基于模糊專家控制的微孔檢測電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)

魏瀟瀟，馬 鉞，陳 帥，吳景輝

WEI Xiao-xiao, MA Yue, CHEN Shuai, WU Jing-hui

（中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，沈陽 110179）

0 引言

密封包裝食品在生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)針孔或細(xì)微劃破等肉眼很難發(fā)現(xiàn)的缺陷，時(shí)間長了會侵入雜菌，使食品腐爛變質(zhì)。傳統(tǒng)對于密封食品的包裝檢驗(yàn)主要通過人工挑揀，挑揀效率較低且容易發(fā)生漏檢現(xiàn)象。要實(shí)現(xiàn)對密封包裝食品的高效精確自動在線檢測就需要使用微孔檢測技術(shù)。

所謂微孔檢測，是通過對密封包裝食品兩端施加高頻直流高壓電：密封包裝食品的一端施加正極，一端施加負(fù)極。當(dāng)密封包裝食品有針孔或劃破等缺陷時(shí)，會產(chǎn)生較強(qiáng)烈的介質(zhì)阻擋放電現(xiàn)象[1]，通過檢測檢知電流超過閥值的脈沖數(shù)可以判定密封食品的包裝是否出現(xiàn)缺陷，如判定為次品則向PLC發(fā)出剔除信號，將次品剔除。高頻高壓放電電源電壓的高低會直接影響到剔除率的高低，如果電壓過大，剔除率過高，誤剔率增大；電壓過低，剔除率過低，有可能會有次品漏剔。無論剔除率過低或過高都會影響檢測效果，所以需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電壓控制剔除率。由于不同批次產(chǎn)品的包裝厚度不同，針孔或劃破面積大小也不同，導(dǎo)致每批次產(chǎn)品導(dǎo)電率不同，又無法在不破壞食品包裝的情況進(jìn)行在線檢測導(dǎo)電率，所以無法確定被控對象模型，過去只能根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度低而且影響操作工的工作效率。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊專家控制系統(tǒng)，將人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了對密封包裝食品微孔檢測裝置高頻高壓放電電源電壓的精確自動調(diào)節(jié)。

1 微孔檢測原理和特性分析

1.1 微孔檢測基本原理

微孔檢測用于對密封包裝食品的針孔和細(xì)微劃破等缺陷的檢測。密封食品的包裝一般是塑料材質(zhì)，絕緣性較高，而內(nèi)部食品的導(dǎo)電性較高，在密封包裝食品兩端施加高頻高壓電，一端是正電極，一端是負(fù)電極。如果食品包裝密封良好，塑料包裝可以等效成在電極和內(nèi)部食品之間形成的靜電電容，內(nèi)部食品可以等效成電阻，所以整個(gè)密封包裝食品可以看成是由兩個(gè)電容和一個(gè)電阻組成的等效電路[2]，等效電路圖如圖1所示。

圖1 電極檢測等效電路圖

圖1 中e為高頻高壓放電電源，e12為施加到密封包裝食品兩端的高頻高壓電壓，Rs為保護(hù)電阻，G為電流檢測器，C1和C2為塑料包裝的等效電容，Rc為內(nèi)部食品的等效電阻。當(dāng)密封食品包裝良好時(shí)，整個(gè)電路成高阻狀態(tài)，檢知電流很低；當(dāng)塑料包裝有針孔或劃破缺陷時(shí)，其中一個(gè)電容視為短路，當(dāng)e12調(diào)到適合電壓時(shí)另一個(gè)電容C1或C2會被擊穿，和內(nèi)部食品構(gòu)成回路，檢測到的檢知電流會大幅增加，當(dāng)超過設(shè)定的閥值的脈沖數(shù)過多時(shí)，判斷為次品并向PLC發(fā)出剔除信號。

放電電壓e通過通過IGBT的通斷調(diào)節(jié)電壓PWM控制的占空比，放電電壓大小與IGBT通斷時(shí)間的關(guān)系如式(1)所示。

其中Ton為IGBT接通時(shí)間，Toff為IGBT斷開時(shí)間，Um為輸入電壓，U0為輸出電壓。由于占空比D=Ton/T，式(1)可化為：

1.2 被控對象特性

通過對微孔檢測原理的分析，可以看出密封食品塑料包裝的厚度不同時(shí)，等效電容大小不同，所需的擊穿電壓值不同；針孔大小不同時(shí)，產(chǎn)生的檢知電流不同。所以如果電源電壓不變，檢知電流會產(chǎn)生較大變化，造成剔除率的大幅波動，從而影響檢測結(jié)果，因此需要對電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。但由于密封食品塑料包裝厚度和針孔大小無法進(jìn)行在線測量，無法建立被控對象模型，且剔除率誤差值和電壓值之間的關(guān)系是非線性的，傳統(tǒng)控制難以實(shí)現(xiàn)對電壓的在線自動調(diào)節(jié)，只能通過人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動調(diào)節(jié)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)自適應(yīng)專家控制器[3]，以人工調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)為知識庫基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了對電壓的在線自動調(diào)節(jié)。

