本文介紹了包裝機(jī)溫度控制系統(tǒng)的工作原理，以及單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法的原理，通過對基于單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法的包裝機(jī)溫度控制子系統(tǒng)的調(diào)試，成功將單神經(jīng)元自適應(yīng)PID溫控算法移植到包裝機(jī)控制器中，試驗(yàn)測試表明用該方法進(jìn)行參數(shù)整定的控制系統(tǒng)，具有很好的自適應(yīng)性和穩(wěn)定性以及很高的控制精度。
包裝機(jī)，是指將具有熱塑特性的塑料復(fù)合膜經(jīng)加熱軟化制成包裝容器，在一臺設(shè)備上自動完成制袋成型、填充物料、封合剪切等全過程的自動包裝設(shè)備。塑料復(fù)合膜必須加熱到一定的溫度才能軟化，所以包裝機(jī)控制器必須控制加熱設(shè)備的溫度在很小的范圍之內(nèi)。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有很多專用的溫控模塊，但其價(jià)格往往很高，為了節(jié)約成本，本文將溫控算法移植到包裝機(jī)控制器中。
以往的溫度控制方式大多是數(shù)字PID控制，數(shù)字PID控制是一種采樣控制，它是根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，由于數(shù)字PID控制具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)靈活，不需要預(yù)先確定被控對象的數(shù)學(xué)模型以及控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，它廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)電、化工等行業(yè)。但數(shù)字PID控制需要預(yù)先整定三個(gè)參數(shù)，調(diào)試起來比較繁瑣，而神經(jīng)元具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、結(jié)構(gòu)簡單、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)，成功應(yīng)用在很多系統(tǒng)中，故本文將神經(jīng)元和數(shù)字PID的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，采用單神經(jīng)元自適應(yīng) PID算法，對包裝機(jī)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行在線學(xué)習(xí)與參數(shù)整定。通過對包裝機(jī)溫度控制系統(tǒng)的試驗(yàn)測試，調(diào)整與分析神經(jīng)元的比例系數(shù)K對控制系統(tǒng)的影響，最后成功將其移植到包裝機(jī)控制器。
1 包裝機(jī)溫度控制系統(tǒng)工作原理
包裝機(jī)工作時(shí)，需要將塑料復(fù)合膜進(jìn)行封口，它是通過加熱到一定溫度的2路橫封刀和2路縱封捏紙輪實(shí)現(xiàn)的，因此包裝機(jī)正常工作的先決條件是溫度控制在很小的范圍內(nèi)。在觸摸屏上設(shè)定好加熱溫度以及上下限報(bào)警溫度后，通過ModBus通訊協(xié)議與包裝機(jī)控制器進(jìn)行通訊，包裝機(jī)控制器接收到設(shè)定溫度和上下限報(bào)警溫度后，會對封刀或捏紙輪處的K型熱電偶進(jìn)行溫度采集，通過包裝機(jī)控制器的控制作用，使封刀或捏紙輪處的溫度保持在很小的范圍內(nèi)，具體是包裝機(jī)控制器控制輸出 PWM脈沖信號的占空比(脈沖周期固定)，從而控制固態(tài)繼電器的閉合時(shí)間。固態(tài)繼電器的導(dǎo)通，會使封刀或捏紙輪處的加熱管接通電源，加熱封刀(固態(tài)繼電器的輸出與加熱管和交流電源相串聯(lián))。固態(tài)繼電器在脈沖周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間越長，溫度上升越快，當(dāng)封刀或捏紙輪加熱到設(shè)定溫度后，包裝機(jī)控制器需要控制固態(tài)繼電器以特定的占空比保證加熱管接通電源，從而使封刀或捏紙輪處的溫度保持在設(shè)定溫度附近。包裝機(jī)溫度控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 包裝機(jī)溫度控制系統(tǒng)框圖
圖1中的K型熱電偶所測溫度對應(yīng)的電壓信號，由于是小信號，需要在包裝機(jī)控制器中設(shè)計(jì)放大電路，將小信號電壓放大到A/D轉(zhuǎn)換器能夠分辨的大電壓信號，并對K型熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償。圖2為包裝機(jī)PID溫度控制系統(tǒng)方框圖。
圖2 包裝機(jī)PID溫度控制系統(tǒng)方框圖
2 基于單神經(jīng)元的自適應(yīng)PID控制算法
2.1單神經(jīng)元模型
圖3 單神經(jīng)元模型
單神經(jīng)元的輸出為：
其中，
分別對應(yīng)神經(jīng)元第i個(gè)輸入、第i個(gè)輸入所對應(yīng)的連接權(quán)值，K為神經(jīng)元的增益(比例系數(shù))，它對系統(tǒng)的快速跟蹤和抗干擾能力有較大的影響。神經(jīng)元控制器的輸出為：
2.2 有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則
學(xué)習(xí)規(guī)則是修正神經(jīng)元之間的連接強(qiáng)度或加權(quán)系數(shù)的算法，使獲得的知識結(jié)構(gòu)適應(yīng)周圍環(huán)境的變化。單神經(jīng)元控制器的自適應(yīng)功能是通過學(xué)習(xí)改變連接權(quán)值來實(shí)現(xiàn)的。學(xué)習(xí)算法就是調(diào)整連接權(quán)值
