周廣越，辛欣

（華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北唐山 063210）

自動(dòng)化包裝機(jī)械運(yùn)行速度控制系統(tǒng)是一種用于提高包裝過(guò)程效率和準(zhǔn)確性的技術(shù)[1]。該系統(tǒng)通過(guò)使用先進(jìn)的控制算法和傳感器技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整包裝機(jī)械的運(yùn)行速度，以滿足不同產(chǎn)品的包裝要求。目前，國(guó)內(nèi)研究對(duì)自動(dòng)化包裝機(jī)械運(yùn)行速度控制系統(tǒng)的研究已取得了一些進(jìn)展。一些研究關(guān)注于探索新的控制算法和技術(shù)，以提高系統(tǒng)的性能和精度[2]。另一些研究致力于優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程，以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[3]。此外，還有研究關(guān)注于系統(tǒng)的智能化和自適應(yīng)能力，以滿足不斷變化的包裝需求[4]。文章提出了一種新的控制系統(tǒng)方案，旨在提高包裝機(jī)械的運(yùn)行效率和準(zhǔn)確性。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)運(yùn)行模塊

RHI58N-0AAK1R6XN-02048增量型編碼器是一種高精度的傳感器設(shè)備，適用于各種工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景[5]。其通過(guò)測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的角度和速度來(lái)獲取系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。編碼器具有快速響應(yīng)、高分辨率和穩(wěn)定性等特點(diǎn)，提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)反饋。將RHI58N-0AAK1R6XN-02048增量型編碼器安裝在系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。編碼器會(huì)不斷產(chǎn)生脈沖信號(hào)，反映旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)情況。這些脈沖信號(hào)通過(guò)接口與系統(tǒng)的控制單元進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和分析。

通過(guò)在運(yùn)行模塊中設(shè)置帶有不銹鋼薄膜集成式1.5"夾持膜片密封件，確保在-25～200 ℃范圍內(nèi)的高溫環(huán)境下，保證自動(dòng)化包裝機(jī)械的運(yùn)行數(shù)據(jù)完整性和系統(tǒng)操作安全性。這種密封件能夠有效防止外部物質(zhì)和液體的侵入，保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)也防止運(yùn)行數(shù)據(jù)的泄露。

1.2 顯示模塊

6AV2124-0JC01-0AX0觸摸屏是一種先進(jìn)的人機(jī)界面設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中，其具有高分辨率、觸摸操作、實(shí)時(shí)顯示等特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和管理。

通過(guò)連接6AV2124-0JC01-0AX0觸摸屏與調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)顯示管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)和報(bào)警信息等。觸摸屏上的界面設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行定制，便于操作和數(shù)據(jù)查看。通過(guò)觸摸屏的觸摸操作，用戶輕松地瀏覽和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各種參數(shù)和設(shè)置。

1.3 控制模塊

STM32F103RCT6是一款功能強(qiáng)大的ARMCortex-M3內(nèi)核的微控制器，具有高性能和低功耗的特點(diǎn)，豐富的外設(shè)接口和強(qiáng)大的計(jì)算能力使其非常適合用于工業(yè)控制應(yīng)用。

如圖1所示，在自動(dòng)化包裝機(jī)械運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)作核心將收到操作指令。在STM32的分析下，其會(huì)將自動(dòng)化包裝機(jī)械的調(diào)速信號(hào)輸至變頻器。變頻器是一種用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)備，通過(guò)改變電壓和頻率來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行速度。通過(guò)與變頻器的配合，STM32根據(jù)系統(tǒng)的需要精確地控制包裝機(jī)械的運(yùn)行速度。利用STM32強(qiáng)大的計(jì)算能力和豐富的外設(shè)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)包裝機(jī)械的精準(zhǔn)控制和調(diào)速。

圖1 機(jī)械控制器運(yùn)行速度控制過(guò)程

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

當(dāng)自動(dòng)化包裝機(jī)械處于某一包裝工序時(shí)，主控制器會(huì)接收運(yùn)行信號(hào)，并立即做出反應(yīng)。主控制器內(nèi)設(shè)有速度曲線，根據(jù)該曲線來(lái)控制包裝機(jī)械的運(yùn)行。運(yùn)行速度檢測(cè)流程如圖2所示，運(yùn)行速度控制如圖3所示。