2 模糊專家控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 模糊專家控制系統(tǒng)介紹

專家系統(tǒng)通過某種知識獲取手段，把人類專家的領(lǐng)域知識和經(jīng)驗(yàn)技巧移植到計(jì)算機(jī)中，并且模擬人類專家的推理、決策過程，表現(xiàn)出求解復(fù)雜問題的人工智能。它與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和常規(guī)的軟件程序相比，具有顯著的特點(diǎn)[4]。

專家主要由知識庫和推理機(jī)組成。知識庫存放著作為專家經(jīng)驗(yàn)的判斷性知識，用于某種結(jié)論的推理、問題的求解，以及對于推理、求解知識的各種控制知識；另外還有一種敘述性知識，也稱為數(shù)據(jù)。推理機(jī)通過計(jì)算機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)對知識庫中兩類知識的運(yùn)用。推理機(jī)的運(yùn)行主要分為三種形式：正向推理，反向推理和雙向推理。

由于傳統(tǒng)專家系統(tǒng)只能用精確的數(shù)字和符號值來表示專家知識，當(dāng)控制器的輸入和輸出值無法用精確數(shù)字來表示時(shí)，就需要引入模糊數(shù)學(xué)概念，模糊專家控制系統(tǒng)就是采用模糊集、模糊數(shù)和模糊關(guān)系來表示和處理知識的不確定性和不精確性。

2.2 模糊專家控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)微孔檢測系統(tǒng)剔除率和放電電壓之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊專家控制器，并根據(jù)人工調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)建立控模糊制規(guī)則集，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。模糊知識庫包括模糊控制規(guī)則和模糊數(shù)據(jù)庫，模糊推理機(jī)包括解釋程序和調(diào)度程序。

圖2 模糊專家控制系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)輸入量為剔除率的設(shè)定值和當(dāng)前值的誤差值E與電壓當(dāng)前值V，輸出U為控制器調(diào)整后電壓值。

2.3 模糊專家?guī)旖?/h3>

2.3.1 模糊化處理

1）確定輸入量E、V和輸出U的論域?yàn)椋簕-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}。

2）根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)測得剔除率誤差值范圍為[-5,5]，電壓當(dāng)前值和輸出值值范圍是[30,90]，根據(jù)標(biāo)度變化公式計(jì)算后再取整可算出模糊化后的輸入值x0。式(3)為標(biāo)度變化公式，式(4)為量化因子k計(jì)算公式。其中xmin為輸入量變化范圍最小值，xmax為輸入量變化范圍最大值，x'為輸入量實(shí)際值?？筛鶕?jù)現(xiàn)場實(shí)際情況調(diào)整輸入量和輸出量的變化范圍。

3）定義5個(gè)模糊子集{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}，所有模糊子集的元素x都用符號表示為{NB,NS,ZO,PS,PB}。隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)，隸屬度 ( )xμ 和模糊子集元素x的函數(shù)賦值表如表1所示。

表1 隸屬度賦值表

2.3.2 建立模糊專家控制規(guī)則

對于專家控制系統(tǒng)，產(chǎn)生式規(guī)則是現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的一種知識表示方式[5]。由于規(guī)則庫中知識都具有相同格式，且全局?jǐn)?shù)據(jù)可被所有規(guī)則訪問，而規(guī)則庫中的規(guī)則可以統(tǒng)一處理。另外其模塊性結(jié)構(gòu)有利于知識修改和擴(kuò)充。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗(yàn)確定本系統(tǒng)的推理規(guī)則。例如當(dāng)剔除率誤差值E為負(fù)很大且當(dāng)前電壓V很小的時(shí)候，需要輸出電壓值很大。建立模糊規(guī)則表如表2所示。

根據(jù)模糊推理規(guī)則，采用Mamdani推理法計(jì)算各輸入輸出值的模糊蘊(yùn)含關(guān)系：

其中：i=1,2,…,5，j=1,2,…,5，k=1,2,…,25；

最后求得總模糊蘊(yùn)含關(guān)系為：

表2 模糊規(guī)則表

根據(jù)不同的輸入量計(jì)算出輸出值U的隸屬的函數(shù)，采用重心法求出在模糊論域內(nèi)的輸出值，總結(jié)出本系統(tǒng)的模糊決策表如表3所示。

2.3.3 清晰化處理

將模糊決策表的輸出值經(jīng)過標(biāo)度變換變換成實(shí)際精確的輸出值，式(5)為標(biāo)度變換公式：

表3 電壓輸出值U的模糊決策表

3 模糊專家控制器的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用效果

3.1 程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用松下FP-X系列PLC控制器，編程軟件采用松下的FP-PRO軟件[6]。由于電源電壓的調(diào)節(jié)頻率不需要很高，通過定時(shí)中斷進(jìn)入電壓自動調(diào)節(jié)子程序。剔除率的實(shí)際值可通過計(jì)算得到，計(jì)算公式為：

