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基于PLC 的全自動給袋式包裝機(jī)稱量控制系統(tǒng)研究

任少偉1 楊傳民1 孟祥飛2 (1.天津商業(yè)大學(xué);2.河北工業(yè)大學(xué))

      來源:《肉業(yè)產(chǎn)業(yè)資訊》    2019年第5期
 
內(nèi)容摘要:可編程邏輯控制器(PLC)作為一種通用控制裝置,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,這其中就包括包裝機(jī)械。給袋式包裝機(jī)是一種全自動的包裝生產(chǎn)裝置,其可以同時進(jìn)行多工位生產(chǎn)將稱量好的物料投放到包裝袋中,大大提高包裝速度。包裝行業(yè)普遍采用電磁振動給料裝置實現(xiàn)物料的補(bǔ)給,但由于物料與給料機(jī)之間存在非線性與時變性的特點,這使得包裝稱量精度存在一定的誤差。
  摘要:目的 針對給袋式包裝機(jī)稱量控制系統(tǒng)中由于物料與電磁振動給料機(jī)的振動存在一定非線性與時變性的缺點,提出一種基于PLC的模糊PID稱量控制系統(tǒng)。方法 基于PLC的特點設(shè)計一種基于PLC的模糊PID控制方法,將稱量誤差與誤差變化率作為系統(tǒng)的輸入,采用西門子S7-200系列PLC對稱量系統(tǒng)模糊PID控制策略的實現(xiàn)進(jìn)行分析設(shè)計,實現(xiàn)對PID 3個參數(shù)的實時改變;基于Matlab對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,并通過聯(lián)機(jī)運(yùn)行以驗證控制效果。結(jié)果 給袋式包裝機(jī)稱量系統(tǒng)的計量偏差不超過0.5%,且仿真結(jié)果表明模糊PID較傳統(tǒng)PID的控制效果更好。結(jié)論 基于PLC的包裝機(jī)稱量系統(tǒng)模糊PID控制系統(tǒng)實際控制穩(wěn)定,具有很強(qiáng)的魯棒性,提高了包裝機(jī)稱量過程的穩(wěn)定性和稱量精度,其精度控制為0.5%左右。
  關(guān)鍵詞:PLC;給袋式包裝機(jī);控制系統(tǒng);模糊PID
  可編程邏輯控制器(PLC)作為一種通用控制裝置,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,這其中就包括包裝機(jī)械。給袋式包裝機(jī)是一種全自動的包裝生產(chǎn)裝置,其可以同時進(jìn)行多工位生產(chǎn)將稱量好的物料投放到包裝袋中,大大提高包裝速度。包裝行業(yè)普遍采用電磁振動給料裝置實現(xiàn)物料的補(bǔ)給,但由于物料與給料機(jī)之間存在非線性與時變性的特點,這使得包裝稱量精度存在一定的誤差。傳統(tǒng)的包裝機(jī)稱量系統(tǒng)的精度在±3%范圍內(nèi),如何在提高包裝速度的同時提高精度已成為行業(yè)研究的熱門之一。
  給袋式包裝機(jī)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定質(zhì)量,實時對物料進(jìn)行稱量與修正,實現(xiàn)包裝機(jī)對物料的準(zhǔn)確控制。為了進(jìn)一步提高包裝機(jī)稱量系統(tǒng)的控制精度,采用以包裝物料為研究對象,將模糊控制與PID控制相結(jié)合,提出模糊PID控制。將PLC控制技術(shù)與模糊PID控制融合,利用PLC實現(xiàn)對包裝機(jī)稱量系統(tǒng)的模糊PID控制。這樣的控制方式既保留了PLC控制系統(tǒng)可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)的特點又加入了模糊PID對非線性系統(tǒng)具有良好控制效果的特點,大大提高了控制系統(tǒng)的智能化,是當(dāng)今控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
  1  包裝機(jī)稱量系統(tǒng)的模糊PID控制設(shè)計
  國內(nèi)包裝機(jī)稱量系統(tǒng)普遍采用傳統(tǒng)PID控制,因為傳統(tǒng)PID發(fā)展時間久,其理論基礎(chǔ)深厚,在普通控制中具有較好的控制效果,傳統(tǒng)PID控制結(jié)構(gòu)見圖1。傳統(tǒng)PID控制常出現(xiàn)在線性系統(tǒng)的控制中,它將輸入信號與輸出信號進(jìn)行比較得到控制偏差,對該偏差進(jìn)行比例、積分和微分共同運(yùn)算后輸出到控制對象中,使輸入輸出之間偏差縮小。S7-200PLC中通常利用PLC自帶的PID控制指令模塊來實現(xiàn)PID控制,由于PLC也是通過其CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,故只能處理數(shù)字量,這就要求將采集到的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化。

