薄膜復(fù)合粘接工藝的PID控制優(yōu)化分析

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.003

摘 要：為塊狀物薄膜復(fù)合粘接工藝提供精確可靠的控制方案，根據(jù)不同薄膜復(fù)合粘接工藝進(jìn)行分析得到電機(jī)控制特征，并與傳統(tǒng)的控制方法進(jìn)行控制效率對(duì)比，對(duì)茶磚薄膜復(fù)合粘接的步驟加以確定并使用PLC實(shí)現(xiàn)粘接系統(tǒng)控制，通過PID策略分析和MATLAB仿真后，選擇得到塊狀物粘接控制方案，粘接過程中的各階段的階躍響應(yīng)曲線，下料時(shí)間有效縮短為其定重時(shí)間的80%以上，并縮短原有下料時(shí)間25%-34%。通過使用合適的PID控制方案有效地優(yōu)化了原有粘接工藝，為實(shí)際應(yīng)用于相關(guān)生產(chǎn)過程中提供科學(xué)的理論支持。

關(guān)鍵詞：塊狀物粘接；PID控制策略；軟硬件設(shè)計(jì)；階躍響應(yīng)曲線

中圖分類號(hào)：TB486；TQ320.73" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "文章編號(hào)：1001-5922（2024）02-0009-04

Optimization analysis of PID control for thin film composite bonding process

ZHAO Xiangjie1， YIN Peili2

（1.Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute， Xi’an 710089，China

2. Xi’an Technological University， Xi’an 710021，China）

Abstract：Based on the PID control strategy of traditional PID and BP neural network and the software and hardware design， it provides an accurate and reliable control scheme for the similar block film composite bonding process. Taking the film composite bonding process of tea bricks as an example， the motor control characteristics are obtained according to the different film composite bonding processes， and the control efficiency is compared with the traditional control method. On the basis of the establishment of the control scheme， the steps of composite bonding of tea brick film are determined and PLC is used to control the bonding system. Finally， the stages of the whole bonding process are calculated and the benign evaluation of the whole process is finally realized. After PID strategy analysis and MATLAB simulation， the neural network PID control strategy is appropriately selected as the block bonding control scheme， and the step response curve of each stage in the bonding process is obtained， and the feeding time is effectively shortened to more than 80% of the fixing time， and the original feeding time is shortened by 25% -34%. The original bonding process was effectively optimized by using the appropriate PID control scheme， providing scientific theoretical support for the practical application in the related production process and laying a foundation for the subsequent research.

Key words：Neural Network Algorithms; PID Control; Film Heat Seal System; Step Response Curve

茶磚薄膜復(fù)合粘接的重要環(huán)節(jié)之一就是實(shí)現(xiàn)各類塊狀物的良好配比而后進(jìn)行一體化薄膜復(fù)合粘接，更對(duì)于各類產(chǎn)品的品質(zhì)保證具有重要作用。在包裝領(lǐng)域相關(guān)研究也較為廣泛^[1-3]。其中采用薄膜熱封的相關(guān)的控制策略愈加成為大眾所關(guān)注的重點(diǎn)^[3-6]。對(duì)此，采用合適的控制策略對(duì)薄膜復(fù)合粘接過程展開敘述成為眾多學(xué)者的重要研究方向，尤其是基于多軸控制電機(jī)的基礎(chǔ)^[7-10]。為茶磚薄膜復(fù)合粘接構(gòu)建高效有力的形式與方法，不僅可有效地增強(qiáng)相關(guān)市場銷售價(jià)值，更可為其產(chǎn)品運(yùn)輸與質(zhì)量保障提供良好的實(shí)踐案例。

1"茶磚自動(dòng)薄膜復(fù)合粘接生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

1.1"薄膜復(fù)合粘接工藝分析

茶磚的形態(tài)為矩形長方體塊狀結(jié)構(gòu)，自動(dòng)薄膜復(fù)合粘接機(jī)所采用的結(jié)構(gòu)是三面橫縱向封口形式的樣機(jī)進(jìn)行薄膜復(fù)合粘接作業(yè)，其具體工藝為基礎(chǔ)制袋、物料充填、單面封口、連續(xù)切割、物料薄膜復(fù)合粘接、產(chǎn)品計(jì)量等諸多工序組成，最終的薄膜復(fù)合粘接成品形式包括有單件的茶磚薄膜復(fù)合粘接、單盤薄膜復(fù)合粘接以及混合薄膜復(fù)合粘接等。

