飲料食品灌裝封蓋機(jī)封蓋壓力動態(tài)控制方法

楊玉蘭

河南省智慧農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測控制工程技術(shù)研究中心（鄭州 450046）

灌裝機(jī)的功能是將飲料裝入容器內(nèi)并進(jìn)行封口，其被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中，如汽水、啤酒、果汁飲料等產(chǎn)品的裝填灌注[1-2]。灌裝過程主要分為瓶閥對中、開閥充氣等壓、進(jìn)液回氣、關(guān)閥泄壓、灌裝結(jié)束5個步驟，結(jié)束灌裝后通過中間波輪進(jìn)入封蓋機(jī)，隨封蓋回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，在運(yùn)行過程完成封蓋?？梢哉f，灌裝封蓋機(jī)是飲料包裝機(jī)械的重要組成部分，其工作效率會影響灌裝機(jī)的整體效率。灌裝封蓋機(jī)的工作原理是“有瓶開閥灌裝，無瓶不開閥”，其機(jī)型具備多種功能，通過裝換不同的配件可完成口服液與白酒酒蓋的防盜蓋和軋蓋、各種塑料蓋的擰蓋、汽水啤酒等皇冠蓋的壓蓋[3]。傳統(tǒng)灌裝封蓋機(jī)的封蓋壓力難以掌控，難以集約化控制量化指標(biāo)，過大的壓力會導(dǎo)致封蓋損壞以至失敗，過小的壓力則會導(dǎo)致封蓋密封不嚴(yán)、產(chǎn)品質(zhì)量不合格等問題[4-5]。

針對封蓋壓力難以控制的問題，許多學(xué)者對此展開研究。如：張偉等[6]采用帶有死區(qū)的PID控制算法設(shè)計壓力容器壓力跟蹤控制方法；高錦等[7]設(shè)計基于失配補(bǔ)償Smith-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主蒸汽壓力控制方法。但是通過實際應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)這兩種方法并不能有效保證動態(tài)壓力控制的穩(wěn)定性。

可編程邏輯控制器（PLC）為解決這一問題提供可能。PLC是專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，其程序編寫以梯形圖形式出現(xiàn)，主要功能包括主機(jī)的關(guān)停、點動調(diào)試、碎瓶的清理、開關(guān)的控制、故障停機(jī)等[8]。PLC具有結(jié)構(gòu)靈活、維護(hù)簡單、體積小的優(yōu)點。為此，針對傳統(tǒng)方法的不足，利用PLC對灌裝封蓋機(jī)封蓋壓力展開動態(tài)控制，通過將一個PLC控制器與灌裝封蓋機(jī)電性連接從而改進(jìn)灌裝封蓋機(jī)對封蓋壓力的控制，并利用參數(shù)自整定模糊PID控制算法有效解決常規(guī)的PLC控制器因只能實現(xiàn)靜態(tài)耦合與穩(wěn)態(tài)誤差的消除而導(dǎo)致的壓力控制效果較差問題，以期利用有效減少機(jī)械使用成本，保證設(shè)備安全平穩(wěn)的運(yùn)行，提高生產(chǎn)的自動化效率和生產(chǎn)質(zhì)量，保障經(jīng)濟(jì)效益。

1 封蓋動態(tài)控制方法設(shè)計

1.1 PLC的組成

PLC結(jié)構(gòu)基本組成如圖1所示，其核心是中央處理單元，受系統(tǒng)程序的管理控制。

圖1 PLC的基本組成

PLC通過分析控制封蓋對象的壓力情況為其編制用戶程序，中央處理器CPU對編制的程序和控制對象相關(guān)設(shè)置進(jìn)行保存，并按照編制的用戶程序?qū)Ρ４娴男畔⑦M(jìn)行處理。灌裝封蓋機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)向輸入接口發(fā)送工作命令，這些信息通過中央處理器CPU處理后以輸出信號的形式由輸出接口反饋至執(zhí)行機(jī)構(gòu)以完成工作命令[9]。同時，該P(yáng)LC在運(yùn)行過程中還可以通過擴(kuò)展接口接收來自擴(kuò)展單元的信號，通過外部設(shè)備接口接收來自其它PLC、編程器、監(jiān)控設(shè)備、外部儲存器等設(shè)備的信號。