圖1  傳統(tǒng)PID控制結(jié)構(gòu)
  模糊控制器工作基本原理是將輸入的數(shù)字信號經(jīng)過模糊化變成模糊量,送入含有模糊規(guī)則的模糊推理模塊,經(jīng)過近似的推理得出結(jié)論,然后被清晰化模塊變成清晰量,再輸出到下一級去調(diào)節(jié)被控對象,使其輸出滿意結(jié)果。
  采用最基本的二維模糊控制結(jié)構(gòu),因為其結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用廣泛,所以最具有代表性,適用于復(fù)雜系統(tǒng)。模糊自適應(yīng)PID控制器以e和ec作為輸入,其中e,ec分別為每次稱量的實際量與設(shè)定值的偏差以及偏差變化率,利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進(jìn)行修改,其結(jié)構(gòu)見圖2,利用PLC的PID指令可調(diào)用該指令執(zhí)行PID控制。

圖2  模糊自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)
  2  稱量控制系統(tǒng)的參數(shù)整定模糊PID控制算法
  2.1  輸入、輸出量的模糊分布
  為使實時輸入的變量清晰值都能夠得到合理的模糊化,需要確定覆蓋在模糊論域上的模糊子集數(shù)目,在確定各子集的模糊隸屬函數(shù)這個過程稱為進(jìn)行模糊分布。覆蓋模糊論域的模糊子集數(shù)目要適當(dāng),一般來說數(shù)目越多控制的精度相應(yīng)會更高,但是所需要的計算量卻大,造成響應(yīng)時間的延長。根據(jù)運(yùn)算性與經(jīng)驗一般取數(shù)目為3~10個,模糊子集的分布應(yīng)具備完備性、一致性與交互性。文中根據(jù)控制精度將輸入、輸出變量劃分為7個等級,系統(tǒng)設(shè)計誤差e的實際論域為[?0.5g,0.5g],將其量化到模糊論域為{?3, 3}中,其相應(yīng)子集意義為{B(負(fù)大),V(負(fù)中),S(負(fù)?。琌(零),X(正小),Z(正中),D(正大)},輸出變量Kp,Ki,Kd 三者分別量化到論域為{0,0.6},{0,0.12},{0,6}中,語言值同上。
  一般模糊子集的隸屬函數(shù)應(yīng)該是連續(xù)函數(shù),Matlab 中提供5種不同類型的基本隸屬函數(shù),文中根據(jù)工程需要與經(jīng)驗操作選取三角形隸屬函數(shù)。此外2個模糊子集的隸屬度函數(shù)發(fā)生交叉時,交叉點處的隸屬度值應(yīng)選取合適,因為取值較大,系統(tǒng)的穩(wěn)定性會有所提高,但會使得其靈敏度變差;反之會使系統(tǒng)不穩(wěn)定,模糊性變差。綜合考慮取0.2~0.7為宜,輸入、輸出量的隸屬度函數(shù)見圖3。