圖2 運(yùn)行速度檢測(cè)流程

圖3 運(yùn)行速度控制

具體來(lái)說(shuō)，主控制器會(huì)根據(jù)包裝工序的要求設(shè)定相應(yīng)的運(yùn)行速度，這些速度信息事先預(yù)設(shè)在主控制器中，也通過(guò)外部輸入設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。主控制器會(huì)根據(jù)設(shè)定的速度曲線，逐步調(diào)整包裝機(jī)械的運(yùn)行速度，以實(shí)現(xiàn)包裝運(yùn)行的要求。主控制器還會(huì)對(duì)包裝機(jī)械的速度進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)與包裝機(jī)械的編碼器或傳感器連接，主控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)包裝機(jī)械的運(yùn)行速度，并與設(shè)定的速度曲線進(jìn)行比對(duì)。如果檢測(cè)到包裝機(jī)械的速度偏離設(shè)定值，主控制器會(huì)立即做出相應(yīng)的調(diào)整，以確保包裝機(jī)械的運(yùn)行速度符合要求。

主控制器主要用于控制自動(dòng)化包裝機(jī)械的運(yùn)行速度，并對(duì)包裝機(jī)械的速度進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)設(shè)定速度曲線和與包裝機(jī)械的編碼器或傳感器的連接，主控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)包裝機(jī)械運(yùn)行速度的精確控制和檢測(cè)，以確保包裝機(jī)械在不同的包裝工序中以設(shè)定的速度運(yùn)行，提高包裝效率和質(zhì)量。

2.2 運(yùn)行速度智能控制算法

在包裝機(jī)械運(yùn)行區(qū)間中，選取一個(gè)有限的時(shí)間區(qū)間[0，t]，通常選擇包裝機(jī)械工序之間的兩個(gè)環(huán)節(jié)作為運(yùn)行區(qū)間[t1，t2]，其中t1∈[0，t]。將采樣時(shí)間設(shè)置為φ，那么離散時(shí)間區(qū)間描述為τ=0，1，…，χ，其中存在t=φ·τ。根據(jù)歐拉定理，微分方程被離散化為：

式中，y（τ）為離散時(shí)間點(diǎn)τ上的系統(tǒng)狀態(tài)，f（τ，y（τ））為離散時(shí)間點(diǎn)τ上的系統(tǒng)狀態(tài)的變化率。

通過(guò)離散化微分方程，在離散時(shí)間點(diǎn)上計(jì)算系統(tǒng)狀態(tài)的變化，并進(jìn)行相應(yīng)的控制。

通過(guò)將微分方程離散化，在離散時(shí)間點(diǎn)上計(jì)算包裝機(jī)械系統(tǒng)狀態(tài)的變化，并進(jìn)行相應(yīng)的控制，以便更好地描述包裝機(jī)械的運(yùn)行過(guò)程，并實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)行速度和狀態(tài)的控制。

為了方便控制包裝機(jī)械的運(yùn)行速度，將包裝機(jī)械的運(yùn)行速度和位置變化定義為系統(tǒng)狀態(tài)。在離散時(shí)間點(diǎn)τ上，系統(tǒng)狀態(tài)表示為：

式中，y（τ）為離散時(shí)間點(diǎn)τ上的包裝機(jī)械位置，v（τ）為離散時(shí)間點(diǎn)τ上的包裝機(jī)械速度。

通過(guò)離散化微分方程，在離散時(shí)間點(diǎn)上計(jì)算包裝機(jī)械位置的變化，并進(jìn)行相應(yīng)的控制。通過(guò)將包裝機(jī)械的運(yùn)行速度和位置變化定義為系統(tǒng)狀態(tài)，并離散化微分方程，在離散時(shí)間點(diǎn)上計(jì)算包裝機(jī)械位置的變化，并實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)行速度和狀態(tài)的控制。這樣更好地描述包裝機(jī)械的運(yùn)行過(guò)程，并方便地進(jìn)行控制。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

包裝機(jī)械的工作電壓為220 V，包裝機(jī)械的初始速度為300r/min，在實(shí)驗(yàn)中，包裝機(jī)械將會(huì)包裝100件食品，機(jī)械與其他設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行接口管理，可能會(huì)有輸入輸出的數(shù)據(jù)傳輸，這些參數(shù)設(shè)置將用于實(shí)驗(yàn)中，以控制包裝機(jī)械的工作條件和性能。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 不同系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)行速度控制準(zhǔn)確性分析

為了驗(yàn)證文章系統(tǒng)的有效性，實(shí)驗(yàn)對(duì)比了文章系統(tǒng)、系統(tǒng)一、系統(tǒng)二在包裝機(jī)械運(yùn)行速度控制的準(zhǔn)確性。

