基于模糊PID控制的金屬拉鏈自動生產(chǎn)線的控制研究

何用輝

(福建信息職業(yè)技術學院機電工程系，福建 福州 350003)

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基于模糊PID控制的金屬拉鏈自動生產(chǎn)線的控制研究

何用輝

(福建信息職業(yè)技術學院機電工程系，福建 福州 350003)

金屬拉鏈的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量是提高金屬拉鏈工業(yè)競爭力的主要指標.為了能夠避免目前金屬拉鏈生產(chǎn)過程中存在的缺陷，利用模糊PID技術對金屬拉鏈自動生產(chǎn)線進行控制.首先，對金屬拉鏈生產(chǎn)工藝進行了改進；其次，分析了模糊PID控制的基本原理，設計模糊控制規(guī)則和輸出的算法；最后，進行了基于模糊PID技術的金屬拉鏈自動生產(chǎn)線的控制仿真研究.仿真結果表明：利用模糊PID控制技術能夠提高金屬拉鏈生產(chǎn)線的效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量.

模糊PID技術；控制；金屬拉鏈；自動生產(chǎn)線

中國拉鏈行業(yè)經(jīng)過改革開放三十多年的發(fā)展，中國已經(jīng)成為世界上最大的拉鏈生產(chǎn)國、出口國和消費國.但是由于產(chǎn)品結構、生產(chǎn)工藝和技術裝備等諸多因素的影響, 中國拉鏈工業(yè)一直是勞動密集型產(chǎn)業(yè)，至今還沒有太大改變.作為國內(nèi)最具技術與生產(chǎn)實力，位居全國第一、世界第二的福建潯興拉鏈股份有限公司也是如此.其三大產(chǎn)品系列之一的金屬閉口成品拉鏈的生產(chǎn)還是基于傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設備，采用分機流水單線生產(chǎn)方式.整個國內(nèi)金屬閉口拉鏈生產(chǎn)都處于這種生產(chǎn)效率低、人工成本高、產(chǎn)品不良率高的狀態(tài).

目前市場對金屬閉口拉鏈的需求具大，現(xiàn)有的單工序半自動化作業(yè)的生產(chǎn)模式無法滿足大批量定單的需求，而且隨著國際市場競爭加劇，產(chǎn)品質(zhì)量要求提高，這已成為制約中國拉鏈業(yè)發(fā)展的一個重要因素.國內(nèi)拉鏈生產(chǎn)企業(yè)都迫切地需要整合研究新的金屬閉口拉鏈生產(chǎn)工藝，研制開發(fā)出配套的自動化生產(chǎn)設備[1].

傳統(tǒng)的生產(chǎn)線基本上采取PID控制技術，由于金屬拉鏈生產(chǎn)過程的控制具有較大的時滯性和任意性，因此傳統(tǒng)的PID控制技術難以獲得較理想的控制效果.為了能夠提高金屬拉鏈生產(chǎn)線控制的精度和可靠性，將模糊理論融合到傳統(tǒng)的PID控制技術中構造模糊PID控制技術對金屬拉鏈生產(chǎn)線進行控制，以期提高金屬拉鏈生產(chǎn)線的自動化水平.

1　金屬拉鏈生產(chǎn)工藝的改進

目前金屬拉鏈生產(chǎn)工藝存在的缺陷如下所示：

(1)傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝流程基于早期的制造技術和生產(chǎn)裝備水平而開發(fā)，生產(chǎn)工序分割比較單一，生產(chǎn)組織分散，生產(chǎn)工序之間不平衡，工序物流對生產(chǎn)效率產(chǎn)生影響.因此在金屬閉口拉鏈生產(chǎn)工藝上需要結合現(xiàn)代生產(chǎn)方式和裝備技術水平，進行工藝流程的整合與優(yōu)化研究處理，盡量減少生產(chǎn)工序.

(2)由于早期技術的局限，原有的生產(chǎn)流程中有一些工序比如產(chǎn)品質(zhì)量檢測與不良品的剔除這類任務只能依靠人的眼睛來完成，沒有專門的生產(chǎn)設備，不能實現(xiàn)大規(guī)模自動化生產(chǎn).這造成人工成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定，直接影響產(chǎn)品成本和合格率.采用先進的傳感檢測技術和視覺識別技術將逐步成為解決此類技術難題的有效手段.

(3)已有的生產(chǎn)設備都是基于單工序的機械化或半自動化的設備，設備結構與功能單一，不能實現(xiàn)生產(chǎn)過程信息管控，這些設備構建的分機流水單線作業(yè)模式占地面積大，效率低，增加物料周轉成本，不能實現(xiàn)統(tǒng)一自動化控制與管理.