1.2"薄膜復(fù)合粘接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)茶磚的形狀特征，其自動(dòng)薄膜復(fù)合粘接機(jī)構(gòu)的工作部分是由薄膜傳動(dòng)輥輪、送料機(jī)構(gòu)、制袋成型機(jī)構(gòu)、縱封機(jī)構(gòu)、端封切斷機(jī)構(gòu)及物料計(jì)量機(jī)構(gòu)等多部件相組成，其生產(chǎn)線示意圖如圖1所示。

上述磚茶的薄膜復(fù)合粘接機(jī)構(gòu)是專門針對(duì)其條狀結(jié)構(gòu)特征所設(shè)計(jì)的，針對(duì)圖1的機(jī)構(gòu)，其各部分的功能如表1所示。

2"茶磚薄膜復(fù)合粘接工藝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1"總系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

根據(jù)圖1的茶磚薄膜熱封工藝復(fù)合粘接過程，結(jié)合表1的模塊化功能，該自動(dòng)化薄膜熱封綜合控制系統(tǒng)中的硬件設(shè)備可采用：PLC控制器、伺服電機(jī)、編碼器以及溫度控制器等來實(shí)現(xiàn)。圖2為茶磚自動(dòng)薄膜熱封粘接控制系統(tǒng)的硬件配置示意圖。

由圖2可知，下位機(jī)就是PLC主機(jī)。茶磚的自動(dòng)化薄膜復(fù)合粘接過程控制系統(tǒng)在進(jìn)行加工作業(yè)時(shí)，第1步是人工通過計(jì)算機(jī)將控制系統(tǒng)的基本參數(shù)輸入到PLC主機(jī)中，而后PLC主機(jī)又可間接控制電機(jī)A、電機(jī)B、電機(jī)C和電機(jī)D分別實(shí)現(xiàn)各電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在此電機(jī)均為伺服電機(jī)，4個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)4個(gè)自由度。電機(jī)A的作用為實(shí)現(xiàn)茶磚傳送到指定位置；電機(jī)B的作用主要是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線中薄膜牽引動(dòng)作，將熱封薄膜傳送牽引到指定位置；電機(jī)C的主要作用為通過控制縱封的傳動(dòng)軸而實(shí)現(xiàn)薄膜的縱向封合；電機(jī)D的主要作用為對(duì)完成縱向封合薄膜進(jìn)行橫封切斷動(dòng)作。在薄膜復(fù)合粘接過程中需要結(jié)合編碼器對(duì)傳送速度，茶磚位置等諸多要素進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，確保整個(gè)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定與精確。

2.2"PLC選型分析

多電機(jī)的智能化控制策略可有效實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的過程控制^[11-14]。PLC的選型根據(jù)茶磚的薄膜熱封工藝的復(fù)雜程度進(jìn)行適用度調(diào)配，考慮到邏輯控制的復(fù)雜度與多目標(biāo)參數(shù)的精確性，采用工業(yè)控制為后續(xù)功能增加提供余量，PLC選用日本三菱生產(chǎn)的FX1N-40MR-001進(jìn)行過程的調(diào)控。

2.3"伺服電機(jī)選型分析

基于伺服電機(jī)的基本選型原理并結(jié)合茶磚的自動(dòng)化薄膜復(fù)合粘接流程特征，選型的流程如下。

2.3.1"電機(jī)最大轉(zhuǎn)速的確定

對(duì)于電機(jī)的減速比確定主要依據(jù)薄膜在傳輸過程中的相關(guān)最大轉(zhuǎn)速來確定，其公式：

式中：n_M為薄膜傳送最大轉(zhuǎn)速（m/s）；L為單體薄膜復(fù)合粘接袋長度（m）；P為極限生產(chǎn)率；η為打滑補(bǔ)償系數(shù)。

2.3.2"負(fù)載慣量折算

依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行中的動(dòng)能可求得相關(guān)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，然后進(jìn)行折算化解求得折算值，該生產(chǎn)工藝線的動(dòng)能：