文章系統(tǒng)：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，文章系統(tǒng)在包裝機(jī)械運(yùn)行速度控制方面表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性。通過(guò)將包裝機(jī)械的運(yùn)行速度和位置變化定義為系統(tǒng)狀態(tài)，并離散化微分方程，文章系統(tǒng)能夠在離散時(shí)間點(diǎn)上計(jì)算包裝機(jī)械位置的變化，并進(jìn)行相應(yīng)的控制。這樣更好地描述包裝機(jī)械的運(yùn)行過(guò)程，并方便進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，文章系統(tǒng)能夠有效地控制包裝誤差，提高包裝機(jī)械的運(yùn)行準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)一：系統(tǒng)一利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行速度自適應(yīng)的控制方法，改進(jìn)了非線性關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象，能夠在包裝材料速度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，有效控制包裝誤差。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)一的抗干擾能力較差，容易受到外界干擾的影響，導(dǎo)致包裝誤差較大。這可能是由于系統(tǒng)一忽視了對(duì)數(shù)據(jù)的快速處理，無(wú)法及時(shí)調(diào)整控制速率，導(dǎo)致系統(tǒng)反應(yīng)較慢。

系統(tǒng)二：系統(tǒng)二根據(jù)包裝機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行的特征，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化模塊，調(diào)節(jié)自動(dòng)化控制速度等，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化包裝機(jī)械控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)二的系統(tǒng)控制速率較低，無(wú)法快速響應(yīng)包裝機(jī)械的變化需求。這可能是由于系統(tǒng)二忽視了對(duì)數(shù)據(jù)的快速處理，系統(tǒng)控制速率較低。

由圖4看出，在實(shí)驗(yàn)次數(shù)為2和8時(shí)，文章系統(tǒng)相對(duì)于系統(tǒng)一和系統(tǒng)二在包裝機(jī)械運(yùn)行的控制準(zhǔn)確性方面表現(xiàn)較好。實(shí)驗(yàn)次數(shù)為2時(shí)，文章系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確性約為89%，相比之下，系統(tǒng)一的控制準(zhǔn)確性約為78%，系統(tǒng)二的控制準(zhǔn)確性約為59%。這意味著在較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)下，文章系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確地控制包裝機(jī)械的運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)次數(shù)為8時(shí)，文章系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確性約為95%，系統(tǒng)一的控制準(zhǔn)確性約為89%，系統(tǒng)二的控制準(zhǔn)確性約為85%。這表明隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，文章系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高，而系統(tǒng)一和系統(tǒng)二的控制準(zhǔn)確性也有所增加，但相比之下仍然低于文章系統(tǒng)。文章系統(tǒng)在控制包裝機(jī)械運(yùn)行時(shí)具有較好的準(zhǔn)確性，無(wú)論是在較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)下還是在較多的實(shí)驗(yàn)次數(shù)下，文章系統(tǒng)均能更準(zhǔn)確地控制包裝機(jī)械的運(yùn)行，提高包裝的準(zhǔn)確性。

圖4 不同方法機(jī)械運(yùn)行速度控制準(zhǔn)確性對(duì)比

3.2.2 不同系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)行速度控制穩(wěn)定性分析

文章系統(tǒng)的控制表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性，其控制包裝機(jī)械運(yùn)行速度的變化頻率始終在1～2 Hz 范圍內(nèi)。這意味著文章系統(tǒng)能夠較好地維持包裝機(jī)械的運(yùn)行速度穩(wěn)定，避免了過(guò)大的波動(dòng)。不同方法機(jī)械運(yùn)行速度控制穩(wěn)定性對(duì)比如圖5所示。

圖5 不同方法機(jī)械運(yùn)行速度控制穩(wěn)定性對(duì)比

系統(tǒng)一和系統(tǒng)二在控制包裝機(jī)械運(yùn)行速度方面表現(xiàn)出較低的穩(wěn)定性，所控制的運(yùn)行速度出現(xiàn)不同幅度的波動(dòng)，無(wú)法保持穩(wěn)定。這可能是由于系統(tǒng)一和系統(tǒng)二的控制算法或控制模塊設(shè)計(jì)不夠優(yōu)化，導(dǎo)致了速度的波動(dòng)。因此，采用文章系統(tǒng)進(jìn)行包裝機(jī)械運(yùn)行速度的控制可獲得較高的穩(wěn)定性。這有助于提高包裝機(jī)械的運(yùn)行效率和準(zhǔn)確性，減少包裝誤差。然而，仍然需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)系統(tǒng)一和系統(tǒng)二的控制方法，以提高其穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章成功地設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化包裝機(jī)械運(yùn)行速度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在控制準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出較好的性能。通過(guò)文章系統(tǒng)的應(yīng)用，有效地提高了包裝機(jī)械的運(yùn)行效率和準(zhǔn)確性，減少了包裝誤差。然而，文章系統(tǒng)仍然存在一些改進(jìn)的空間，例如進(jìn)一步優(yōu)化控制算法和增加系統(tǒng)的靈活性。未來(lái)的研究須進(jìn)一步完善文章系統(tǒng)，并探索其他創(chuàng)新的控制方法，以滿足不斷變化的包裝需求。