1.2 控制算法

PLC的編寫應(yīng)用參數(shù)自整定模糊PID控制算法，可以在實現(xiàn)封蓋壓力靜態(tài)耦合控制與穩(wěn)態(tài)誤差消除的同時，通過模糊控制較強(qiáng)的自適應(yīng)能力消除動態(tài)耦合[10]。圖2顯示參數(shù)自整定模糊PID控制算法的結(jié)構(gòu)。

圖2 參數(shù)自整定模糊PID控制算法結(jié)構(gòu)框圖

應(yīng)用參數(shù)自整定模糊PID控制算法后的PLC控制器，可通過模糊控制加快壓力偏差較大時的響應(yīng)速度，還可以在壓力偏差較小時，在浸入穩(wěn)態(tài)過程中切換到PID控制，從而消除靜差、提高控制精度[11-12]。

通過離散化處理模糊PID控制算法控制規(guī)律中的積分與微分項，可得到離散PID控制表達(dá)式。

式（1）適合應(yīng)用于PLC控制器的采樣控制中，式中第f次采樣時刻的計算機(jī)輸出值、輸入的偏差值分別為n(f)、e(f)；第(f-1)次采樣時刻輸入的偏差值為e(f-1)；Fp、Fi、Fd分別代表比例、積分、微分的系數(shù)；Fi=FpL/Li；Fd=FpLd/L；積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)、采樣周期、采樣序號分別用Li、Ld、L、f表示。

在采樣控制中，n(f)=n(f-1)+Δn(f)。同時，利用遞推原理可得出式（2）。

式中：Δe(f)=e(f)-e(f-1)；Δn(f)為控制增量，其只與最近采樣偏差值e(f)、e(f-1)采樣和e(f-2)采樣相關(guān)，算式不需要進(jìn)行累加，誤差對控制量的計算影響小，控制效果好。PID算法中的Fp、Fi、Fd必須符合被控對象結(jié)構(gòu)與參數(shù)。灌裝封蓋機(jī)的提高響應(yīng)速度與降低超調(diào)量存在無法調(diào)和的矛盾，需要通過模糊控制消除動態(tài)耦合[13-14]。

參數(shù)自整定模糊PID控制算法的輸入值為誤差e和其誤差變化率ec，輸出值為PID參數(shù)的調(diào)整量ΔFp，ΔFi及ΔFd。對運(yùn)行中的誤差e和其誤差變化率ec進(jìn)行不間斷的檢測，按照模糊控制原理在線修改PID參數(shù)，保證e和ec發(fā)生變化時的控制參數(shù)滿足其要求，使得被控對象具備優(yōu)良的動態(tài)性能與靜態(tài)性能[15]。誤差e、誤差變化率ec，以及模糊判決輸出值ΔFp，ΔFi及ΔFd的模糊集合通過模糊PID控制算法擇出，其結(jié)果表現(xiàn)為語言值{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}={負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}；通過產(chǎn)生式規(guī)則表示e，ec，ΔFp，ΔFi及ΔFd隸屬函數(shù)的一般形式如式（3）。

式中：偏差與偏差變化率分別為Au與Bu；模糊PID控制算法具備比例、積分、微分的作用，分別利用Fpu、Fiu及Fdu表示，并通過PC（ΔFpu&ΔFiu&ΔFdu）表達(dá)，其中存在輸出值ΔFpu、ΔFiu和ΔFdu分別對應(yīng)Au和Bu。