傳統(tǒng)成品拉鏈生產(chǎn)工藝流程及生產(chǎn)實現(xiàn)方式依次如下所示：

成品碼裝→組裝工止碼(工止碼機，半自動)→穿拉鏈頭(穿頭機，半自動)→壓裝上止(上止機，半自動)→切斷(切斷機，全自動)→檢測拉頭LOG(人工，肉眼)→檢測上止(人工，肉眼)→點數(shù)包裝.

該生產(chǎn)以單工序作業(yè)為主，工序長，周轉環(huán)節(jié)多；生產(chǎn)設備以機械化或半自動化單工序機器為主，效率低、占地面積大；一些工序依然依靠人工操作完成，影響品質(zhì)的人為因素較多，質(zhì)量難以控制.根據(jù)現(xiàn)代生產(chǎn)方式和裝備技術水平，進行工藝流程的整合與優(yōu)化處理，主要是針對原有穿拉鏈頭、壓裝上止、切斷工序進行重新研究分析與工藝設計，開發(fā)出一種新的三合一生產(chǎn)工藝流程，自動化生產(chǎn)設備可有效實現(xiàn)拉鏈生產(chǎn)中穿拉鏈頭、壓裝上止、切斷三合一工序的一體化自動化生產(chǎn)過程，提高了生產(chǎn)效率，為新一代金屬閉口拉鏈一體化生產(chǎn)裝備，針對新的生產(chǎn)工藝可以設計出相應的模糊PID控制系統(tǒng).

2　模糊PID控制的基本原理

常規(guī)的PID控制器具備許多優(yōu)點，例如，結構簡單、性能可靠、易于操作等，但也存在一些不足，在金屬拉鏈生產(chǎn)線控制過程中存在許多不確定性因素的擾動，因此控制效果不夠理想，無法達到預計的控制效果.模糊控制是一種先進的控制方法，適應性非常好，在控制過程中比較平穩(wěn)，然而，在控制階段無法將靜態(tài)誤差消除.所以，為了能夠避免常規(guī)PID控制技術和模糊控制技術的缺陷，優(yōu)勢互補，將常規(guī)的PID控制技術和模糊控制技術結合起來，構造了模糊PID控制系統(tǒng).通過模糊控制規(guī)則能夠有效調(diào)節(jié)常規(guī)PID控制器的性能參數(shù)，從而能夠有效地對金屬拉鏈生產(chǎn)線進行自動化控制.

依據(jù)金屬拉鏈自動生產(chǎn)線的控制要求，進行模糊PID控制器的參數(shù)初始化操作，從而能夠確保金屬拉鏈生產(chǎn)線高效地運行，提高金屬拉鏈的加工質(zhì)量，PID控制器參數(shù)自整定方程如下所示[2]：

(1)

式中，kp=0.80、ki=0.06，kd=0.30.

為了能夠避開微分計算，采用一階滯后近似法獲取PID控制器的傳遞函數(shù)，相應的表達式如下所示：

(2)

式中，N為恒定的常數(shù)，按照金屬拉鏈自動生產(chǎn)線的控制要求，N=12.

把模糊控制技術和常規(guī)的PID控制技術融合起來提出一種具有較強自適應性的模糊PID控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的基本原理圖如圖1所示.圖中偏差|e(s)|與偏差變化量|ec(s)|可以變?yōu)楸壤蜃觡p、積分因子ki以及微分因子kd的函數(shù)，相應的數(shù)學模型如下所示：

kp=h1(|e(s)|,|ec(s)|)

(3)

ki=h1(|e(s)|,|ec(s)|)

(4)

kd=h1(|e(s)|,|ec(s)|)

(5)

圖1　金屬拉鏈自動化生產(chǎn)線模糊自適應PID控制系統(tǒng)示意圖

采取模糊PID控制器對金屬拉鏈自動化生產(chǎn)線進行自適應控制，依據(jù)偏差|e(s)|和偏差變化量|ec(s)|以及模糊控制技術的基本理論，制定比例因子變化量Δkp、積分因子變化量Δki以及微分因子變化量Δkd的模糊控制規(guī)則，模糊論域設置為[-5，5].將該論域劃分為七個不同的等級，分別定義為PL、PM、PS、ZE、NS、NM、NL；PL的含義為正大,PM的含義為正中，PS的含義為正小，ZE的含義為零，NS的含義為負小，NM的含義為負中，NL的含義為負大，模糊控制規(guī)則見表1-3[3].

表1　Δkp模糊控制規(guī)則

表2　Δki模糊控制規(guī)則

表3　Δkd模糊控制規(guī)則

模糊PID控制系統(tǒng)的輸出計算程序如下所示：

步驟1：計算模糊推理所有輸出的重心；

步驟2：針對步驟1獲得的重心進行模糊化運算，從而能夠得到精確解，相應的計算表達式如下所示[4]：

(6)

式中，U*為精確解；ρ(i)為比例因子kp、積分因子ki以及微分因子kd的隸屬度函數(shù)，m為輸出的數(shù)量.

