基于模糊免疫算法的民爆企業(yè)自動(dòng)化包裝線集成控制方法

摘 要：在實(shí)際運(yùn)行中，民爆企業(yè)的自動(dòng)化包裝線由于環(huán)境變化和原料波動(dòng)等因素的影響，具有復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致生產(chǎn)線存在生產(chǎn)效率不穩(wěn)定問題。為此，提出了基于模糊免疫算法的民爆企業(yè)自動(dòng)化包裝線集成控制方法?；谧詣?dòng)化包裝線的組成結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，計(jì)算結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)，并采用包裝線極限承載力特征分析方法，建立包裝線結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析模型。結(jié)合控制需求，設(shè)計(jì)滑膜自適應(yīng)控制器，并采用模糊免疫算法對控制器的參量進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化控制器的性能，進(jìn)而輸出自動(dòng)化包裝線的控制量，實(shí)現(xiàn)包裝線的集成控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用該方法對自動(dòng)化包裝線進(jìn)行集成控制后，控制速度能夠準(zhǔn)確跟蹤預(yù)設(shè)速度，可以保證包裝線的產(chǎn)出率超過了87%，提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：模糊免疫算法；民爆企業(yè)；自動(dòng)化包裝線；集成控制；生產(chǎn)效率

中圖分類號：TH166 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Integrated Control Method for Automated Packaging Line

of Civil Explosive Enterprises Based on Fuzzy Immune Algorithm

WU Jianjin

（Yunnan Ronghe Investment Holding Co.， Ltd.， Kunming， Yunnan 650000， China）

Abstract：In actual operation， the automated packaging line of civil explosive enterprises has complex nonlinear dynamic changes due to environmental changes and fluctuations in raw materials， leading to unstable production efficiency in the production line. Therefore， a fuzzy immune algorithm based integrated control method for the automated packaging line of civil explosive enterprises is proposed. Based on the composition structure and force characteristics of the automated packaging line， the mechanical parameters of the structure are calculated， and the analysis method of the ultimate bearing capacity characteristics of the packaging line is adopted to establish a mechanical analysis model of the packaging line structure. Combined with the control requirements， a sliding membrane adaptive controller is designed， and the fuzzy immune algorithm is used to adjust the parameters of the controller to optimize its performance， thereby outputting the control quantity of the automated packaging line and achieving integrated control of the packaging line. The experimental results show that using this method for integrated control of automated packaging lines can accurately track the preset speed， ensuring that the output rate of the packaging line reaches over 87% and improving production efficiency.

Key words：fuzzy immune algorithm; civil explosive enterprises; automated packaging line; integrated control; production efficiency

作為特種行業(yè)的重要組成部分，民爆企業(yè)自動(dòng)化包裝線的運(yùn)行效率和安全性直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)效率和公共安全[1]。然而，面對民爆產(chǎn)品的特點(diǎn)和生產(chǎn)線的復(fù)雜環(huán)境，傳統(tǒng)的控制方法往往難以平衡控制精度和穩(wěn)定性。因此，如何有效地應(yīng)對其復(fù)雜多變的控制要求已成為亟待解決的問題。

文獻(xiàn)[2]中采用可編程邏輯控制器作為控制系統(tǒng)的核心，并設(shè)計(jì)一個(gè)用戶友好的界面，使操作員能夠直觀地監(jiān)控生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，并輸入控制命令，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線上各種設(shè)備的精確控制。該方法確保了生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)均處于最佳狀態(tài)，從而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。然而，該方法電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)涉及多個(gè)子系統(tǒng)和復(fù)雜的技術(shù)環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試變得困難，導(dǎo)致無法保證生產(chǎn)效率。文獻(xiàn)[3]根據(jù)控制需求分析結(jié)果，利用嵌入式處理器、硬件電路、控制軟件等實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線上各種設(shè)備的精確控制。該方法具有極高的實(shí)時(shí)性能，可以保證對生產(chǎn)線上各種設(shè)備的精確控制，提高產(chǎn)品質(zhì)量。但該方法開發(fā)難度高，一旦環(huán)境發(fā)生變化，可能需要重新開發(fā)和調(diào)試，因此無法保證生產(chǎn)過程的效率。文獻(xiàn)[4]根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，選擇CPU模塊、輸入/輸出模塊、電源模塊等作為軟件，并集成和安裝硬件，使用西門子Step 7開發(fā)PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制和協(xié)調(diào)運(yùn)行。該方法可根據(jù)生產(chǎn)工藝調(diào)整隨時(shí)修改控制程序，靈活性強(qiáng)。但此方法在面向復(fù)雜生產(chǎn)工藝的需求時(shí)，存在較大局限性。文獻(xiàn)[5]基于云邊緣協(xié)作框架，構(gòu)建了一個(gè)云邊緣協(xié)同任務(wù)調(diào)度模型，采用改進(jìn)的遺傳模擬退火調(diào)度算法，對生產(chǎn)線任務(wù)列表中的任務(wù)進(jìn)行合理調(diào)度，并持續(xù)監(jiān)控生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，將實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果反饋到云端，形成閉環(huán)控制。該方法可以自動(dòng)學(xué)習(xí)和優(yōu)化，提高了智能水平。然而，該方法的性能高度依賴于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性問題或中斷情況有可能干擾控制系統(tǒng)的正常運(yùn)作。

