食品包裝機薄膜橫封溫度控制的算法設(shè)計

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

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

為了實現(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進行閉環(huán)反饋控制。PID控制方法雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)、可靠性高等眾多優(yōu)點[7-9]，但對于溫控系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)是一個非線性、時變性、時變性的復(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，通常將研究重點放在智能控制算法上，利用智能控制器本身的優(yōu)勢，彌補PID控制方法的不足。

為了提高食品包裝機塑料薄膜橫封溫度控制性能，設(shè)計一款基于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，實現(xiàn)PID參數(shù)的在線自適應(yīng)調(diào)整。通過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。通過加熱電阻絲對橫封器進行加熱，橫封機構(gòu)在對包裝膜進行封合和切斷時，要保證在切斷包裝膜的瞬間，切刀旋轉(zhuǎn)的線速度與送膜機構(gòu)牽引輪對包裝膜的牽引速度一致，否則會撕拉膜，使橫封口部位起皺或拉長，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)時間，為保證包裝機能夠連續(xù)準確地進行橫封封切，應(yīng)使切刀的空轉(zhuǎn)時間稍大于或等于輸送一個袋長的時間，所以橫封機構(gòu)的運轉(zhuǎn)是非勻速轉(zhuǎn)動的。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 橫封機構(gòu)模型

此外橫封機構(gòu)與整機之間設(shè)計升降螺桿和滑槽，使橫封機構(gòu)能夠上下移動，從而調(diào)節(jié)橫封切刀的高度，使橫封封切時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PID控制器實現(xiàn)固態(tài)繼電器的控制，并通過溫度傳感器對橫封溫度進行采集，并將采集到的值傳送到PLC模擬量采集模塊中，并通過溫度設(shè)定值和實際值比較，獲得PID輸出，再將其轉(zhuǎn)化為控制量進而實現(xiàn)橫封溫控系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

為實現(xiàn)橫封溫度的閉環(huán)自動控制，通常采用PID進行控制，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間。

為了在控制器中實現(xiàn)PID控制，需要將式（1）進行離散化處理，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，主要通過高精度的溫度傳感器對橫封刀具溫度進行采集獲得實時溫度，并由模擬量采集模塊將信號傳送到控制器中，控制器內(nèi)部的溫控軟件將當前溫度與目標溫度進行對比，智能控制算法對加熱器開關(guān)的固態(tài)繼電器進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對溫度的閉環(huán)控制。

為實現(xiàn)橫封刀具溫度自適應(yīng)控制，設(shè)計一種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?？刂破髦饕葿P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和傳統(tǒng)PID控制器組成，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器實現(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)

定義機筒溫度偏差為：

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

通過對PID進行離散化可得：

式中：u(k)為控制器輸出；Kp、KI、KD為PID的3個調(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個輸入節(jié)點、5個隱含節(jié)點、3個輸出節(jié)點。輸入層輸入變量為預(yù)設(shè)溫度值、實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：

輸出層的輸出對應(yīng)PID控制器的3個參數(shù)，即：

定義溫度控制系統(tǒng)的性能指標函數(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

為了驗證設(shè)計食品包裝機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BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器和傳統(tǒng)PID控制器進行仿真分析。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)定時間約25 s，響應(yīng)時間約18 s，而傳統(tǒng)PID控制器超調(diào)量約24%，穩(wěn)定時間約60 s，響應(yīng)時間約25 s。通過對比數(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)定時間短，超調(diào)量更小。

5 結(jié)語

為了提高食品包裝機塑料薄膜橫封溫度控制精度，設(shè)計一種基于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)能力實現(xiàn)對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)定時間短，超調(diào)量更小。