食品包裝機械智能稱重系統(tǒng)設(shè)計

喬計，張永勝

阿拉善職業(yè)技術(shù)學院（阿拉善盟 750306）

智能稱重系統(tǒng)集成計算機控制、自動化控制、電氣、機械等技術(shù)，該類自動稱量設(shè)備具有稱量效率高、計量準確等優(yōu)點，因此在醫(yī)藥、水泥、食品包裝、糧食加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-3]。實現(xiàn)智能稱重的關(guān)鍵點在于完成物料精確計量，而精確計量的前提是物料質(zhì)量的實時準確反饋[4-5]。因此，控制系統(tǒng)性能直接決定稱重精度。通常情況下，定量稱重系統(tǒng)具有非線性、滯后性，而且慣性比較大，很難準確建立被控對象的數(shù)學模型。如果提高包裝速度，會導致空中飛料、物料沖擊，進而降低稱重精度；如果提高包裝精度，勢必影響包裝效率[6-9]。如何設(shè)計一種智能控制方法同時兼顧包裝效率和稱重精度以提高系統(tǒng)整體性能就顯得十分重要。

針對上述問題，眾多學者將先進控制方法引入到稱重系統(tǒng)，如馬麗娟等[10]結(jié)合模糊控制理論設(shè)計一種模糊PID控制器，并將其用于定量包裝機；仿真結(jié)果表明，該控制器實際效果比較理想；雖然該控制器推理能力比較突出，但是存在控制盲區(qū)。吳宇平等[11]結(jié)合RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計一種定量稱重控制器并將其用于包裝系統(tǒng)，該控制器不依賴于被控對象數(shù)學模型，但是學習周期過長、參數(shù)選擇不便、算法收斂速度慢，在一定程度上限制其在稱量系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用。

以食品包裝機械智能稱重系統(tǒng)為研究對象，基于迭代學習算法設(shè)計一種控制器，同時搭建試驗平臺進行驗證。

1 包裝稱重系統(tǒng)

包裝稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括給料設(shè)備、稱重傳感器、電磁閥、控制器等。通常情況下，稱重傳感器會安裝在稱重平臺底部；稱重平臺中有物料時，稱重傳感器會生成一種模擬信號；模擬信號經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后變成與模擬信號相對應(yīng)的數(shù)字信號；該數(shù)字信號會被發(fā)送到控制器，如單片機；通過比較質(zhì)量設(shè)定值和實際值可以得到質(zhì)量偏差數(shù)值；根據(jù)偏差數(shù)值實現(xiàn)電磁閥1開啟或斷開時間控制，調(diào)節(jié)物料質(zhì)量；打開電磁閥2，使物料進入包裝袋以完成包裝。串口可用于單片機和PC機之間的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)包裝稱重系統(tǒng)的遠程控制。觸摸屏則用于稱重參數(shù)設(shè)置、生產(chǎn)過程參數(shù)顯示等，是一種比較常見的人機交互界面。

圖1 包裝稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 控制算法

2.1 稱重過程分析

稱重配料過程不確定因素較多，具有較強的非線性。若采用傳統(tǒng)控制方法，往往無法取得理想控制效果。試驗選用迭代學習算法設(shè)計一種稱重控制器。

在稱重過程中，質(zhì)量達到設(shè)定值就會立刻關(guān)閉電磁閥，肯定存在一定滯后。該滯后所產(chǎn)生的空中余料就是影響稱重精度的主要因素。為了盡可能地減小空中余料所造成的誤差，采用提前關(guān)閉電磁閥的方法，即在質(zhì)量未達到設(shè)定值之前關(guān)閉電磁閥。待空中余料全部落入稱重平臺后，就可獲得稱重過程的實際質(zhì)量WZ，其可表示為：

式中：WG為電磁閥關(guān)閉時稱重平臺已有物料質(zhì)量；WY為空中余料質(zhì)量。

電磁閥關(guān)閉時稱重平臺已有物料質(zhì)量WG能實時測得，若能準確預判空中余料質(zhì)量WY，便可實現(xiàn)整個包裝稱重過程的精確控制。稱重過程曲線如圖2所示。

圖2 稱重過程曲線

假設(shè)電磁閥關(guān)閉提前量為u，那么WG還可表示為：

式中：WS為稱重系統(tǒng)質(zhì)量設(shè)定值。

電磁閥關(guān)閉時，稱重平臺內(nèi)物料高度可表示為：

空中余料高度可表示為：

那么空中余料質(zhì)量可表示為：

可得稱重平臺內(nèi)物料實際質(zhì)量，即：

式中：k為比例系數(shù)，用于描述物料高度和質(zhì)量之間的比例關(guān)系；S為下料口橫截面積；H為下料口和稱重平臺底部之間的距離，這3個參數(shù)比較容易確定。P為空中余料比重?？紤]到在很短的時間內(nèi)，物料顆粒、濕度不會出現(xiàn)明顯變化，為便于分析，將ρ視作相對穩(wěn)定。如果設(shè)定值WS保持不變，單次稱重過程的實際質(zhì)量WZ僅受電磁閥關(guān)閉提前量u影響。所以可將WZ表示成一個關(guān)于u的函數(shù)，即：

