楊玉蘭

河南省智慧農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)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(guò)程主要分為瓶閥對(duì)中、開(kāi)閥充氣等壓、進(jìn)液回氣、關(guān)閥泄壓、灌裝結(jié)束5個(gè)步驟，結(jié)束灌裝后通過(guò)中間波輪進(jìn)入封蓋機(jī)，隨封蓋回轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，在運(yùn)行過(guò)程完成封蓋?？梢哉f(shuō)，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(huì)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(kāi)閥灌裝，無(wú)瓶不開(kāi)閥”，其機(jī)型具備多種功能，通過(guò)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(guò)大的壓力會(huì)導(dǎo)致封蓋損壞以至失敗，過(guò)小的壓力則會(huì)導(dǎo)致封蓋密封不嚴(yán)、產(chǎn)品質(zhì)量不合格等問(wèn)題[4-5]。

針對(duì)封蓋壓力難以控制的問(wèn)題，許多學(xué)者對(duì)此展開(kāi)研究。如：張偉等[6]采用帶有死區(qū)的PID控制算法設(shè)計(jì)壓力容器壓力跟蹤控制方法；高錦等[7]設(shè)計(jì)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(guò)實(shí)際應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)這兩種方法并不能有效保證動(dòng)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(wèn)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(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，其程序編寫(xiě)以梯形圖形式出現(xiàn)，主要功能包括主機(jī)的關(guān)停、點(diǎn)動(dòng)調(diào)試、碎瓶的清理、開(kāi)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(jiǎn)單、體積小的優(yōu)點(diǎn)。為此，針對(duì)傳統(tǒng)方法的不足，利用PLC對(duì)灌裝封蓋機(jī)封蓋壓力展開(kāi)動(dòng)態(tài)控制，通過(guò)將一個(gè)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(duì)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(shí)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(wèn)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(dòng)化效率和生產(chǎn)質(zhì)量，保障經(jīng)濟(jì)效益。

1 封蓋動(dòng)態(tài)控制方法設(shè)計(jì)

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(guò)分析控制封蓋對(duì)象的壓力情況為其編制用戶程序，中央處理器CPU對(duì)編制的程序和控制對(duì)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(guò)中央處理器CPU處理后以輸出信號(hào)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(shí)，該P(yáng)LC在運(yùn)行過(guò)程中還可以通過(guò)擴(kuò)展接口接收來(lái)自擴(kuò)展單元的信號(hào)，通過(guò)外部設(shè)備接口接收來(lái)自其它PLC、編程器、監(jiān)控設(shè)備、外部?jī)?chǔ)存器等設(shè)備的信號(hào)。

1.2 控制算法

PLC的編寫(xiě)應(yīng)用參數(shù)自整定模糊PID控制算法，可以在實(shí)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(shí)，通過(guò)模糊控制較強(qiáng)的自適應(yīng)能力消除動(dòng)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(guò)模糊控制加快壓力偏差較大時(shí)的響應(yīng)速度，還可以在壓力偏差較小時(shí)，在浸入穩(wěn)態(tài)過(guò)程中切換到PID控制，從而消除靜差、提高控制精度[11-12]。

通過(guò)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(xiàng)，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(shí)刻的計(jì)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(shí)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(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)、采樣周期、采樣序號(hào)分別用Li、Ld、L、f表示。

在采樣控制中，n(f)=n(f-1)+Δn(f)。同時(shí)，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(duì)控制量的計(jì)算影響小，控制效果好。PID算法中的Fp、Fi、Fd必須符合被控對(duì)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(wú)法調(diào)和的矛盾，需要通過(guò)模糊控制消除動(dòng)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(duì)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(cè)，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(shí)的控制參數(shù)滿足其要求，使得被控對(duì)象具備優(yōu)良的動(dòng)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(guò)模糊PID控制算法擇出，其結(jié)果表現(xiàn)為語(yǔ)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(guò)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(guò)PC（ΔFpu&ΔFiu&ΔFdu）表達(dá)，其中存在輸出值ΔFpu、ΔFiu和ΔFdu分別對(duì)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(guò)PLC控制器對(duì)被封蓋壓力控制物體實(shí)施封蓋壓力控制，按下啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)電磁閥和真空泵展開(kāi)被控目標(biāo)封蓋壓力控制，通過(guò)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(duì)封蓋壓力的動(dòng)態(tài)控制。

2 結(jié)果與分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于PLC的灌裝封蓋機(jī)封蓋壓力動(dòng)態(tài)控制方法的實(shí)際應(yīng)用性能，設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

以圖4所示的灌裝封蓋機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，使其與PLC控制器之間形成電性連接，從而探究試驗(yàn)方法的封蓋壓力動(dòng)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(gè)/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(yàn)證試驗(yàn)方法對(duì)灌裝封蓋機(jī)封蓋壓力的應(yīng)用性能，避免試驗(yàn)結(jié)果的單一性，試驗(yàn)選取試驗(yàn)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(duì)封蓋壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，通過(guò)對(duì)比3種方法封蓋壓力動(dòng)態(tài)控制效果驗(yàn)證試驗(yàn)方法的優(yōu)劣。

