食品包裝機(jī)薄膜橫封溫度控制的算法設(shè)計(jì)

楊丹

常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院（常州 213164）

隨著生活水平的提高，高品質(zhì)、外觀精美的食品越來(lái)越受到消費(fèi)者的重視，尤其高品質(zhì)、外觀精美的蔬菜水果，越來(lái)越受到消費(fèi)者的青睞，所以對(duì)食品進(jìn)行包裝是食品工業(yè)領(lǐng)域新的發(fā)展方向[1-3]。為了適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展以及消費(fèi)者的需求，國(guó)內(nèi)外包裝設(shè)備也在快速地提升品質(zhì)，與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的食品包裝機(jī)在靈活性、包裝速度和效率上均稍有遜色，國(guó)內(nèi)食品包裝基本還處于手工包裝或者用簡(jiǎn)易封口設(shè)備進(jìn)行的半自動(dòng)包裝水平，一般的包裝機(jī)也是對(duì)特定的一種尺寸產(chǎn)品進(jìn)行包裝作業(yè)[4-6]。

食品在包裝過(guò)程中，通常是將具有良好熱塑性的塑料薄膜通過(guò)加熱裝置進(jìn)行加熱軟化后制成一定形狀的袋體，并在特定設(shè)備上自動(dòng)完成制袋成型、填充物料、封合剪切等一系列的動(dòng)作。塑料薄膜在加熱過(guò)程中必須對(duì)溫度進(jìn)行精確、穩(wěn)定控制，溫度過(guò)低導(dǎo)致塑料薄膜軟化不夠不能有效密封，溫度過(guò)高則導(dǎo)致塑料薄膜碳化，這些均會(huì)導(dǎo)致次品產(chǎn)生，嚴(yán)重甚至導(dǎo)致機(jī)器停止運(yùn)行，從而嚴(yán)重影響食品加工企業(yè)的生產(chǎn)效率。

為了實(shí)現(xiàn)食品包裝用塑料薄膜橫封加熱溫度精確控制，通常采用PID進(jìn)行閉環(huán)反饋控制。PID控制方法雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、可靠性高等眾多優(yōu)點(diǎn)[7-9]，但對(duì)于溫控系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)是一個(gè)非線性、時(shí)變性、時(shí)變性的復(fù)雜系統(tǒng)，單純PID控制方法并不能起到理想的效果。為提高PID控制性能，通常將研究重點(diǎn)放在智能控制算法上，利用智能控制器本身的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)PID控制方法的不足。

為了提高食品包裝機(jī)塑料薄膜橫封溫度控制性能，設(shè)計(jì)一款基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的塑料薄膜橫封溫控系統(tǒng)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自我學(xué)習(xí)能力，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線自適應(yīng)調(diào)整。通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力，提高塑料薄膜溫度加熱系統(tǒng)的控制性能。

1 橫封結(jié)構(gòu)及橫封溫度控制原理

橫封機(jī)構(gòu)采用回轉(zhuǎn)式，主要由回轉(zhuǎn)軸座、切刀、加熱電極等零部件組成。橫封結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。通過(guò)加熱電阻絲對(duì)橫封器進(jìn)行加熱，橫封機(jī)構(gòu)在對(duì)包裝膜進(jìn)行封合和切斷時(shí)，要保證在切斷包裝膜的瞬間，切刀旋轉(zhuǎn)的線速度與送膜機(jī)構(gòu)牽引輪對(duì)包裝膜的牽引速度一致，否則會(huì)撕拉膜，使橫封口部位起皺或拉長(zhǎng)，影響產(chǎn)品美觀，甚至?xí)镀瓢b袋，降低成品率，影響包裝效率。

另外需要合理控制切刀的空轉(zhuǎn)時(shí)間，為保證包裝機(jī)能夠連續(xù)準(zhǔn)確地進(jìn)行橫封封切，應(yīng)使切刀的空轉(zhuǎn)時(shí)間稍大于或等于輸送一個(gè)袋長(zhǎng)的時(shí)間，所以橫封機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)是非勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的。速度還可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，從而適用于不同物料。

圖1 橫封機(jī)構(gòu)模型

此外橫封機(jī)構(gòu)與整機(jī)之間設(shè)計(jì)升降螺桿和滑槽，使橫封機(jī)構(gòu)能夠上下移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)橫封切刀的高度，使橫封封切時(shí)封口位置正好在包裝物的中心處。

2 橫封溫度控制原理

食品包裝機(jī)塑料薄膜溫度控制系統(tǒng)由可編程控制器PLC、繼電器、加熱電阻絲、溫度采集系統(tǒng)組成，溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 橫封溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

