塊狀食品枕式包裝機多軸同步控制

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院蘇州工業(yè)園區(qū)分院，江蘇 蘇州 215100)

0 引言

枕式食品包裝機是用于固體食品包裝的常用設備。隨著計算機技術、自動化技術和傳感器技術的發(fā)展，食品包裝機也得到了快速發(fā)展，它有效地提高包裝機械的工作效率以及工作精度，大大提高了生產(chǎn)效率[1-3]。

傳統(tǒng)的食品包裝機通常是通過一個機械總軸由鏈條和齒輪將各傳動軸連接起來，但該傳動方式由于由機械結構連接，使得誤差不斷積累，從而導致其控制精度差，且其中一個傳動鏈條出現(xiàn)問題，需要對其他機構重新調(diào)整調(diào)試。因此，在食品包裝高速運行的情況下，傳統(tǒng)的控制方法很難達到高精度、高效率以及高自動化的包裝效果。

無軸傳動技術完全摒棄了傳統(tǒng)的鏈接傳統(tǒng)，通過軟件控制方法將各軸分別獨立進行控制，使得各軸能夠相互聯(lián)系又互不干擾，從而實現(xiàn)多軸電機的同步自動控制[4-6]。目前，多軸同步控制方法主要有主從級聯(lián)控制、交叉耦合控制和偏差耦合控制等。主從控制方法較早應用到同步控制中的，該方法主要是后級電機以前級電機作為目標值進行跟隨，其余電機均跟隨主軸運動，但該控制方法不存在耦合性，當存在擾動時，其同步控制效果并不理想。

為了實現(xiàn)枕式食品包裝機的多軸同步控制，實現(xiàn)同步控制過程中能夠在干擾存在的情況下保證同步控制精度，基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制方法設計了一種多電機偏差耦合同步控制方法，通過PID補償器實現(xiàn)電機的同步控制。

1 食品枕式包裝機結構及工藝流程

1.1 枕式包裝機的結構

枕式包裝機結構如圖1所示，該包裝機主要由送料軸、包裝膜、色標檢測傳感器、制袋器、縱封軸和橫封軸等組成。

圖1 包裝機結構

1.2 枕式包裝機工作流程

枕式包裝機的工作流程主要由食品傳送、包裝膜傳送、熱風器加熱和橫封加熱剪切等組成，其工作流程如圖2所示。送膜軸牽引包裝膜運動，塊狀食品由撥叉開關帶動并傳送到包裝膜中，通過縱封成型器將物品傳送到袋體中，經(jīng)過撫平裝置整理后再由橫封加熱裝置完成橫封和切斷，最終將包裝完整的產(chǎn)品輸出到傳送帶中。

圖2 包裝機工作流程

2 包裝機多軸同步控制器設計

為了實現(xiàn)食品包裝機的包裝精度，伺服枕式包裝機的多軸同步控制至關重要。包裝機在實際運行過程中，各軸需要相互配合完成送貨、送膜、橫封和橫切等一系列動作。在包裝機機械傳送中由于在各軸中施加的負載并不均勻，從而導致軸伺服并不同步。因此，要使包裝機各單元中的伺服電機實現(xiàn)同步運動控制，就需要采用合適的具有自適應性能的控制方法，通過智能的控制策略克服系統(tǒng)不同的干擾和不確定因素。

2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡結構

傳統(tǒng)PID控制中PID參數(shù)并不會根據(jù)系統(tǒng)變化而進行調(diào)整，而對于復雜多變的多軸同步誤差控制系統(tǒng)，如果參數(shù)始終不變，則控制跟隨性以及魯棒性顯然不能滿足控制要求。為了提高同步控制精度，本文設計了一種神經(jīng)網(wǎng)絡PID跟蹤控制器，以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的自適應能力，通過神經(jīng)網(wǎng)絡的自我學習能力，實現(xiàn)控制器參數(shù)的自動調(diào)節(jié)[7-10]。神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的原理如圖3所示。每個伺服電機均由神經(jīng)網(wǎng)絡PID補償器進行調(diào)節(jié)控制。圖3中ω*為電機的目標轉速；ω1,ω2,…,ωn為多個伺服電機的實際轉速；TLi為負載轉矩?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡PID的多伺服同步補償控制系統(tǒng)，能夠保證電機轉矩在出現(xiàn)擾動時，使各軸速度偏差能夠快速趨于0。