圖3  輸入、輸出量隸屬度函數(shù)
  2.2  模糊控制規(guī)則的建立
  模糊PID控制是找出PID 3個參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系,在運(yùn)行中通過不斷地檢測偏差和偏差變化率,根據(jù)控制原理對3個參數(shù)進(jìn)行在線修改,以滿足不同情況下對控制的不同要求,從而使被控對象具有良好的動靜態(tài)性能。
  根據(jù)參數(shù)對系統(tǒng)輸出特性的影響情況,可歸納出系統(tǒng)在被控過程中對于不同的偏差e和偏差變化率ec,偏差e的論域為{B,V,S,O,X,Z,D},偏差變化率ec的論域為{B,V,S,O,X,Z,D},參數(shù)的自整定原則如下所述。
  當(dāng)系統(tǒng)偏差較大時,選取較大的比例系數(shù)和較小的微分系數(shù),同時為了防止積分飽和,避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大超調(diào),積分環(huán)節(jié)取值為0。
  當(dāng)偏差與偏差變化率為中等大小時,3個參數(shù)都不能太大且積分環(huán)節(jié)取較小值,比例與微分環(huán)節(jié)的取值要適中,以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
  當(dāng)系統(tǒng)偏差較小時,為使控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能,應(yīng)將比例與積分環(huán)節(jié)系數(shù)提高,同時為了避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近震蕩,并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能,選取中等大小的微分系數(shù)。
  綜上所述,想要將控制系統(tǒng)的各項性能發(fā)揮出色,使系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)精度高且響應(yīng)速度快,需要充分考慮比例、積分與微分3個參數(shù),才能保證系統(tǒng)的動靜態(tài)性能。綜合考慮不同狀態(tài)下3個參數(shù)的作用以及之間的耦合關(guān)系,得出參數(shù)自適應(yīng)控制規(guī)則見表1。表1中從左到右分別是Kp,Ki,Kd的模糊控制規(guī)則。
表1  模糊PID控制規(guī)則
e ec
B V S O X Z D
B D/B/X D/B/X Z/V/B X/V/B X/S/B O/O/N O/O/X
V D/B/X D/B/S Z/V/B X/S/V X/S/V O/O/S S/O/O
S Z/B/O Z/V/S Z/V/S X/S/O O/O/S S/X/S V/X/O
O Z/S/O Z/S/S X/S/S O/O/S S/X/V V/Z/S S/Z/O
X X/V/O X/S/O O/O/O O/X/S S/X/O V/Z/O B/D/O
Z X/O/D O/O/S S/X/S V/X/N V/Z/X B/D/X B/D/D
D O/O/D O/O/Z S/X/V V/X/V B/Z/X B/D/X B/D/D
  對于建立好的模糊控制規(guī)則其所包含的所有規(guī)則都可以通過模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)求出其模糊子矩陣,一個完整控制規(guī)則各部分子矩陣聯(lián)立求解又可以得到控制系統(tǒng)總的模糊矩陣。利用Matlab數(shù)學(xué)軟件中的Fuzzy Logic Toolbox可以離線生成模糊控制查詢表。
  3  模糊PID控制器在PLC中的實現(xiàn)
  模糊PID控制器在PLC中的實現(xiàn)方式主要有2種:一種通過控制公司為模糊控制開發(fā)的專用硬件設(shè)備實現(xiàn)在PLC中的運(yùn)行,這種控制通過模糊控制芯片實現(xiàn),但這種控制方式價格昂貴,需要專用的編程設(shè)備,通用性差;另一種是通過軟件實現(xiàn)的,如西門子公司開發(fā)的ProFuzzy tool,同樣該軟件成本昂貴,會增加設(shè)備成本。
  文中采用通過PLC自身編程軟件STEP7軟件將模糊PID控制編程為一個PLC控制程序的一個用戶子程序,將模糊控制規(guī)則存進(jìn)PLC的內(nèi)存中。在實時控制中,該控制將采樣得到的輸入量數(shù)據(jù)量化到設(shè)定好的模糊論域中,在根據(jù)量化后得到的元素,查出控制量的具體值,最后輸出到控制系統(tǒng)。
  3.1  程序設(shè)計流程
  給袋式包裝機(jī)稱量系統(tǒng)模糊PID控制的PLC程序設(shè)計主要有輸入量的模糊化、模糊規(guī)則查詢、輸出模糊化和參數(shù)PID控制4分部,模糊控制算法流程見圖4。首先將量化因子存于PLC中,經(jīng)過采樣后將系統(tǒng)偏差以及偏差變化率寄存在PLC數(shù)據(jù)寄存器中;通過模糊控制規(guī)則表獲得其輸出參數(shù)數(shù)據(jù),寄存在PLC中;最后將控制參數(shù)輸入到PID控制中實現(xiàn)對參數(shù)的實時控制。
  3.2  模糊PID控制的PLC程序設(shè)計
  該次設(shè)計的控制系統(tǒng)采用西門子S7-200系列PLC外置模擬量輸入模塊EM235,將稱量傳感器得到的信號輸入PLC中,該模塊可以將傳感器所得信號轉(zhuǎn)換成(0~32000)之間的數(shù)字量。由此可將系統(tǒng)設(shè)計偏差轉(zhuǎn)換成(?32~32),為簡化編程將其取絕對值變?yōu)椋?~32)由此得到量化因子為3/16。按照圖5設(shè)計流程,設(shè)計該控制程序。

