熱收縮包裝機(jī)的機(jī)械節(jié)能控制器設(shè)計

宋志峰+郭建英+鄭兆順

摘 要： 為了提高熱收縮包裝機(jī)的機(jī)械節(jié)能控制的穩(wěn)定性，進(jìn)行控制器優(yōu)化設(shè)計。提出基于模糊Smith反饋調(diào)節(jié)的機(jī)械節(jié)能控制方法，構(gòu)建熱收縮包裝機(jī)的機(jī)械節(jié)能控制的約束參量模型，進(jìn)行控制律優(yōu)化設(shè)計。采用超低功耗的 ARM Cortex?M0核心控制執(zhí)行元件，在嵌入式環(huán)境下進(jìn)行機(jī)械節(jié)能控制器硬件開發(fā)，包括A/D模塊、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊、程序加載模塊等。實驗測試結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行熱收縮包裝機(jī)的機(jī)械節(jié)能控制穩(wěn)定性較好，降低了熱收縮包裝機(jī)的能量開銷，具有優(yōu)化節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞： 熱收縮包裝機(jī)； 硬件開發(fā)； 節(jié)能控制器； 優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號： TN245?34； TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）24?0115?03

Abstract： In order to improve the mechanical power?saving control stability of the heat shrinkable packaging machine and optimize the controller design， the mechanical power?saving control method based on the fuzzy Smith feedback regulation is proposed. The constraint parameter model of mechanical power?saving control is constructed for the heat shrinkable packaging machine to optimize the control law design. The ARM Cortex?M0 core control executive component with ultra?low power consumption is employed to develop hardware for the mechanical power?saving controller in the embedded environment， including A/D module， electric actuator module， and program loading module. The experimental results show that the method has good stability for mechanical power?saving control of the heat shrinkable packaging machine， reduces power consumption of the heat shrinkable packaging machine， and has good power?saving optimization effect.

Keywords： heat shrinkable packaging machine； hardware development； power?saving controller； optimization design

0 引 言

熱收縮包裝機(jī)也稱收縮機(jī)，廣泛應(yīng)用在玻璃瓶、發(fā)泡膠、紙盒、藥品、化妝品等物品的包裝中，其具有適用范圍廣、密封性好、透明度高等優(yōu)點而受到廣泛應(yīng)用。熱收縮包裝機(jī)采用收縮薄膜包在產(chǎn)品或包裝件外面，然后加熱，實現(xiàn)產(chǎn)品包裝，熱收縮包裝機(jī)的消耗功率很大，容易燒毀線路或電器元件，需要進(jìn)行包裝機(jī)的機(jī)械節(jié)能控制設(shè)計，降低包裝機(jī)的輸出功耗，提高包裝機(jī)機(jī)械控制的穩(wěn)定性[1]。研究熱收縮包裝機(jī)的機(jī)械節(jié)能控制器優(yōu)化設(shè)計方法，實現(xiàn)節(jié)能減排，降低電能消耗，提高包裝機(jī)包裝的平整性。提出基于模糊Smith反饋調(diào)節(jié)的機(jī)械節(jié)能控制方法，進(jìn)行包裝機(jī)機(jī)械節(jié)能控制器的控制算法設(shè)計和控制器硬件設(shè)計。

1 控制律設(shè)計

1.1 控制約束參量分析

為了實現(xiàn)對熱收縮包裝機(jī)的機(jī)械節(jié)能控制，首先構(gòu)建控制約束參量模型。采用嚴(yán)格反饋誤差修正方法提高熱收縮包裝機(jī)的節(jié)能控制性能，以熱收縮包裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度為虛擬控制輸入，構(gòu)建控制器的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

構(gòu)建一個時滯二自由度函數(shù)描述熱收縮包裝機(jī)的機(jī)械節(jié)能控制過程中功率增益，其中。 設(shè)學(xué)習(xí)步長為，經(jīng)過步訓(xùn)練和學(xué)習(xí)后，實現(xiàn)對熱收縮包裝機(jī)的機(jī)械節(jié)能控制的約束參量分析，為進(jìn)行控制器優(yōu)化設(shè)計提供參量輸入基礎(chǔ)。

1.2 控制律優(yōu)化設(shè)計

提出基于模糊Smith反饋調(diào)節(jié)機(jī)械節(jié)能控制方法，構(gòu)建機(jī)械節(jié)能控制Smith控制結(jié)構(gòu)方程為：

選擇合適的步長和初值，輸出包裝機(jī)機(jī)械節(jié)能控制的初始功率損耗變量，，…，，對變量分別乘上權(quán)重值，，…，后的加權(quán)，對機(jī)械節(jié)能控制模態(tài)變量進(jìn)行跟蹤和補償[3]，得到控制器的二自由度約束泛函為：

構(gòu)建非線性耦合的PID控制器，在慣性環(huán)節(jié)加入時滯變量，進(jìn)行機(jī)械節(jié)能控制的功耗調(diào)度，確定時滯耦合系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

通過最大靈敏度反饋方法進(jìn)行機(jī)械節(jié)能控制參數(shù)自鎮(zhèn)定性調(diào)節(jié)，構(gòu)建機(jī)械節(jié)能控制的閉環(huán)控制器律。在持續(xù)擾動下輸入機(jī)械節(jié)能的自變量序列，在控制律中加入時滯積分項，得到熱收縮包裝機(jī)的機(jī)械節(jié)能控制的誤差調(diào)整迭代式為：

在持續(xù)擾動的情況下，為了降低機(jī)械節(jié)能控制器的能量開銷，加入模糊Smith反饋調(diào)節(jié)項[4]，實現(xiàn)機(jī)械節(jié)能控制，得到控制律的輸入/輸出模型如圖1所示。

