基于模糊PID算法的稱重包裝的仿真實(shí)現(xiàn)

江西冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院 楊青青

粉碎生產(chǎn)線是由拼混、研磨、收集物料、稱重包裝、清灰除塵等設(shè)備組成，廣泛應(yīng)用于化工、制藥、食品等行業(yè)。傳統(tǒng)粉碎生產(chǎn)線系統(tǒng)存在的精度不高，系統(tǒng)穩(wěn)定性差的不足，尤其在稱重包裝過(guò)程中，動(dòng)態(tài)稱重具有非線性、強(qiáng)耦合、大滯后等特點(diǎn)，在控制的時(shí)候無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果，會(huì)出現(xiàn)一些預(yù)料不及的狀況，造成稱重包裝時(shí)稱重不準(zhǔn)、精度降低等結(jié)果。為滿足設(shè)計(jì)任務(wù)要求，本文提出了一種自整定模糊PID方法，使得控制方法無(wú)需依賴精確的數(shù)學(xué)模型，只要將經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為模糊語(yǔ)言儲(chǔ)存到控制系統(tǒng)，就可避免超調(diào)量及靜態(tài)誤差過(guò)大，起到理想的智能工業(yè)自動(dòng)化控制效果，同時(shí)對(duì)其在MATLAB仿真軟件中進(jìn)行仿真。

1.稱重包裝環(huán)節(jié)的分析

定量稱重包裝是邊給料邊稱重，當(dāng)物料從稱重漏斗到包裝袋過(guò)程中，作用在包裝袋的力由包裝袋內(nèi)物料的重量和物料的沖擊力組成[1]。當(dāng)加大物料的流量時(shí)，能夠減少時(shí)間，盡快地完成包裝過(guò)程，提高包裝效率，但是物料給料速度增大，也會(huì)使得物料下落的沖擊力變大，沖擊力越大，產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差就越大，而且物料落到稱重斗里會(huì)存在一定時(shí)間，導(dǎo)致這部分物料不能及時(shí)稱重，存在空中落料，故定量稱重包裝不是一個(gè)靜態(tài)不變的過(guò)程而是動(dòng)態(tài)過(guò)程。運(yùn)用模糊控制這種不需要任何精確數(shù)學(xué)模型，只需要專家經(jīng)驗(yàn)的算法，可消除部分隨機(jī)的因素產(chǎn)生的影響，提高定量稱重的精度。

2.模糊自適應(yīng)控制在包裝稱重上的應(yīng)用

2.1 輸入輸出變量的選擇

通過(guò)對(duì)包裝稱重的分析，選取物品包裝稱重量為過(guò)程值，假設(shè)設(shè)定值為300kg，通過(guò)大量的前期經(jīng)驗(yàn)積累和數(shù)據(jù)整理可確定包裝稱重的偏差量e的基本論域?yàn)閇0,16kg]，ec的基本論域?yàn)閇0,90g]

為提高快速性，當(dāng)稱重偏差較大時(shí)用最大速率排料，偏差小于某個(gè)給定值時(shí)，進(jìn)行模糊自適應(yīng)PID控制，來(lái)保證稱重包裝時(shí)的精度。在本文的稱重包裝環(huán)節(jié)中，設(shè)定當(dāng)偏差小于15kg時(shí)，進(jìn)行模糊PID控制電機(jī)，偏差大于15kg時(shí)采用最大速率排料。

2.2 比例因子和輸入輸出域的確定

本文把模糊集分為七檔[2]，取為[ZO、SS、SB、MS、MB、BS、BB]。物理論域定義為[0、1、2、3、4、5、6]。

①對(duì)輸入量偏差e、偏差ec進(jìn)行量化得表1、表2。

表1 輸入量e的量化域

表2 輸入量ec的量化域

2.3 模糊控制規(guī)則的確定

模糊制規(guī)則能夠影響控制器性能，是模糊控制器核心，它主要由專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、操作員操作模式、學(xué)習(xí)等方式取得。

在包裝稱重環(huán)節(jié)中的模糊控制條件語(yǔ)句為(其中Z、SS、SB、MS、MB、BS、BB分別表示模糊子集的零、小小、小大、中小、中大、大小、大大變量)。

2.4 模糊推理運(yùn)算

當(dāng)確立好模糊規(guī)則后，接著就進(jìn)行模糊推理[3]，由于本文采用的是三角形隸屬度分布函數(shù)，出于對(duì)快速性與簡(jiǎn)便性運(yùn)算的考慮，擬選取Mamdani推理法。得出實(shí)時(shí)控制的查詢表如表3所示，ki、kd同略。

表3 Ki實(shí)時(shí)控制的查詢表

3 自適應(yīng)模糊控制器在MATLAB上的應(yīng)用

本文用仿真軟件對(duì)構(gòu)建的模糊自適應(yīng)PID控制器和傳統(tǒng)的PID控制器進(jìn)行仿真比較。MATLAB軟件中的SIMULINK仿真軟件能夠提供一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)建模集成環(huán)境，可以對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行可視化仿真及分析。

輸入階躍信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得出兩個(gè)不同PID算法的輸出曲線對(duì)比圖如圖1所示。

圖1 仿真輸出曲線對(duì)比圖

4 結(jié)論

上述的仿真輸出曲線明顯觀測(cè)到在包裝稱重中模糊自適應(yīng)PID控制器和傳統(tǒng)的PID控制器相比而言效果顯著，模糊自適應(yīng)PID控制器有著較好的穩(wěn)態(tài)性能、較小的超調(diào)量、較快的響應(yīng)時(shí)間、較強(qiáng)的控制精度強(qiáng)且具有良好地抗干擾性。