基于模糊PID的顆粒食品定量稱量控制

彭小容，彭小玲

1. 重慶工程職業技術學院（重慶 402260）；2. 浙江長征職業技術學院（杭州 310023）

顆粒食品定量分裝控制技術是結合動態稱量技術，將顆粒食品按照預定重量進行分裝，實時控制分裝機的下料、粉料等過程，從而實現顆粒食品的在線自動定量稱量的控制技術[1-2]。顆粒食品在下料稱量過程中，顆粒食品具有較好的流動性，從而導致傳統的控制方法無法實現精確定量稱量，目前國內對于顆粒食品定量稱量技術還并不太成熟。因此為了提升顆粒食品定量稱量，對稱量機控制系統進行研究顯得非常有必要。

定量稱量分裝機在顆粒食品自動定量稱量重有著廣泛的應用，顆粒食品由于在下落過程中通常存在振動等情況，在動態稱量過程中存在著非線性、時變性、不確定性。當加快稱重速度時，顆粒食品會落到稱量容器中，由于產生較大的沖擊從而引起機械設備的震動導致產生稱量誤差，從而影響稱量精度。

顆粒食品的定量稱量是指將物料進行在線稱量，使其質量達到目標設定值，控制系統根據稱重傳感器反饋信號對電磁鐵以及電機進行修正控制。在食品定量稱量系統中用戶可以根據具體的稱重產品，通過人機觸摸屏設定稱重質量，然后控制器根據具體算法計算出電磁鐵的振動量，使物料能夠快速實現高精度稱量。稱重機因為工作環境的不同，稱重機具體參數會出現不同程度的變化，此外由稱量過程中食品顆粒大小的不確定性，物料再落入料斗過程中具有一定的沖擊性，導致系統對食品落下量控制出現較大誤差。在稱重過程中，通常采用PID進行控制，但PID控制針對時變性、非線性的稱重系統控制效果較差。

模糊控制并不需要對控制對象建立精確的數學模型，模糊控制是建立在人工經驗基礎上并采用計算機控制技術構成的中智能閉環自動控制。模糊控制算法主要是通過專家對整個系統的控制經驗作為依據而設計的控制器，通過語言變量代替傳統的數學變量，具有很強的魯棒特性。為了提高稱重機稱量控制精度，實現稱重機自動化、智能化控制，設計了一款基于模糊PID的食品定量稱量控制系統，通過模糊控制理論實現PID參數的在線自適應調整，試驗結果表明該控制系統能夠將控制精度控制在±2 g，完全能夠滿足稱重精度要求。

1 食品定量稱重系統

食品定量稱重機結構如圖1所示[3]，稱量機能夠自動完成食品稱量并完成包裝。稱重機主要設備由下料裝置、稱重設備以及控制系統等組成。顆粒食品通過對伺服電機進行精確控制，實現物料的均勻下料。為了防止剩余物料的下落，通過下料口截斷閥控制。稱重控制器收到上位機下發的開始稱重指令后，稱重控制器給給料裝置A和B發出控制信號，料斗開始進行粗給料快速下料，食品進入到稱斗后，由稱斗中的稱重傳感器采集重量信號，信號經過A/D轉換模塊傳送到控制器中。控制器通過比較當前采集到的食品重量與目標重量的偏差，當偏差在一定范圍中時，控制器對給料裝置發出精給料信號開始進行緩慢下料，通過緩慢下料進行精確稱重。

圖1 食品定量稱重機結構

2 控制系統硬件設計

控制系統主要通過PLC控制器、伺服系統以及觸摸屏等設備組成。在稱重機工作過程中，稱重傳感器實時對稱重物料重量信號進行采集，然后經過模擬量采集模塊實時轉化成數字量后，最終傳送到PLC中，為后續控制算法提供依據。根據顆粒食品稱量包裝的工藝流程以及控制要求，控制系統硬件配置如表1所示。

