基于HMM的煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏方法

李 慧，劉 方，張林崗，胡镕顯，張建曉

(河南中煙工業(yè)有限責任公司南陽卷煙廠，河南 南陽 473000)

0 引言

如今，煙草市場的規(guī)模越來越大，煙草包裝機的種類不斷增多，包裝技術也在不斷地更新，并在細支卷煙的生產中廣泛應用[1]。在煙草包裝機工作的過程中，額定的生產速度是300 包/min，但受內襯紙在傳輸過程中不穩(wěn)定因素的影響，使內襯紙漂移、傾斜而造成內襯紙的褶皺和破爛等情況，嚴重影響了運行效率，使實際的生產效率只能達到額定生產速度的90%左右[2]。煙草包裝機的內襯紙在傳輸過程中，受外部因素干擾，以及設備本身振動的影響，使內襯紙偏離設定的輸送位置，這種偏離導致生產效率下降。因此，要對煙草包裝機內襯紙輸送位置進行糾偏。傳統(tǒng)糾偏方法一般有帶材纏繞和皮帶輸送糾偏等[3]，其原理主要是通過改變內襯紙輸送的傾斜角和位移方向，從而實現對內襯紙輸送位置的糾偏，提高煙草包裝機的生產效率和生產質量。

呂旭悅等[4]為了提高煙草包裝機的裝袋產量與質量，提出了一種基于CCD成像的內襯紙輸送位置糾偏檢測方法。首先利用CCD成像原理，采集煙草包裝機運行過程中的CCD信號，通過對信號的有效辨別，判別在煙草包裝機運行過程中是否存在偏移，并通過顯示控制器直接獲取發(fā)生內襯紙偏移的位置。結果表明，當CCD的灰度值發(fā)生明顯變化時，說明內襯紙存在偏移情況，相對于傳統(tǒng)的內襯紙輸送位置糾偏檢測方法，該方法穩(wěn)定性和準確性都有所提高，但成功率較低。呂俊霞等[5]提出一種基于模糊控制器的薄膜跑偏糾錯方法，用來提高鮮切蔬菜包裝薄膜的包裝效率與質量。在該糾錯方案中，首先采集薄膜跑偏的位置，并利用模糊控制器對跑偏位置的具體偏離原因進行分析，再根據聚類分析法計算出薄膜跑偏量，最后利用模糊控制器實現對鮮切蔬菜包裝的薄膜位置的準確定位。實驗結果表明，該方法可以將誤差控制在±0.56 mm內，可有效提高系統(tǒng)的跑偏糾錯精度，但是糾偏速度較慢。

基于上述的研究背景，本文利用隱馬爾可夫模型(HMM)設計了煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏方法，從而保證煙草包裝機的工作效率。通過本文方法的研究，有效提升了煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏效果，提升了煙草包裝機包裝的工作效率。

1 煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏方法設計

1.1 煙草包裝機內襯紙輸送原理分析

煙草包裝機內襯紙輸送原理如圖1所示。

圖1 煙草包裝機內襯紙輸送原理

煙草包裝機的內襯紙帶穿過雙輥筒過程中，經過壓紋輥筒的處理，再利用輥筒進行角度調節(jié)，利用輥筒進行石蠟油或者橄欖油涂抹，依次經過聚氨酯輥和輥筒，利用切刀完成內襯紙的分割[6]。內襯紙段通過組件進行輸送，到達輥筒組件的位置，再經過快速下拉等操作，最終送到托腳2上。

內襯紙輸送主要包括2步：切割前內襯紙的輸送和切割后變成內襯紙段的輸送過程。切割前，內襯紙的輸送過程主要依靠輥筒來完成，此時內襯紙未被切割，輸送過程的位置糾偏主要考慮前后偏移的問題。切割后，內襯紙被分割成多個獨立的個體，出現歪斜和偏移的幾率更大，在實際生產過程中，發(fā)生偏離故障多存在于切割后。