因此，稱重精度控制可簡化為電磁閥關(guān)閉提前量u的控制，只要該提前量設(shè)計合適，就可實現(xiàn)對稱重過程的精確控制。

2.2 迭代學習控制器

根據(jù)迭代學習控制的基本原理，在每次稱量過程中，可設(shè)定一個期望質(zhì)量軌跡yd(t)，t∈[t1, t3]；提前量u(t)作為控制量；在其所用下，確保物料實際質(zhì)量軌跡無限趨近yd(t)。

假設(shè)控制量初始值為：

式中：u0可根據(jù)實際情況選取，令u0=WS/10。在第1次稱重過程中，稱重平臺內(nèi)物料實際質(zhì)量為WS-u1時就關(guān)閉電磁閥。待空中余料全部落入稱重平臺后，可得物料實際質(zhì)量值W1，定義W1和WS之間的偏差為：

定義新控制量為：

式中：r為加權(quán)學習因子。在第2次稱重過程中，則需要按照u2提前關(guān)閉電磁閥，那么第2次稱重偏差可表示為：

式中：W2為物料質(zhì)量實際值。依次類推，可定義第k次稱重時提前量為uk，物料質(zhì)量實際值為Wk，實際值和設(shè)定值之間誤差ek可表示為：

根據(jù)迭代學習規(guī)則，第k+1次稱重時電磁閥關(guān)閉提前量uk+1可表示為：

式中：加權(quán)學習因子r的取值范圍通常設(shè)定為0＜r＜1。

在整個迭代過程中，如果ek＜0，則表示負向迭代，此時uk會變??；反之，如果ek＞0，則表示正向迭代，此時uk變大。經(jīng)證明，可假設(shè)每次訓練的初始條件均滿足ek(0)＞0；如果訓練次數(shù)足夠多，即k→∞，便可實現(xiàn)實際輸出數(shù)值無限逼近期望數(shù)值。誤差可被控制在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)，即滿足：

式中：ε為系統(tǒng)所能容忍的最大誤差。

3 試驗研究

3.1 平臺搭建

為驗證所述智能稱重迭代學習控制器的可行性和有效性，進行相關(guān)試驗研究。搭建試驗平臺，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。智能稱重系統(tǒng)包括控制器及其外圍電路、輸入輸出和光電隔離模塊、串口通信模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、電源模塊、傳感器信號測量模塊等。微控制器選用W77E58單片機，該單片機的處理速度是普通單片機的2.5倍；數(shù)據(jù)存儲空間為512 B；程序存儲空間為32 kB；支持定時器/計數(shù)器、串口通信、I/O口等；具有正常和省電2種工作模式。

所述稱重傳感器為電阻應(yīng)變式傳感器，具體型號為H3-C3，靈敏度可達2 mV/V。稱重傳感器信號由測量電路獲取，測量電路的作用在于：稱重信號濾波、放大，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，然后發(fā)送給W77E58單片機。模數(shù)轉(zhuǎn)換器型號為AD7730，可利用SPI總線和單片機通訊。另外，開關(guān)信號需經(jīng)光電隔離后傳送至單片機。系統(tǒng)時鐘芯片型號為DS12887，可提供時間、日期、系統(tǒng)時鐘信號、非易失性RAM等。

觸摸屏是一種比較常見的顯示終端，使用簡單、操作方便、便于二次開發(fā)，可實現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)（質(zhì)量、包裝數(shù)量、包裝速度）設(shè)置及設(shè)備運行狀態(tài)顯示。另外，采用RS485總線實現(xiàn)系統(tǒng)遠程監(jiān)控，有利于提高工業(yè)自動化程度。

圖3 平臺硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 試驗結(jié)果

包裝對象為粉末狀食品，以嬰幼兒奶粉為例，包裝質(zhì)量設(shè)定為400，600和900 g，每個質(zhì)量均進行10次試驗，試驗結(jié)果如表1～表3所示。

質(zhì)量為400 g時，填充質(zhì)量的絕對誤差最大值為6.62 g，相對誤差最大值為1.57%，填充時間約3 s；質(zhì)量600 g時，填充質(zhì)量的絕對誤差最大值為9.68 g，相對誤差最大值為1.61%，填充時間約4 s；質(zhì)量900 g時，填充質(zhì)量的絕對誤差最大值為11.66 g，相對誤差最大值為1.3%，填充時間約5 s。

查閱相關(guān)資料可知，現(xiàn)有粉末狀食品包裝稱量設(shè)備，填充質(zhì)量相對誤差一般在5%左右。該系統(tǒng)的填充質(zhì)量相對誤差小于2%，而且填充效率較高。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的稱重精度較高，收斂速度較快，大幅提高了生產(chǎn)效率；而且在試驗過程中，系統(tǒng)運行相對比較穩(wěn)定。

表1 400 g試驗結(jié)果

表2 600 g試驗結(jié)果

表3 900 g試驗結(jié)果

4 結(jié)論

以食品機械為研究對象，重點討論其稱重系統(tǒng)。通過分析稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及稱重過程，得出影響稱重精度的主要因數(shù)就是空中余料?；诘鷮W習控制算法設(shè)計一種智能稱重控制器并將其應(yīng)用到具體食品包裝機械中。結(jié)果表明，該系統(tǒng)的稱重精度較高，收斂速度較快，大幅提高生產(chǎn)效率；試驗過程中，系統(tǒng)運行相對穩(wěn)定。智能稱重系統(tǒng)可在多種包裝機械中推廣使用。