基于上述分析，本文提出了一種基于模糊免疫算法的民爆企業(yè)自動(dòng)化包裝線集成控制方法。該方法旨在引入模糊邏輯來處理生產(chǎn)線中的不確定性，同時(shí)利用生物免疫系統(tǒng)強(qiáng)大的適應(yīng)性和抗干擾能力，構(gòu)建高效穩(wěn)定的控制策略，以期保證生產(chǎn)安全和效率。

1 民爆企業(yè)自動(dòng)化包裝線集成控制方法設(shè)計(jì)

民爆企業(yè)自動(dòng)化包裝線集成控制是一個(gè)復(fù)雜的過程，主要涉及對整個(gè)包裝流程的自動(dòng)化監(jiān)控與調(diào)度。通過集成多個(gè)自動(dòng)化技術(shù)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對包裝線上各個(gè)環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)控制與協(xié)調(diào)，以提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，并進(jìn)一步確保生產(chǎn)過程中的安全、高效和穩(wěn)定[6]。在民爆企業(yè)自動(dòng)化包裝線中，各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與包裝作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性具有直接關(guān)系，因此，為實(shí)現(xiàn)連續(xù)的包裝作業(yè)，應(yīng)根據(jù)預(yù)設(shè)的工藝流程，結(jié)合產(chǎn)品特性和安全要求，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)Πb線的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整的控制技術(shù)，以確保設(shè)備正常運(yùn)行。

在民爆企業(yè)的自動(dòng)化包裝線中，速度參數(shù)控制是集成控制的一個(gè)重要組成部分，所以，本文將包裝線的運(yùn)行速度作為控制參量，通過對其進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)試，以保證生產(chǎn)線的整體穩(wěn)定性，得到更高的生產(chǎn)效率和更好的產(chǎn)品質(zhì)量。

1.1 自動(dòng)化包裝線結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

對包裝線結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析能夠評估包裝線各個(gè)組成部分的承載能力、剛度和穩(wěn)定性，用作后續(xù)調(diào)整包裝線速度的依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化包裝線的整體優(yōu)化與性能提升。

根據(jù)包裝線結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、材料屬性等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確定動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的平均載荷，并結(jié)合結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，運(yùn)用力學(xué)原理來計(jì)算結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等力學(xué)參數(shù)[7]。計(jì)算公式如下：

pt=εbgs×ηgas

j0=dgCh

zc=γh×kdv0×Fl（1）

式中，εb表示結(jié)構(gòu)受到的彎曲承載力；gs表示應(yīng)力響應(yīng)特征；ηg表示結(jié)構(gòu)的彈性模量；as表示結(jié)構(gòu)泊松比；pt表示結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力；dg表示經(jīng)典屈服破壞模量；Ch表示一階滯后函數(shù)；j0 表示結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變；γh表示結(jié)構(gòu)的殘余屈服量；v0表示結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力；kd表示梁的彎曲正應(yīng)力；Fl表示界面慣性矩；zc表示結(jié)構(gòu)位移。

根據(jù)包裝線梁與中性軸的距離，計(jì)算梁的撓度和剪切應(yīng)力[8]，表達(dá)式如下：

we=pt×j0×βchc

fk=zc×∑ni=1Vsm0（2）

式中，hc表示簡支梁的跨度；n表示包裝線布設(shè)的測點(diǎn)數(shù)量；Vs表示長度因數(shù)；m0表示集中力；we、fk分別表示簡支梁的撓度和剪切應(yīng)力。

基于此，通過應(yīng)用包裝線極限承載力特征分析方法[9]建立包裝線結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析模型如下：

M=we×fkνc×js+‖θf×lqGk‖2（3）

式中，νc表示剪切面內(nèi)的第一部分面積對中性軸的靜矩；js表示截面厚度；θf表示垂直于應(yīng)力方向的應(yīng)變；Gk表示壓桿穩(wěn)定性；lq表示包裝線承載力的增量系數(shù)。

基于自動(dòng)化包裝線的組成結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，計(jì)算結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)，并采用包裝線極限承載力特征分析方法，建立包裝線結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析模型，為接下來包裝線集成控制器的構(gòu)造奠定基礎(chǔ)。