2.4"茶磚薄膜復(fù)合粘接工藝控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在粘接工藝的軟件設(shè)計(jì)中，主要根據(jù)圖1的茶磚的薄膜熱封工藝及結(jié)合PLC控制器、伺服電機(jī)、編碼器和溫度控制器等硬件設(shè)備編輯邏輯流程示意圖，其流程如圖3所示。

3"神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制過程分析

3.1"4電機(jī)綜合控制原理

茶磚自動(dòng)薄膜復(fù)合粘接機(jī)的4部電機(jī)綜合控制主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)4臺(tái)伺服電機(jī)精確控制，而后實(shí)現(xiàn)4項(xiàng)功能可同步聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)茶磚傳送軸、薄膜傳送軸、薄膜復(fù)合粘接縱封牽引軸和端封軸的4項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)。薄膜傳送電機(jī)的作用是實(shí)現(xiàn)薄膜的傳輸過程中速度和階段性得以保障。茶磚傳送電機(jī)負(fù)責(zé)控制物料的及時(shí)傳送，使得相關(guān)茶磚產(chǎn)品可有效及時(shí)地被運(yùn)送到生產(chǎn)線的合適位置。薄膜張力控制電機(jī)的作用主要分為薄膜拉伸的張力以及薄膜復(fù)合粘接方向的牽引。端封軸的電機(jī)主要是完成端封過程中的往復(fù)切割運(yùn)動(dòng)。4電機(jī)綜合控制的核心在于可實(shí)現(xiàn)各部分電機(jī)有效聯(lián)動(dòng)，使得整個(gè)過程中的速度與位置得以精確匹配。

3.2"神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID同步控制分析

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可有效地實(shí)現(xiàn)過程的精準(zhǔn)控制，其核心的學(xué)習(xí)算法主要包括2部分^[15-17]，分別為系統(tǒng)函數(shù)信號(hào)的前向傳播和誤差函數(shù)信號(hào)的反向傳播，BP網(wǎng)絡(luò)算法程序流程如圖4所示。

在圖4中x_j代表著輸入的第j結(jié)點(diǎn)的輸入值，w_ij代表著第i結(jié)點(diǎn)隱藏層至輸入層的權(quán)值；θ_i代表著第i結(jié)點(diǎn)隱藏層至輸入層的閾值；φ（x）為激勵(lì)函數(shù)；a_k表示輸出層節(jié)點(diǎn)的閾值；o為節(jié)點(diǎn)的輸出；net表示層間變量；y表示混合函數(shù)。

3.2.1"信號(hào)的前向傳播過程

求得輸出層的權(quán)值與閾值為：

3.3"神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制Simulink仿真

針對(duì)該茶磚生產(chǎn)工藝并結(jié)合公式可仿真出同步補(bǔ)償控制系統(tǒng)的Simulink模型，在使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的同時(shí)，結(jié)合經(jīng)典的PID控制方法實(shí)現(xiàn)結(jié)果的對(duì)照，通過進(jìn)行MATLAB仿真，得出相應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線，如圖5所示；并對(duì)4個(gè)電機(jī)進(jìn)行具體的仿真可以得到如圖6所示的結(jié)果。

4"結(jié)語

在茶磚粘接工藝進(jìn)行高精度、高效率薄膜熱封生產(chǎn)工藝的智能化發(fā)展中，通過高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制理論模型和仿真演示，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID與經(jīng)典PID對(duì)比有效地驗(yàn)證該控制裝置系統(tǒng)的高可靠穩(wěn)定性，其精度誤差更為穩(wěn)定，其振幅值經(jīng)仿真范圍為0.17 mm，4個(gè)電機(jī)的振幅值基本趨勢與穩(wěn)定性基本相同，為后續(xù)實(shí)際應(yīng)用于相關(guān)生產(chǎn)過程提供科學(xué)的理論支持并為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

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收稿日期：2023-09-17；修回日期：2023-12-10

作者簡介：趙向杰（1987-），男，碩士，副教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)控制；E-mail：769316646@qq.com。

基金項(xiàng)目：陜西省”十四五“教育科學(xué)規(guī)劃2022年度課題（項(xiàng)目編號(hào)：SGH22Y1621 ）；西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研課題（項(xiàng)目編號(hào)：20XHSK-05）。

引文格式：趙向杰.薄膜復(fù)合粘接工藝的PID控制優(yōu)化分析[J].粘接，2024，51（2）：9-12.