的規(guī)則，它是單神經(jīng)元控制器的核心，并反映了其學(xué)習(xí)的能力。
將無監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則和有監(jiān)督的Delta學(xué)習(xí)規(guī)則兩者結(jié)合起來，就組成有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則，即：
2.3 單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制
單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器是通過對加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自組織功能，權(quán)系數(shù)的調(diào)整是按有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則實(shí)現(xiàn)的。學(xué)習(xí)算法為：
控制算法為：
由具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力的單神經(jīng)元構(gòu)成的自適應(yīng)PID控制器，不但結(jié)構(gòu)簡單，而且能適應(yīng)環(huán)境變化，有較強(qiáng)的魯棒性。
3 試驗(yàn)測試
將單神經(jīng)元自適應(yīng)PID溫控算法移植到包裝機(jī)控制器MC56F8037中，實(shí)時(shí)在線采集封刀或捏紙輪加熱管處的溫度，并將其發(fā)送到觸摸屏實(shí)時(shí)顯示。溫度上下限設(shè)定為±5℃，如果封刀或捏紙輪處的溫度超出上下限將導(dǎo)致包裝機(jī)控制系統(tǒng)的報(bào)警，并產(chǎn)生包裝機(jī)控制系統(tǒng)的緊急停車，暫停包裝機(jī)的正常工作。
神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法的控制量u(k)是MC56F8037PWM模塊輸出脈沖的占空比(PWM配置為Center-Aligned)，即
PWM period = (PWM modulus) × (PWM clock period) × 2 (9)
PWM pulse width = (PWM value) × (PWM clock period) × 2 (10)
式(9)為PWM周期計(jì)算公式，PWMmodulus由CMOD寄存器決定，本測試設(shè)置為32767，則
PWMperiod=65534×(PWMclockperiod) (11)
而PWMvalue的變化范圍為0～32767，即控制量u(k)的變化范圍為0～32767。
比例、積分、微分的自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率分別設(shè)定為0.4、0.5、0.4。當(dāng)神經(jīng)元的比例系數(shù)K取值較小時(shí)，溫度緩慢上升，u(k)在0-32767之間緩慢上升，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，u(k)并沒有下降，直到溫度大于設(shè)定溫度時(shí)，控制量u(k)才下降，由于K取值較小，u(k)變化緩慢，導(dǎo)致溫度超調(diào)過大，因此溫度會在很長時(shí)間后才會穩(wěn)定下來;而K取值較大時(shí)，由于溫度偏差太大，控制器自適應(yīng)學(xué)習(xí)，導(dǎo)致u(k)在0-32767之間反復(fù)變化，當(dāng)占空比較大時(shí)，會加熱封刀，而當(dāng)占空比較小時(shí)，就會導(dǎo)致溫度的下降，所以會出現(xiàn)溫度在升降中上升。
為了提高溫度的上升速度，加快整定過程，神經(jīng)元的比例系數(shù)K取為10。采用在溫度低于140℃時(shí)，PWM的占空比控制在90%以上，以加快系統(tǒng)的穩(wěn)定速度，當(dāng)溫度大于140℃并且小于160℃時(shí)，PWM的占空比控制在10%到90%之間，以使神經(jīng)元自適應(yīng)在線學(xué)習(xí)和整定PID參數(shù)，當(dāng)溫度大于160℃ 時(shí)，PWM占空比控制在0到10%，從而實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的快速整定。圖4是單通道溫控子系統(tǒng)的測試結(jié)果。包裝機(jī)控制器的速度已經(jīng)很快，所以四路溫控連續(xù)整定沒有問題，但為了提高控制器的實(shí)時(shí)性，采用控制器每次循環(huán)只整定1路，四次循環(huán)就把四路都整定一遍，每隔1s同時(shí)改變四路的PWM占空比值，可以有效的提高PWM模塊的效率。因?yàn)楫?dāng)每次循環(huán)改變PWM值時(shí)，u(k)使得PWM值變化很快，固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時(shí)間一直在變，會使加熱管的加熱效率變低。
圖4 單通道溫控子系統(tǒng)的測試結(jié)果
圖4表明誤差能夠控制在±1℃，這是由控制器對K型熱電偶的電壓采集模塊ADC的精度以及PWM占空比分辨率決定的，如果溫度采集精度達(dá)到0.1℃并且增大PWM占空比的范圍，理論上講，誤差能夠控制在±0.1℃。
4 結(jié)論
本文實(shí)現(xiàn)了單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法在包裝機(jī)溫度控制子系統(tǒng)中的應(yīng)用，并成功將其移植到包裝機(jī)控制系統(tǒng)中，從控制效果來看，溫度能夠保持在149℃～151℃，沒有超出設(shè)定的上下限溫度范圍，從而有效提高包裝機(jī)的控制性能，為包裝機(jī)的正常工作提供保障。
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