1.2 構(gòu)造自動(dòng)化包裝線集成控制器

在民爆企業(yè)自動(dòng)化包裝線中，集成控制器是實(shí)現(xiàn)速度集成控制的關(guān)鍵。通過讀取生產(chǎn)線上的速度傳感器數(shù)據(jù)，集成控制器能夠?qū)崟r(shí)掌握包裝線的運(yùn)行速度，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略調(diào)整速度，確保集成控制效果。

根據(jù)控制需求和原理，本文通過設(shè)計(jì)滑膜自適應(yīng)控制器完成對包裝線的集成控制。結(jié)合上述包裝線結(jié)構(gòu)力學(xué)分析結(jié)果，綜合考慮不同擾動(dòng)因素，得到控制器的滑膜函數(shù)[10]，表達(dá)式如下：

hx=Mxr×ξc×I0de（4）

式中，xr表示包裝線空間荷載分布集；xr表示系統(tǒng)狀態(tài)變量；de表示等效控制矩陣；I0表示分辨系數(shù)。

進(jìn)一步確定控制時(shí)間常數(shù)，以確保包裝線系統(tǒng)狀態(tài)能夠到達(dá)并保持在滑膜面上[11]。計(jì)算公式如下：

ur=hx×μc×wq （5）

式中，μc表示觀測值；wq表示符號判別函數(shù)。

為了提高控制器的適應(yīng)性和魯棒性，引入自適應(yīng)函數(shù)來調(diào)整控制器的估計(jì)誤差[12]，表達(dá)式為：

De=urgs0×tr （6）

式中，g表示李雅普諾夫函數(shù)；s0表示隨機(jī)矢量；tr表示控制器參數(shù)估計(jì)值的集合。

進(jìn)而可采用下式描述構(gòu)造的包裝線集成控制器，將包裝線運(yùn)行參數(shù)作為輸入變量，輸出集成控制變量，即：

A=De×1+Jr×as（7）

式中，Jr表示控制增益；as表示控制率。

由式（7）可知，滑膜自適應(yīng)控制器的控制性能主要取決于控制增益Jr和控制率as。因此，為保證自動(dòng)化包裝線的最優(yōu)控制，接下來對以上兩個(gè)控制參量進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

1.3 基于模糊免疫算法的控制器參量優(yōu)化

模糊免疫算法是將模糊邏輯和免疫算法相結(jié)合的一種優(yōu)化方法。在包裝線集成控制器參量優(yōu)化中，模糊免疫算法能夠處理復(fù)雜的控制參數(shù)空間[13]，通過模糊邏輯來改進(jìn)免疫算法的搜索過程，從而提高優(yōu)化效率和精度。

首先隨機(jī)生成一組抗體，且每個(gè)抗體包含多個(gè)基因，根據(jù)免疫反饋原理，計(jì)算抗原對抗體的親和度[14]，公式為：

re=∑Ne=1jc×uyoπ（8）

式中，N表示抗體數(shù)量；jc表示采樣點(diǎn)數(shù)；oπ表示采樣間隔；uy表示抑制因子。

依據(jù)控制器的誤差和誤差變化率，定義模糊規(guī)則和模糊集合，從而對控制過程進(jìn)行模糊化表示，獲取模糊隸屬度函數(shù)，即：

Rx=re×g×va（9）

式中，g表示調(diào)整比例因子；va表示離散系數(shù)。

基于親和度挑選抗體進(jìn)行克隆和變異處理，從而產(chǎn)生新一代的抗體群體，并利用重心法對進(jìn)化過程進(jìn)行去模糊化處理，得到抗體和抗原的適應(yīng)度值[15]，公式為：

Wl=∑Nl=1Rx×ψ0×κgSpEf=∑Mf=1gT0 （10）

式中，ψ0表示選定的非線性函數(shù)；κg表示第g模糊規(guī)則對應(yīng)的輸出；Sp表示刺激因子；M表示抗原數(shù)量；0表示平衡超參數(shù)；T0表示衰減常數(shù)；Wl、Ef分別表示抗體和抗原的適應(yīng)度。

當(dāng)算法達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí)，將具有最高適應(yīng)度值的抗體和抗原作為包裝線集成控制器的控制增益Jr和控制率as，以此完成對控制器參數(shù)的優(yōu)化，改進(jìn)控制器的控制性能，從而輸出包裝線集成控制量，實(shí)現(xiàn)民爆企業(yè)自動(dòng)化包裝線的集成控制。

2 實(shí)例論證分析

本次測試主要是針對基于模糊免疫算法的民爆企業(yè)自動(dòng)化包裝線集成控制方法的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證與研究，并通過對比實(shí)驗(yàn)的方式分析本文方法的性能有效性。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本文實(shí)驗(yàn)以某民爆企業(yè)現(xiàn)有的自動(dòng)化包裝線設(shè)備為研究對象。該設(shè)備主要包括自動(dòng)上料系統(tǒng)、自動(dòng)輸送帶、封底機(jī)以及捆扎機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備構(gòu)成。其簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)，在MATLAB/Simulink平臺(tái)上搭建相關(guān)模型，并運(yùn)用此模型開展仿真研究。仿真參數(shù)的具體配置詳見表1。