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

通過(guò)圖5可以得出，試驗(yàn)方法控制下的封蓋壓力能夠從初始點(diǎn)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(dòng)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(dòng)幅度是3種方法中最大，經(jīng)過(guò)40 s才能趨于平衡，且其高于設(shè)定壓力。相比之下，試驗(yàn)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(shí)間更短，同時(shí)試驗(yàn)方法還可以保證工作點(diǎn)附近小范圍震蕩的消除與不存在穩(wěn)態(tài)誤差，從而驗(yàn)證采用試驗(yàn)方法控制下的灌裝封蓋機(jī)封蓋壓力的響應(yīng)時(shí)間短、自動(dòng)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(dòng)態(tài)控制，并對(duì)壓力變化過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(dòng)下封蓋壓力超值波動(dòng)的階段、不同方法自動(dòng)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(dòng)，封蓋壓力存在超值波動(dòng)，圖6（a）中封蓋壓力產(chǎn)生超值波動(dòng)的最大波動(dòng)幅度為0.36 MPa，是壓力設(shè)定值的9%，說(shuō)明試驗(yàn)方法在2:00時(shí)通過(guò)分析計(jì)算開(kāi)始自動(dòng)控制，在5 s的控制響應(yīng)時(shí)間后將壓力波動(dòng)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(dòng)的最大波動(dòng)幅度為0.51 MPa，是壓力設(shè)定值的12.75%，說(shuō)明基于帶有死區(qū)PID控制算法的方法在2:00時(shí)通過(guò)分析計(jì)算開(kāi)始自動(dòng)控制，在6 s的控制響應(yīng)時(shí)間后將壓力波動(dòng)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(dòng)的最大波動(dòng)幅度為0.59 MPa，是壓力設(shè)定值的14.75%，說(shuō)明基于失配補(bǔ)償Smith-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法在2:00時(shí)通過(guò)分析計(jì)算開(kāi)始自動(dòng)控制，在6 s的控制響應(yīng)時(shí)間后將壓力波動(dòng)控制在-0.2～0.2 MPa范圍內(nèi)。3種方法下自動(dòng)控制的壓力不再出現(xiàn)超值波動(dòng)的情況，雖然都趨于穩(wěn)定，但是試驗(yàn)方法的波動(dòng)范圍最小，波動(dòng)幅度最穩(wěn)定，其他2種方法的控制誤差、時(shí)滯均大于試驗(yàn)方法。

圖6 3種方法的壓力波動(dòng)情況

調(diào)整壓力值為0.5 MPa，統(tǒng)計(jì)采用3種方法進(jìn)行封蓋壓力自動(dòng)控制時(shí)的性能，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

通過(guò)表1可知，試驗(yàn)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(shí)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(shí)滯短，在消除穩(wěn)態(tài)誤差的同時(shí)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(xiàng)性能對(duì)比結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證應(yīng)用試驗(yàn)方法的灌裝封蓋機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中可以針對(duì)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(dòng)態(tài)控制的目的。

為驗(yàn)證試驗(yàn)方法對(duì)灌裝封蓋機(jī)壓力控制過(guò)程中的隨機(jī)擾動(dòng)的抑制能力和穩(wěn)定魯棒性，設(shè)定封蓋壓力在50 s時(shí)的恒定干擾幅值為5%，并對(duì)其加入一個(gè)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(guò)圖7和圖8可知，應(yīng)用試驗(yàn)方法后的灌裝封蓋機(jī)封蓋壓力因隨機(jī)擾動(dòng)造成相應(yīng)波動(dòng)的幅值相較于對(duì)比方法較小，與其相應(yīng)控制器的輸出變化幅度也相對(duì)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(duì)比方法，試驗(yàn)方法對(duì)隨機(jī)擾動(dòng)的抑制能力和魯棒性更好。

圖7 不同方法對(duì)隨機(jī)擾動(dòng)的抑制能力

圖8 隨機(jī)擾動(dòng)下3種方法的控制器輸出

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)基于PLC的灌裝封蓋機(jī)封蓋壓力動(dòng)態(tài)控制方法展開(kāi)研究，通過(guò)應(yīng)用PLC控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)灌裝封蓋機(jī)的封蓋壓力控制。通過(guò)對(duì)比方法驗(yàn)證試驗(yàn)方法的優(yōu)越性，其對(duì)機(jī)器的響應(yīng)速度、控制精度均高于2種對(duì)比方法，同時(shí)具備較好的擾動(dòng)抑制能力。整個(gè)封蓋過(guò)程的運(yùn)行得到更加安全平穩(wěn)的保障。同時(shí)實(shí)現(xiàn)壓力的迅速平穩(wěn)，控制性能顯著。