圖1中：是自適應(yīng)修正參量； 是跟蹤誤差項；與是開環(huán)控制函數(shù)。利用節(jié)能控制思想，當(dāng)，，得到熱收縮包裝機(jī)機(jī)械節(jié)能的動態(tài)跟蹤函數(shù)為：

由此得到控制器信息融合傳遞函數(shù)描述為：

式中，熱收縮包裝機(jī)機(jī)械節(jié)能控制器的輸入向量通過實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，降低了控制器能量開銷。endprint

2 控制器的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

對設(shè)計的控制算法進(jìn)行程序加載，實現(xiàn)控制器的硬件設(shè)計，采用超低功耗的 ARM Cortex?M0核心控制執(zhí)行元件，在嵌入式環(huán)境下進(jìn)行機(jī)械節(jié)能控制器硬件開發(fā)，包裝機(jī)的機(jī)械節(jié)能控制單元包括了信息采集模塊、直接控制模塊、A/D模塊、電動執(zhí)行模塊、嵌入式控制模塊和驅(qū)動模塊等[5]。在上位機(jī)通信模塊設(shè)計中，采用多個內(nèi)部寄存器進(jìn)行指令的緩存設(shè)計，從而降低機(jī)械節(jié)能控制的能量衰減，采用嵌入式的DSP芯片進(jìn)行控制信息的集成處理，從而穩(wěn)定電機(jī)驅(qū)動器的轉(zhuǎn)速，提高控制器的穩(wěn)定性，得到控制器的功能結(jié)構(gòu)組成框圖如圖2所示。

在控制器的執(zhí)行單元中，采用低功耗的DSP控制A/D轉(zhuǎn)換頻率，進(jìn)行熱收縮包裝機(jī)控制信號采集和總線控制處理，通過功率增益放大模塊提高包裝機(jī)的機(jī)械節(jié)能控制的輸出功率增益?？刂破髟O(shè)計采用3層結(jié)構(gòu)，采用TMS320VC5509A DSP芯片進(jìn)行包裝機(jī)機(jī)械節(jié)能控制的嵌入式集成信息處理[6]，采集控制指令進(jìn)行包裝過程的智能判斷，并在嵌入式環(huán)境下進(jìn)行機(jī)械節(jié)能控制器硬件開發(fā)。對控制器功能模塊化設(shè)計描述如下：

（1） A/D模塊

A/D模塊是實現(xiàn)對包裝機(jī)機(jī)械節(jié)能控制的控制信息采集和數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能，采用16位定點DSP進(jìn)行控制器的A/D模塊外圍電路設(shè)計，建立多線程驅(qū)動的A/D程序加載模型。在ARM?Linux 平臺上進(jìn)行熱收縮包裝機(jī)的機(jī)械節(jié)能控制器的控制參量設(shè)定和控制算法寫入，控制器的A/D模塊由A/D、D/A、信號處理器（DSP）等部分組成。假設(shè)控制的D/A的輸入功率范圍是0～10 W，通過控制器的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，A/D模塊輸出的頻域響應(yīng)特性如圖3所示。

（2） 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊

電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊是控制器的核心控制模塊，采用ADI公司的ADSP21160作為主控芯片，通過低功耗的嵌入式控制，進(jìn)行浮點DSP和定點DSP的雙線程程序加載，使用8位A/D芯片進(jìn)行電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的聯(lián)動控制。在整個熱收縮包裝機(jī)控制的中樞單元中，采用交流驅(qū)動放大方式降低能量損耗，實現(xiàn)機(jī)械節(jié)能控制和電動執(zhí)行[7]。

（3） 程序加載模塊及輸出接口模塊

對輸入熱收縮包裝機(jī)控制信號進(jìn)行放大濾波處理，通過程序加載模塊進(jìn)行邏輯控制和程序?qū)懭?。在Visual DSP++ 4.5編譯程序進(jìn)行控制算法的人機(jī)交互編譯，在嵌入式環(huán)境下進(jìn)行輸出接口設(shè)計和程序加載。采用12通道DMA總線內(nèi)部系統(tǒng)進(jìn)行時鐘控制[8]，實現(xiàn)熱收縮包裝機(jī)機(jī)械節(jié)能控制器的優(yōu)化設(shè)計。

3 實驗測試分析

在控制器實驗分析中，外部接口片選信號為多字節(jié)的控制命令字，采用十六進(jìn)制的串口總線進(jìn)行控制命令寫入。設(shè)定機(jī)械節(jié)能控制的A/D采樣位數(shù)為12位，控制指令切換模式為知識規(guī)則庫引導(dǎo)模式，設(shè)定控制指令信息的采樣周期為0.02 s，模糊Smith控制的指令循環(huán)周期為0.25 s。控制器的輸出接口觸發(fā)真值表見表1。

根據(jù)上述實驗環(huán)境和參量設(shè)定，進(jìn)行熱收縮包裝機(jī)的機(jī)械節(jié)能控制仿真，得到控制輸出的收斂性曲線如圖4所示。采用不同方法進(jìn)行節(jié)能控制后的功率能量開銷對比結(jié)果如圖5所示。分析圖5中結(jié)果得知，本文控制器的收斂性較好，提高了機(jī)械節(jié)能性能。

4 結(jié) 語

本文進(jìn)行熱收縮包裝機(jī)的控制器優(yōu)化設(shè)計，提出基于模糊Smith反饋調(diào)節(jié)的機(jī)械節(jié)能控制方法，并進(jìn)行實驗對比分析。實驗結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行熱收縮包裝機(jī)的機(jī)械節(jié)能控制和穩(wěn)定性較好，降低了熱收縮包裝機(jī)能量開銷，具有優(yōu)化節(jié)能效果，控制性能優(yōu)越。

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