1.2 煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏裝置設計

在對煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏的過程中，結合HMM模型的觀測向量，設計了煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏裝置[7]。該裝置原理主要是利用工業(yè)相機獲取內襯紙輸送過程的圖像，先將圖像傳送給計算機，然后利用計算機圖像處理技術，計算出內襯紙輸送過程中的位置偏移角度，再通過串口回傳給煙草包裝機進行軌道修正，完成糾偏過程。在整個糾偏過程中，計算機根據煙草包裝機的輸出電流判斷運行狀態(tài)，由此調節(jié)內襯紙雙側皮帶的速度。煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏裝置如圖2所示。

圖2 內襯紙輸送位置糾偏裝置結構

內襯紙輸送位置糾偏裝置結構主要由機架和伺服電機構成，輔助構件包括移動滑臺、電磁鐵和相機等。煙草包裝機內襯紙兩側的皮帶分別受控于伺服電機，相對獨立。電機的機架是整體架構的核心裝置，通過調節(jié)滑臺的位置，可以實現對機架位置的調節(jié)[8]。對于內襯紙兩側皮帶的調節(jié)，主要通過電磁鐵來實現，內襯紙被夾雜在2個皮帶之間，電磁鐵則配置在皮帶上方，通過對電磁鐵的調節(jié)，實現對皮帶壓緊力的調節(jié)。相機主要用來獲取內襯紙輸送過程中的圖像，然后計算出偏移距離，最后通過兩側皮帶進行糾偏。

1.3 煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏速度約束

在對煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏的過程中，使包裝機內襯紙兩側的皮帶都以曲線形式進行減速，直到速度為0[9]。煙草包裝機的內襯紙兩側皮帶的速度不同，左側皮帶轉速會高于右側皮帶，這種差值通過計算煙草包裝機內襯紙的偏移和傾斜角，就能得到

L(Vl)-L(Vr)=Dp(d,θ)

(1)

L()為煙草包裝機內襯紙兩側皮帶傳輸速度在位置糾偏過程中產生的偏離位移；Vl和Vr分別為煙草包裝機內襯紙左側皮帶和右側皮帶的速度；Dp(d,θ)為煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏過程中兩側皮帶的距離差。

在對內襯紙輸送位置角度進行糾偏的過程中，假設內襯紙兩側皮帶的速度一致、方向相反[10]。在整個內襯紙輸送位置糾偏過程中，煙草包裝機正常運轉，得到新的偏離位置的糾偏傾斜角，即

L(Vl)=Da(d,θ)

(2)

L(Vl)為內襯紙輸送位置角度糾偏過程中皮帶的速度；Da(d,θ)為內襯紙輸送位置糾偏過程中左側皮帶前進的距離。

在完成煙草包裝機內襯紙輸送位置角度的糾偏后，即完成對煙草包裝機內襯紙輸送位置的糾偏[11]。此時，內襯紙兩側皮帶的速度都為0，同時對兩側皮帶進行加速，使輸送速度達到Vp，將內襯紙送出糾偏位置，進行正常的生產工作。

為了提高內襯紙輸送位置的糾偏的效率，需要內襯紙兩側的皮帶以最快速度達到煙草包裝機偏移量的距離。內襯紙兩側皮帶的速度越快，糾偏效率越高，但誤差也隨之增大[12]，因此，為了保證糾偏后的質量，需要對煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏速度進行約束，得到

(3)

Amax為煙草包裝機輸送的最長距離；Jmax為煙草包裝機輸送的最大角度；Vd(max)為最大速度差值。

根據以上過程，完成煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏速度約束。

1.4 基于HMM構建包裝機內襯紙輸送位置糾偏算法

利用煙草包裝機內襯紙皮帶運行的速度，表示內襯紙輸送位置的傳輸過程，根據HMM模型的概率分布密度產生的內襯紙輸送狀態(tài)序列[13]，得到煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏控制公式為

(4)

u為煙草包裝機的輸出電壓；e(k)為內襯紙系統(tǒng)的偏差；ec為左側和右側皮帶的運行速度；KI為積分系數；KP為比例系數；KD為微分系數。

為了保證煙草包裝機的工作效率，在計算過程中對內襯紙輸送位置進行糾偏，減小微分值對計算結果的影響[14]，利用糾偏算法進行糾偏操作。煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏控制結構，如圖3所示。