微孔檢測裝置每檢測到一個(gè)次品向PLC發(fā)送一個(gè)脈沖，產(chǎn)品總數(shù)由計(jì)數(shù)傳感器裝置向PLC發(fā)送脈沖，每檢測到一個(gè)密封包裝食品，發(fā)送一個(gè)脈沖。人機(jī)交互界面通過臺達(dá)的DOP系列觸摸屏實(shí)現(xiàn)，可以在觸摸屏上設(shè)定剔除率設(shè)定值和剔除率誤差值與電壓值變化范圍，并可以監(jiān)控剔除率和電壓值的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

本系統(tǒng)還對剔除率和電壓值做了限位報(bào)警功能：當(dāng)剔除率誤差值超過設(shè)定的報(bào)警閥值時(shí)，說明微孔檢測線路板可能出現(xiàn)異常，這時(shí)觸發(fā)報(bào)警并停止設(shè)備運(yùn)行；當(dāng)電壓超過設(shè)定的報(bào)警閥值時(shí)，電源電壓過高可能會燒壞高壓檢測線路造成危險(xiǎn)，這時(shí)停止電壓自動調(diào)節(jié)，改成手動調(diào)節(jié)。

微孔檢測高頻高壓放電電源電壓調(diào)節(jié)模糊專家控制系統(tǒng)流程圖如圖3所示。當(dāng)設(shè)備剛啟動時(shí)，產(chǎn)品數(shù)量較低，剔除率不穩(wěn)定，所以需等設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后再運(yùn)行密封包裝食品電極檢測電源電壓自動調(diào)節(jié)程序。程序開始運(yùn)行時(shí)先對系統(tǒng)的控制參數(shù)進(jìn)行初始化，然后建立模糊專家控制系統(tǒng)的知識庫，包括模糊數(shù)據(jù)庫和模糊規(guī)則庫的建立。在觸摸屏上選擇微孔檢測電壓自動調(diào)節(jié)后，通過定時(shí)中斷調(diào)用電源電壓調(diào)節(jié)模糊專家控制子程序，對微孔檢測電源電壓進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，執(zhí)行完子程序后返回主程序。當(dāng)監(jiān)測到電源電壓值超過設(shè)定的報(bào)警閥值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警，停止電源電壓自動調(diào)節(jié)，切換到手動調(diào)節(jié)；定期人工檢驗(yàn)檢測效果，如果有漏剔則增大剔除率設(shè)定值，如果有誤剔則減小剔除率設(shè)定值。當(dāng)檢測到剔除率誤差值超過設(shè)定的報(bào)警閥值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警，停止設(shè)備運(yùn)行，排查電極檢測線路是否故障。當(dāng)選擇手動電壓調(diào)節(jié)時(shí)可以在觸摸屏上手動設(shè)定電源電壓值。

圖3 模糊專家控制系統(tǒng)流程圖

3.2 現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用效果

將本系統(tǒng)應(yīng)用在實(shí)際項(xiàng)目當(dāng)中，監(jiān)控記錄剔除率的趨勢圖如圖4所示。

本圖為剔除率設(shè)定值是3%時(shí)，剔除率的趨勢圖。在產(chǎn)品數(shù)量比較小的時(shí)候剔除率波動較大，不啟動電壓自動調(diào)節(jié)程序，當(dāng)產(chǎn)品數(shù)量大于200根時(shí)，啟動電壓自動調(diào)節(jié)程序。通過剔除率趨勢圖可以看出，經(jīng)過模糊專家系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，可以很快實(shí)現(xiàn)對剔除率的精確穩(wěn)定控制，穩(wěn)定的剔除率對微孔檢測效果影響很重要。剔除率波動范圍過大會造成漏剔和誤剔現(xiàn)象增加。

圖4 剔除率趨勢圖

4 結(jié)論

本文分析了密封包裝食品微孔檢測系統(tǒng)的基本原理，得出要提高微孔檢測的檢測效率需要將剔除率控制在恰當(dāng)?shù)脑O(shè)定值范圍內(nèi)，剔除率直接受高頻高壓放電電源電壓大小的影響，但由于不同批次的產(chǎn)品塑料包裝厚度不同，針孔或劃破大小不同，且無法在線測量，因此不能確定被控對象數(shù)學(xué)模型，且電源電壓與剔除率之間關(guān)系也是非線性的，所以傳統(tǒng)控制難以實(shí)現(xiàn)對剔除率的良好控制只能根據(jù)人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動調(diào)節(jié)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊專家控制器，將人工調(diào)節(jié)電源電壓的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成控制規(guī)則集存入模糊知識庫，并介紹了模糊專家控制器的結(jié)構(gòu)和各部分組成[7]。通過PLC編程軟件實(shí)現(xiàn)模糊專家控制器的程序設(shè)計(jì)，并將本模糊專家控制器應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目當(dāng)中。通過監(jiān)測剔除率實(shí)際值的采樣值分布圖可以看出本模糊專家控制器可以實(shí)現(xiàn)對剔除率的良好控制。由于微孔檢測剔除率不止受放電電壓的影響，還受設(shè)定的檢知電流閥值、濾波參數(shù)等影響，今后還需經(jīng)過試驗(yàn)分析總結(jié)得出各參數(shù)對剔除率的影響并將人工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成控制規(guī)則補(bǔ)充到模糊專家控制知識庫當(dāng)中，使控制過程更智能。

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