圖4  模糊控制算法流程
  利用PLC存儲空間中的全局變量存儲器,將預(yù)置期望質(zhì)量放入VD104,分配Kp,Ki,Kd在全局變量存儲器中的地址,文中分別選用VB20~VB68,VB69~VB117,VB118~VB166作為上述3個參數(shù)的存儲地址。該3個參數(shù)的控制輸出量分別放入VB167,VB168和VB169中,根據(jù)系統(tǒng)控制要求3個參數(shù)最初數(shù)值為Kp=0.6,Ki=0.0,Kd=1.5,在PLC控制中可以直接調(diào)用PID控制,選擇PID控制回路號為0,起始地址選用VB100。由于篇幅所限僅以部分程序為例,模糊控制主程序見圖5,模糊查詢表控制程序見圖6。
  模糊查詢表控制程序僅以比例環(huán)節(jié)為例,掃描程序時,SM0.0始終為高電平,所取模糊量化等級為7級,據(jù)此計算出比例系數(shù)Kp的地址,放入累加器AC1中,將指針?biāo)窴p輸出值存入VB167中,以備后續(xù)程序調(diào)用。

圖5  模糊控制主程序


圖6  比例環(huán)節(jié)模糊控制查詢程序
  4  包裝機(jī)實驗
  利用Matlab數(shù)學(xué)仿真軟件在軟件中輸入fuzzy進(jìn)行模糊控制器的編輯,確定一個二輸入三輸出的二維模糊控制器,編輯界面中的參數(shù)選擇FIS控制器類型為Mamdani,解模糊方法采用重心法,推理規(guī)則選擇最小法,合成規(guī)則選擇最大法。編輯輸入輸出變量的隸屬函數(shù)將上述控制規(guī)則輸入到控制器中,見圖7。
  使用Matlab中提供的Simulink仿真模擬器進(jìn)行仿真實驗,對比傳統(tǒng)PID和模糊PID 控制的控制效果分別建立各自的仿真模型,見圖8。
  Simulink仿真模擬器中二輸入三輸出模塊內(nèi)部模型見圖9,其為模糊控制核心模型。
  經(jīng)過Matlab 仿真結(jié)果見圖10,其中虛線為實際響應(yīng)曲線,對比2種不同的控制方法可以看出傳統(tǒng)PID控制下的系統(tǒng)超調(diào)量在不斷上下變化,最后趨于穩(wěn)定,達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時間長,且參數(shù)不能改變;模糊自適應(yīng)PID控制下的系統(tǒng)超調(diào)量很小甚至沒有,響應(yīng)時間較傳統(tǒng)PID要快。
  仿真完成后對包裝機(jī)稱量系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。以100g/袋為實驗基礎(chǔ)進(jìn)行稱量精度的實驗。100g時稱量數(shù)據(jù)情況見表2。目標(biāo)質(zhì)量所對應(yīng)偏差的分布折線見圖11。
  經(jīng)過以上實驗分析可以得知,包裝機(jī)稱量系統(tǒng)的精度在±0.5%范圍內(nèi)。給袋式包裝機(jī)生產(chǎn)線的運(yùn)行情況良好,改良的稱量系統(tǒng)工作穩(wěn)定、精度好,滿足包裝要求。

圖7  模糊控制編輯器


圖8  模糊PID控制仿真模型


圖9  二輸入三輸出控制仿真模型


圖10  傳統(tǒng)PID與模糊自適應(yīng)PID系統(tǒng)響應(yīng)曲線


圖11  目標(biāo)質(zhì)量為100g時的偏差分布

表2  目標(biāo)質(zhì)量為100g時的實驗數(shù)據(jù)
序號 實際質(zhì)量/g 偏差值/g 精度/g
01 100.25 -0.25 0.25
02 099.98 +0.02 0.02
03 100.49 +0.49 0.49
04 099.65 -0.35 0.35
05 099.50 -0.50 0.50
06 100.38 +0.38 0.38
07 100.47 +0.47 0.47
08 099.56 -0.44 0.44
09 099.62 -0.38 0.38
10 100.41 +0.41 0.41

5  結(jié)語
  為了進(jìn)一步提高給袋式包裝機(jī)稱量系統(tǒng)精度,文中對其控制系統(tǒng)進(jìn)行研究分析,將模糊控制與PID控制相結(jié)合,提出基于傳統(tǒng)PID 的模糊控制。通過PLC強(qiáng)大的控制效果、編程能力實現(xiàn)模糊PID控制系統(tǒng)在包裝機(jī)稱量系統(tǒng)中的控制實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明,改進(jìn)后的控制系統(tǒng)具有較好的魯棒性,系統(tǒng)超調(diào)小,稱量精度控制在±0.5%左右,較好地滿足了包裝機(jī)精準(zhǔn)計量的要求。同時文中忽略了外界環(huán)境對控制對象的影響,控制規(guī)則是在前人實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行的再次加工,故控制效果可能存在不足。
 
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