圖3 控制系統(tǒng)原理

神經(jīng)網(wǎng)絡結構如圖4所示，該神經(jīng)網(wǎng)絡主要包括輸入層、隱含層和輸出層。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡結構

由圖4可以看出，隱含層中第i個神經(jīng)元的輸入為

(1)

其輸出為

exp(-(‖wi-X‖×bi)2)

(2)

通過改變神經(jīng)網(wǎng)絡徑向基函數(shù)閾值b實現(xiàn)對函數(shù)靈敏度的調(diào)節(jié)。神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出數(shù)學模型為

(3)

2.2 多軸同步控制器設計

傳統(tǒng)PID中參數(shù)固定不變，本文為了實現(xiàn)跟蹤控制的自適應性，需要對PID中的比例、積分和微分多個系統(tǒng)進行實時調(diào)整，系統(tǒng)同步誤差為[11-12]

e(k)=r(k)-y(k)

(4)

k為采樣序號。

PID控制器的輸入為

(5)

e(k)、e(k-1)和e(k-2)分別為k、k-1和k-2時刻的偏差數(shù)值。

PID控制器的數(shù)學模型為

u(k)=u(k-1)+kPx(1)+kIx(2)+kDx(3)

(6)

u(k)和u(k-1)分別為k和k-1時刻控制器輸出量；kP為比例系數(shù)；kI為積分系數(shù)；kD為微分系數(shù)。

神經(jīng)網(wǎng)絡的目標函數(shù)為

(7)

kP、kI、kD采用梯度下降法進行實時調(diào)整，即

(8)

3 仿真分析

為了驗證本文設計的基于神經(jīng)網(wǎng)絡PID的多伺服枕式包裝機多軸同步控制方法的有效性和抗干擾能力，采用MATLAB/Simulink仿真軟件對控制器進行了仿真分析。

圖5為系統(tǒng)在無干擾和參數(shù)固定不變的情況下，多軸同步仿真曲線，其中，圖5a為跟隨誤差，圖5b為同步誤差。由圖5可以看出系統(tǒng)跟蹤誤差和同步誤差均能夠在較短時間內(nèi)收斂，由此也可以看出該算法的收斂速度較快且控制精度較高。

圖5 系統(tǒng)無擾動仿真曲線

為了進一步驗證本文多軸同步控制方法的抗擾動能力，在系統(tǒng)中引入了一個力矩突變，以觀察該控制方法能否再次將同步誤差收斂于最小值。圖6為引入干擾情況下的仿真曲線，由圖6可以看出當出現(xiàn)突變時，系統(tǒng)能夠再次將跟隨誤差和同步誤差控制在最小范圍中， 收斂的速度較快， 由此可以看出本文的控制方法對于系統(tǒng)存在擾動時，仍能夠保證快速的收斂性和魯棒性。

圖6 引入干擾時仿真曲線

4 結束語

以食品枕式包裝機為研究對象，為了提高食品包裝機的包裝精度，提升包裝質量，本文在分析了包裝機的結構和工作原理的基礎上，設計了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡PID的多軸電機同步控制系統(tǒng)。利用神經(jīng)網(wǎng)絡的自我學習能力，利用梯度下降法對PID參數(shù)進行自適應調(diào)整，進一步提高了控制系統(tǒng)的自適應能力。仿真結果表明，基于神經(jīng)網(wǎng)絡PID的多電機同步控制方法能夠保證系統(tǒng)跟隨誤差和同步誤差最小，且當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動后，系統(tǒng)仍能夠快速收斂且再次將系統(tǒng)控制于穩(wěn)定。