表1 硬件配置

為了提高食品稱重系統穩定性，提高系統抗干擾能力，采用抗干擾能力強的PLC和觸摸屏相結合的控制方式[4-7]，控制系統硬件結構如圖2所示。控制系統主要組成為：

（1）控制器CPU：控制器核心由松下FP-XC60R實現邏輯運算、核心算法運算，并將模擬量模塊采集到的數據進行計算。

（2）A/D采集模塊，AD采集模塊主要負責采集稱重傳感器信號，并通過轉換將其轉換成數字量，并由PLC完成重量偏差計算。

（3）稱重傳感器：稱重傳感器主要負責測量稱量斗內的食品重量，并將其傳送到A/D模塊中。

（4）伺服電機及伺服驅動器：通過PLC對伺服驅動器發送脈沖和脈沖頻率，再由驅動器驅動伺服電機完成下料和關閉下料閥門等動作。

（5）觸摸屏：觸摸屏主要負責稱重包裝參數設置、部分命令下發、數據采集以及故障監控。

（6）顯示基板：顯示基板為觸摸屏冗余，主要作用同觸摸屏完全相同，在觸摸屏出現故障情況下同樣能夠采集數據、設置參數、下發運轉指令。

圖2 控制系統硬件結構

食品稱量機控制器工作環境通常較為惡劣，電子設備往往會受到外部因素干擾，而稱重機較為關鍵的電子設備便是稱重傳感器，傳感器傳感器經過放大電路放大后，再經過AD轉換等處理后送入到PLC模擬量采集模塊中，經過各種稱重傳感器的考察，最終選擇ZEMIC生產的L6J橋式電阻應變式稱重傳感器，圖3為傳感器內部電路。

圖3 傳感器內部電路

3 軟件系統設計

3.1 控制系統流程

根據顆粒食品稱量工藝要求以及控制要求進行軟件編程，控制系統流程如圖4所示。根據圖4控制流程對軟件進行模塊編程，保證PLC能夠按照圖4所示邏輯進行動作，從而達到精確、自動稱量包裝的功能。

3.2 模糊PID控制

為了提高稱重精度，需要對下料速度進行控制，在控制中通常采用PID進行控制。PID控制因其結構簡單、易實現等優點，在工業控制領域中被廣泛使用。PID控制器是將目標質量與實際采集質量進行對比，得到最終的控制器輸出，PID控制器結構如圖5所示。

圖4 控制系統流程

圖5 傳統PID控制器

傳統PID數學模型可描述為：

式中：y(t)為食品質量采集值，r(t)為系統設定目標值，e(t)為測量值與設定值偏差。

上述PID控制器參數固定不變，不能根據系統變化進行變化，從而導致控制效果不理想。為了提高控制器的自適應能力，在PID控制器中引入了模糊控制，通過模糊規則對PID控制器中的參數進行自適應調整[8-9]。模糊PID控制器參數調整方式為：

式中：Kp、Ki、Kd為PID控制器初始參數，ΔKp、ΔKi、ΔKd為通過模糊控制理論得到的PID參數的調整量。通過食品顆粒質量偏差e(t)和偏差變化率ec，利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊規則對其參數進行在線調整。模糊PID控制器結構如圖2所示。

圖6 模糊PID控制器

取e、ec、ΔKP、ΔKi、ΔKd的模糊集合論域為{-6，-5，-4，-3，2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。其模糊集合為{PM，NM，NS，ZO，PS，PB，PM}。e、ec以及ΔKP、ΔKi、ΔKd隸屬函數形狀如圖7所示。

圖7 隸屬度函數關系

4 試驗分析

為了驗證設計的食品定量稱重控制系統的有效性，對控制系統分別采用PID控制和模糊PID控制兩種控制方式進行了相關試驗分析，試驗過程中，設定質量為200 g，實時對成品進行稱量并記錄。部分試驗數據如表2所示。

表2 試驗結果

由表2可以看出，采用傳統PID控制時最終的食品稱量質量波動較大，最大誤差高達5 g，而采用模糊PID控制算法時，稱量質量最大誤差不超過±1 g，且質量波動較小。由此試驗結果表明：設計的食品顆粒稱量控制系統控制效果較為理想，能夠顯著提高稱量質量。

5 結語

設計了以松下PLC為控制核心、以觸摸屏作為人機交互的食品定量稱量控制系統。詳細介紹了控制系統硬件結構，并在此基礎上給出了系統軟件流程，分析了傳統PID控制方法的缺陷，并在傳統PID控制器中引入了模糊控制方法，形成了模糊PID控制。最后對傳統PID控制和模糊PID控制分別進行了數據采集，數據結果表明，模糊PID控制器控制精度能夠達到±1 g，控制效果明顯優于傳統PID控制器。該控制系統能夠顯著提高稱重系統的自動化程度，對提升食品稱量包裝企業生產效率具有重要意義。