3　金屬拉鏈自動生產(chǎn)線模糊PID控制仿真分析

為了驗證所設計的模糊PID控制系統(tǒng)的有效性，進行金屬拉鏈自動生產(chǎn)線的控制仿真分析，利用MATLAB軟件編制控制仿真程序，設備的工作能力為20pcs/m，工作電源為AC220V/50Hz，工作氣源為0.6MPa，拉鏈的長度為100mm，設備的生產(chǎn)節(jié)拍為3s.分別利用傳統(tǒng)的PID控制技術和模糊PID控制技術進行金屬拉鏈自動生產(chǎn)線的控制仿真研究，仿真結果如圖2所示.

圖2　金屬拉鏈控制仿真曲線對比圖

從圖2可以看出，利用模糊PID技術對金屬拉鏈自動生產(chǎn)線進行控制，相對于傳統(tǒng)的PID控制技術，具有超調(diào)量小、響應周期短的優(yōu)點，能夠獲得最佳的控制效果，從而提高金屬拉鏈的加工質(zhì)量.

將該模糊控制系統(tǒng)進行現(xiàn)場應用，獲得了良好的效果，傳統(tǒng)金屬拉鏈生產(chǎn)線和基于模糊PID控制的生產(chǎn)線生產(chǎn)質(zhì)量比較結果見表4.

表4　不同生產(chǎn)線生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量對比

從表4可以看出，利用基于模糊PID控制技術的金屬拉鏈生產(chǎn)線含廢率相對傳統(tǒng)的生產(chǎn)線極大地降低了，具有較高的生產(chǎn)穩(wěn)定性，能夠獲得較好的加工效果.

4　結論

將模糊控制理論和傳統(tǒng)的PID控制技術融合起來提出了模糊PID控制技術，對金屬拉鏈自動化生產(chǎn)線進行控制仿真分析，通過仿真分析可知，利用模糊PID控制技術能夠提高金屬拉鏈生產(chǎn)線的生產(chǎn)穩(wěn)定性，以及金屬拉鏈的生產(chǎn)質(zhì)量.將該控制應用于金屬拉鏈的加工系統(tǒng)中，能夠提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，降低能耗，并且能夠節(jié)省人力和物力，具有較為廣闊的應用前景，能夠提高金屬拉鏈生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益.

[1] 徐超,張淼.基于脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡金屬拉鏈缺陷檢測方法的研究[J].制造業(yè)自動化, 2013,(9):21-25.

[2] 董文彬,肖利紅.基于FUZZY-PID控制的變負載模擬技術的研究[J].航天控制,2010,(2):63-69.

[3] 王典洪,蘇文佳,蔣翔俊,等.模糊控制在數(shù)控火焰切割機自動調(diào)高系統(tǒng)中的應用[J].機床與液壓,2008,(5):124-126.

[4] 宋新甫,梁波.基于模糊自適應P I D的風力發(fā)電系統(tǒng)變槳距控制[J].電力系統(tǒng)保護與控制, 2009,(16):50-54.

(責任編校：晴川)

Research on the Control of Metal Zipper Automatic Production Line Based on Fuzzy PID Control

HE Yonghui

(Department of Mechatronics Engineering, Fujian Polytechnic of Information Technology,Fuzhou Fujian 350003, China)

In order to avoid the disadvantages in the process of metal zipper production, the fuzzy PID technology is used to control automatic production line of the metal zipper. Firstly, the technology of producing metal zipper is improved; secondly, the principles of fuzzy PID control are analyzed, and the fuzzy control rules and output of the algorithm are designed; finally, simulation research of metal zipper automatic production line control based on Fuzzy PID control technology is carried out. The simulation results show that the fuzzy PID control technology can improve the efficiency of metal zipper production line and the product quality.

fuzzy PID technology; control; metal zipper; automatic production line

2016-04-21

2013年福建省科技廳福建省科技計劃重點項目“金屬閉口拉鏈三合一生產(chǎn)工藝研究與自動化設備研制”(批準號：2013H0008)；2014年福建省教育廳福建省中青年教師教育科研項目“基于機器視覺的金屬拉鏈外觀質(zhì)量自動檢測技術研究”(批準號：JA14377).

何用輝(1979— )，男，湖北潛江人，福建信息職業(yè)技術學院機電工程系副教授，碩士.研究方向：機電系統(tǒng)辨識與智能控制.

TM930

A

1008-4681(2016)05-0035-03