橫封溫控系統(tǒng)通常是通過(guò)PID控制器實(shí)現(xiàn)固態(tài)繼電器的控制，并通過(guò)溫度傳感器對(duì)橫封溫度進(jìn)行采集，并將采集到的值傳送到PLC模擬量采集模塊中，并通過(guò)溫度設(shè)定值和實(shí)際值比較，獲得PID輸出，再將其轉(zhuǎn)化為控制量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)橫封溫控系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

為實(shí)現(xiàn)橫封溫度的閉環(huán)自動(dòng)控制，通常采用PID進(jìn)行控制，傳統(tǒng)PID控制數(shù)學(xué)模型為：

式中：Kp比例系數(shù)；Ti和Td分別為積分和微分時(shí)間。

為了在控制器中實(shí)現(xiàn)PID控制，需要將式（1）進(jìn)行離散化處理，即：

由式（1）和（2）可得：

式中：n為采樣次數(shù)；en為采集值；Un為控制器輸出。

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器

橫封軸溫度控制，主要通過(guò)高精度的溫度傳感器對(duì)橫封刀具溫度進(jìn)行采集獲得實(shí)時(shí)溫度，并由模擬量采集模塊將信號(hào)傳送到控制器中，控制器內(nèi)部的溫控軟件將當(dāng)前溫度與目標(biāo)溫度進(jìn)行對(duì)比，智能控制算法對(duì)加熱器開關(guān)的固態(tài)繼電器進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的閉環(huán)控制。

為實(shí)現(xiàn)橫封刀具溫度自適應(yīng)控制，設(shè)計(jì)一種BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID溫度自適應(yīng)控制器，控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。控制器主要由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和傳統(tǒng)PID控制器組成，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)的在線調(diào)整[10-13]。

圖3 控制器結(jié)構(gòu)

定義機(jī)筒溫度偏差為：

式中：r(k)為溫度測(cè)量值，溫度設(shè)定的目標(biāo)值；e(k)為控制偏差。

通過(guò)對(duì)PID進(jìn)行離散化可得：

式中：u(k)為控制器輸出；Kp、KI、KD為PID的3個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用3層結(jié)構(gòu)，包含4個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)、5個(gè)隱含節(jié)點(diǎn)、3個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)。輸入層輸入變量為預(yù)設(shè)溫度值、實(shí)際溫度值及二者偏差。隱含層輸入變量可用輸入層所有輸出的加權(quán)和表示，則有：

式中：i=1，2，…，M；j=1，2，…，L；M為輸入層神經(jīng)元數(shù)目；L為隱含層神經(jīng)元數(shù)目；wi(j2)為連接權(quán)值；xi(1)為輸入層第i個(gè)神經(jīng)元的輸入值。

定義隱含層激活函數(shù)為：

那么隱含層輸出可表示為：

輸出層輸入可表示為：

式中：k=1, 2, …,k；k為輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)。

輸出層激活函數(shù)為：

輸出層的輸出可表示為：

輸出層的輸出對(duì)應(yīng)PID控制器的3個(gè)參數(shù)，即：

定義溫度控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)函數(shù)為：

按照梯度下降法修正網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)，網(wǎng)絡(luò)輸出層加權(quán)系數(shù)的學(xué)習(xí)算法可表示為：

同理，可得隱含層加權(quán)系數(shù)的學(xué)習(xí)算法：

式中：η為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率；α為系統(tǒng)慣性系數(shù)。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)食品包裝機(jī)塑料薄膜橫封溫度自適應(yīng)控制方法的有效性，利用Simulink工具箱對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器和傳統(tǒng)PID控制器進(jìn)行仿真分析。基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器和傳統(tǒng)PID控制器的單位階躍響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 仿真曲線

由仿真曲線可知，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器的超調(diào)量約6%，穩(wěn)定時(shí)間約25 s，響應(yīng)時(shí)間約18 s，而傳統(tǒng)PID控制器超調(diào)量約24%，穩(wěn)定時(shí)間約60 s，響應(yīng)時(shí)間約25 s。通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，BP神經(jīng)網(wǎng)路PID控制器響應(yīng)速度比傳統(tǒng)PID控制器響應(yīng)速度較快，但穩(wěn)定時(shí)間短，超調(diào)量更小。

5 結(jié)語(yǔ)

為了提高食品包裝機(jī)塑料薄膜橫封溫度控制精度，設(shè)計(jì)一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的橫封溫度自適應(yīng)控制方法。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自我學(xué)習(xí)能力實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的在線自適應(yīng)調(diào)整，從而提高橫封軸溫度的精確控制。仿真結(jié)果表明，BP神經(jīng)網(wǎng)路PID控制器響應(yīng)速度比傳統(tǒng)PID控制器響應(yīng)速度較快，但穩(wěn)定時(shí)間短，超調(diào)量更小。