基于PLC的壓力控制流程如圖3所示。

圖3 基于PLC的壓力控制流程圖

在初始化罐裝封蓋機(jī)后，通過PLC控制器對被封蓋壓力控制物體實施封蓋壓力控制，按下啟動按鈕，啟動電磁閥和真空泵展開被控目標(biāo)封蓋壓力控制，通過PLC控制器的參數(shù)自整定模糊PID控制算法的參數(shù)整定，判斷壓力值是否達(dá)到額定值。若未達(dá)到，繼續(xù)執(zhí)行參數(shù)整定，直至壓力達(dá)到額定值，從而完成對封蓋壓力的動態(tài)控制。

2 結(jié)果與分析

為驗證設(shè)計的基于PLC的灌裝封蓋機(jī)封蓋壓力動態(tài)控制方法的實際應(yīng)用性能，設(shè)計仿真試驗加以驗證。

2.1 試驗設(shè)備

以圖4所示的灌裝封蓋機(jī)為試驗對象，使其與PLC控制器之間形成電性連接，從而探究試驗方法的封蓋壓力動態(tài)控制性能。灌裝封蓋機(jī)參數(shù)如下：機(jī)器功率370 W，整機(jī)質(zhì)量65 kg，生產(chǎn)能力25個/min，適應(yīng)范圍：罐直徑39～150 mm、罐高度30～150 mm。

圖4 灌裝封蓋機(jī)

2.2 結(jié)果分析

為有效驗證試驗方法對灌裝封蓋機(jī)封蓋壓力的應(yīng)用性能，避免試驗結(jié)果的單一性，試驗選取試驗方法、基于帶有死區(qū)PID控制算法的壓力跟蹤控制方法（文獻(xiàn)[6]方法）、基于失配補(bǔ)償Smith-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壓力控制方法（文獻(xiàn)[7]方法）對封蓋壓力進(jìn)行動態(tài)控制，通過對比3種方法封蓋壓力動態(tài)控制效果驗證試驗方法的優(yōu)劣。

對比3種方法在設(shè)定的灌裝機(jī)封蓋壓力3 MPa時，封蓋壓力的階躍響應(yīng)曲線，其結(jié)果如圖5所示。

通過圖5可以得出，試驗方法控制下的封蓋壓力能夠從初始點0快速到達(dá)設(shè)定值3 MPa；基于帶有死區(qū)PID控制算法的方法控制下的封蓋壓力的波動幅度較大，在30 s后才能趨于平穩(wěn)，且其平穩(wěn)后的壓力接近設(shè)定壓力；基于失配補(bǔ)償Smith-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法控制下的封蓋壓力的波動幅度是3種方法中最大，經(jīng)過40 s才能趨于平衡，且其高于設(shè)定壓力。相比之下，試驗方法控制下的封蓋壓力比基于帶有死區(qū)PID控制算法的方法、基于失配補(bǔ)償Smith-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法控制下的封蓋壓力的超調(diào)量更小、調(diào)節(jié)時間更短，同時試驗方法還可以保證工作點附近小范圍震蕩的消除與不存在穩(wěn)態(tài)誤差，從而驗證采用試驗方法控制下的灌裝封蓋機(jī)封蓋壓力的響應(yīng)時間短、自動控制精度高。

圖5 3種方法的封蓋壓力階躍響應(yīng)曲線

在此基礎(chǔ)上，將封蓋壓力調(diào)整為4 MPa，分別應(yīng)用3種方法進(jìn)行罐裝封蓋機(jī)封蓋壓力動態(tài)控制，并對壓力變化過程進(jìn)行實時監(jiān)測，結(jié)果如圖6所示。