基于以上準(zhǔn)備，在仿真軟件中設(shè)置仿真參數(shù)，并集成本文設(shè)計(jì)的控制方法，對該自動(dòng)化包裝線進(jìn)行控制，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果測試本文方法的有效性。

2.2 實(shí)驗(yàn)說明

實(shí)驗(yàn)環(huán)境硬件平臺(tái)包括自動(dòng)化包裝線、人機(jī)界面和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，人機(jī)界面用于設(shè)置參數(shù)、監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)和顯示生產(chǎn)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)記錄生產(chǎn)過程中的產(chǎn)量、合格率、故障率等各種數(shù)據(jù)。軟件平臺(tái)包括MATLAB/Simulink、PLC編程軟件和SPSS數(shù)據(jù)分析軟件。

實(shí)驗(yàn)過程如下：在沒有任何原材料的情況下啟動(dòng)包裝線，添加實(shí)際生產(chǎn)所需的原材料，逐步將參數(shù)調(diào)整到最佳水平，并記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)；使用數(shù)據(jù)分析軟件處理收集到的數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的集成控制策略，采用模糊免疫算法對控制器的控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。本文采用的模糊免疫算法的參數(shù)設(shè)定如表2所示。

利用優(yōu)化后的控制器對自動(dòng)化包裝線進(jìn)行集成控制，輸出控制結(jié)果并分析。

實(shí)驗(yàn)采用對比的形式進(jìn)行，選取當(dāng)前較為成熟的文獻(xiàn)[2] 基于電氣自動(dòng)化技術(shù)的方法（方法1）、文獻(xiàn)[3]基于嵌入式控制系統(tǒng)的方法（方法2）包裝線控制方法作為對照組方法，本文方法作為實(shí)驗(yàn)方法，并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析不同方法的實(shí)際應(yīng)用性能。

2.3 自動(dòng)化包裝線集成控制結(jié)果

首先利用本文提出的方法對該自動(dòng)化包裝線進(jìn)行集成控制，結(jié)果如圖2所示。

圖2 基于本文方法的包裝線集成控制結(jié)果

根據(jù)圖2可以看出，本文設(shè)計(jì)的方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)對自動(dòng)化包裝線實(shí)際輸送速度的估計(jì)與跟蹤，從而達(dá)到對包裝線集成控制的目的。

為驗(yàn)證本文控制方法的正確性，分別采用3種方法對該自動(dòng)化包裝線進(jìn)行集成控制，統(tǒng)計(jì)不同方法下包裝線不同時(shí)間內(nèi)包裝完成的產(chǎn)品數(shù)量，從而衡量控制后包裝線的生產(chǎn)效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從對比表格和分析可以看出，采用本文所描述的控制方法對包裝線進(jìn)行集成控制后，能夠顯著提高單位時(shí)間內(nèi)包裝完成的產(chǎn)品數(shù)量，從而提升了自動(dòng)化包裝線的生產(chǎn)效率。

2.4 對比實(shí)驗(yàn)與分析

在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，為綜合體現(xiàn)本文控制方法在提高包裝線生產(chǎn)效率方面的可行性， 采用產(chǎn)出率作為評估指標(biāo)。該指標(biāo)指的是實(shí)際完成的產(chǎn)品數(shù)量與包裝線理論生產(chǎn)能力的比值。數(shù)值越高，表明經(jīng)過相應(yīng)方法控制后，包裝線的產(chǎn)能閑置越低，生產(chǎn)效率越高。對比結(jié)果如表3所示。

通過表3中的數(shù)據(jù)可知，利用對照組方法對包裝線進(jìn)行集成控制，對于包裝線產(chǎn)出率的提升效果有限。相比之下，本文方法在包裝線集成控制后能夠?qū)崿F(xiàn)更高的產(chǎn)出率提高，由此證明了本文方法在包裝線集成控制應(yīng)用中的優(yōu)越性能。

3 結(jié) 論

本文提出的民爆企業(yè)自動(dòng)化包裝線集成控制技術(shù)，利用生物免疫系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)機(jī)制和模糊邏輯的靈活性和魯棒性，有效解決了包裝線上的不確定性干擾，并通過優(yōu)化控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了包裝線的智能化控制。該方法的應(yīng)用不僅顯著提高了民用爆炸物品包裝的效率和安全性，還拓展了模糊免疫算法在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用邊界，為解決類似復(fù)雜控制問題提供了新思路，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

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