圖3 煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏控制結構

圖3中，K1為初始輸入位置的待定系數；S為電壓切換開關；P為控制回路中的峰值電壓；M為電壓變化值；E(t)為輸送位置的輸入值。

利用HMM模型獲取到包裝機內襯紙輸送位置的隱藏變量[15]，得到煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏控制公式為

(5)

u(k)為煙草包裝機內襯紙系統(tǒng)的輸出值；uP(k)為實際的監(jiān)測值；uS(k)為目標值。

在煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏算法中，利用HMM模型產生的內襯紙狀態(tài)序列，輸入內襯紙雙側皮帶的偏差值和積分系數，對煙草包裝機內襯紙的皮帶進行調速，實現對煙草包裝機內襯紙輸送位置的糾偏。

2 實驗分析

2.1 實驗參數

為了確保本文方法在糾偏精度、速度以及成功率方面滿足應用需求，根據煙草企業(yè)對包裝機內襯紙輸送位置的糾偏要求，設置實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

2.2 實驗指標

實驗過程中，先利用位置糾偏精度和時長作為評價指標，位置糾偏精度指的是糾偏后的煙草包裝機內襯紙輸送位置與煙草包裝機內襯紙原輸送位置之間的精密程度，糾偏精度越高說明糾偏效果越好，反之則差，糾偏時長越久說明糾偏速度越慢，反之則快。然后利用糾偏成功率作為評價指標，糾偏成功率指的是正確糾偏的內襯紙輸送位置占所有糾偏樣品的比例，成功率越高說明糾偏效果越好，反之則差。

2.3 結果分析

在保證表1實驗參數不變的前提下，為了突出本文方法在實際應用中的優(yōu)越性，引入基于線陣CCD的糾偏方法和基于模糊控制的糾偏方法作對比，測試了3種方法的煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏效果和性能。

3種方法的內襯紙輸送位置糾偏精度測試結果如圖4所示。

圖4 內襯紙輸送位置糾偏精度測試結果

從圖4可以看出，采用本文方法可以使煙草包裝機內襯紙?zhí)幱谧顑?yōu)的輸送位置，內襯紙輸送位置糾偏精度最高達到了97%，最低也達到了90%；而采用基于線陣CCD的糾偏方法和基于模糊控制的糾偏方法也可以提高內襯紙輸送位置糾偏精度，2種方法的糾偏精度范圍分別為65%～78%和79%～87%。因此，可以說明文中糾偏方法可以通過提高內襯紙輸送位置糾偏精度提高煙草包裝機內襯紙輸送位置的糾偏效果。

3種方法的內襯紙輸送位置糾偏時長測試結果如圖5所示。

圖5 內襯紙輸送位置糾偏時長測試結果

從圖5可以看出，在6個內襯紙輸送位置中，本文方法可以有效提高糾編速度，大大縮短了內襯紙輸送位置糾偏時長并且整個實驗測試過程中，內襯紙輸送位置糾偏時長波動比較小，說明本文方法可以通過縮短內襯紙輸送位置糾偏時長提高糾偏速度。

3種方法的內襯紙輸送位置糾偏成功率測試結果如圖6所示。

圖6 內襯紙輸送位置糾偏成功率測試結果

從圖6可以看出，采用本文方法得到的內襯紙輸送位置糾偏成功率是最大的，當糾偏到第4個內襯紙輸送位置時，本文方法的糾偏成功率高于其他2種糾偏方法，但是當糾偏到第6個內襯紙輸送位置時，本文方法的糾偏成功率大約為81.2%，基于線陣CCD的糾偏方法和基于模糊控制的糾偏方法得到的內襯紙輸送位置糾偏成功率分別為71.8%和70%，說明本文方法可以通過提高內襯紙輸送位置糾偏成功率提高煙草包裝機內襯紙輸送位置的糾偏效果。

3 結束語

本文提出了基于HMM的煙草包裝機內襯紙輸送位置糾偏方法研究，經測試發(fā)現，該糾偏方法不僅具有更好的糾偏效果，還可以提高糾偏性能。但本文研究中還存在很多不足，在今后的研究中，將對內襯紙的受力情況進行模擬研究，避免包裝機內襯紙在運行過程中出現變形。