圖6中A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)分別代表模擬擾動下封蓋壓力超值波動的階段、不同方法自動控制的響應(yīng)階段及不同方法控制下的壓力趨于穩(wěn)定的階段。在4 MPa壓力設(shè)定值下進(jìn)行模擬擾動，封蓋壓力存在超值波動，圖6（a）中封蓋壓力產(chǎn)生超值波動的最大波動幅度為0.36 MPa，是壓力設(shè)定值的9%，說明試驗方法在2:00時通過分析計算開始自動控制，在5 s的控制響應(yīng)時間后將壓力波動控制在-0.03～0.03 MPa范圍內(nèi)；圖6（b）中封蓋壓力產(chǎn)生超值波動的最大波動幅度為0.51 MPa，是壓力設(shè)定值的12.75%，說明基于帶有死區(qū)PID控制算法的方法在2:00時通過分析計算開始自動控制，在6 s的控制響應(yīng)時間后將壓力波動控制在-0.1～0.1 MPa范圍內(nèi)；圖6（c）中封蓋壓力產(chǎn)生超值波動的最大波動幅度為0.59 MPa，是壓力設(shè)定值的14.75%，說明基于失配補(bǔ)償Smith-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法在2:00時通過分析計算開始自動控制，在6 s的控制響應(yīng)時間后將壓力波動控制在-0.2～0.2 MPa范圍內(nèi)。3種方法下自動控制的壓力不再出現(xiàn)超值波動的情況，雖然都趨于穩(wěn)定，但是試驗方法的波動范圍最小，波動幅度最穩(wěn)定，其他2種方法的控制誤差、時滯均大于試驗方法。

圖6 3種方法的壓力波動情況

調(diào)整壓力值為0.5 MPa，統(tǒng)計采用3種方法進(jìn)行封蓋壓力自動控制時的性能，試驗結(jié)果如表1所示。

通過表1可知，試驗方法控制下的灌裝封蓋機(jī)的超調(diào)量為0.11%，只需5 s的調(diào)節(jié)時間便能控制封蓋壓力維持穩(wěn)定，且其封蓋壓力控制誤差小、時滯短，在消除穩(wěn)態(tài)誤差的同時解決了響應(yīng)速度提高與超調(diào)量降低之間矛盾，綜合性能明顯優(yōu)于其他2種方法。

表1 不同方法的多項性能對比結(jié)果

試驗結(jié)果驗證應(yīng)用試驗方法的灌裝封蓋機(jī)在實際運(yùn)行過程中可以針對不同封蓋要求快速達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到封蓋壓力動態(tài)控制的目的。

為驗證試驗方法對灌裝封蓋機(jī)壓力控制過程中的隨機(jī)擾動的抑制能力和穩(wěn)定魯棒性，設(shè)定封蓋壓力在50 s時的恒定干擾幅值為5%，并對其加入一個隨機(jī)噪聲，最大幅值為設(shè)定值的0.5%。3種方法控制下灌裝封蓋機(jī)的響應(yīng)特性如圖7所示、控制器的相應(yīng)輸出如圖8所示。

通過圖7和圖8可知，應(yīng)用試驗方法后的灌裝封蓋機(jī)封蓋壓力因隨機(jī)擾動造成相應(yīng)波動的幅值相較于對比方法較小，與其相應(yīng)控制器的輸出變化幅度也相對最小，能夠保障灌裝封蓋機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。相比于2種對比方法，試驗方法對隨機(jī)擾動的抑制能力和魯棒性更好。

圖7 不同方法對隨機(jī)擾動的抑制能力

圖8 隨機(jī)擾動下3種方法的控制器輸出

3 結(jié)語

針對基于PLC的灌裝封蓋機(jī)封蓋壓力動態(tài)控制方法展開研究，通過應(yīng)用PLC控制器實現(xiàn)對灌裝封蓋機(jī)的封蓋壓力控制。通過對比方法驗證試驗方法的優(yōu)越性，其對機(jī)器的響應(yīng)速度、控制精度均高于2種對比方法，同時具備較好的擾動抑制能力。整個封蓋過程的運(yùn)行得到更加安全平穩(wěn)的保障。同時實現(xiàn)壓力的迅速平穩(wěn)，控制性能顯著。