皮帶給料式定量包裝秤存在的不足，設計了定量包裝秤模糊控制器和模糊自適應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。通過仿真實驗，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，J和JP，定量包裝秤模糊控制器相應地改變各級給料速度，增強了定量包裝秤對多種物料進行多種定量的適應性；

(3)定量包裝秤模糊矢量控制系統(tǒng)，加快了響應速度，提高了動穩(wěn)態(tài)性能和調(diào)節(jié)精度，且沒有超調(diào)量，增強了控制系統(tǒng)的魯棒性，更好地協(xié)調(diào)了計量速度和計量精度的矛盾。上述仿真結(jié)果驗證了該控市0方法的合理性與有效性，為進行相關的硬件設計打下了基礎，具有一定的工程應用價值。

 

 

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