0.引言

随着经济的发展，对于皮带给料式定量包装秤的需求不断增加。众多学者对其进行了相关研究，文献[2]提出了一种三级给料控制的方法，减小了称重误差，但难以同时满足计量精度与计量速度的要求，且适应性差。文献[3]在变频调速的基础上加入模糊PID控制器，增强了系统稳定性，提高了系统的计量速度与精度，但仍无法满足适应性的要求。提出了一种基于误差自动修正的控制算法，对误差进行在线修正，有效地改善了系统性能，但该算法在连续工作情况下才能保证较好的效果，且动稳态性能较差。

为了进一步提高皮带给料式定量包装秤的性能，本文在多级给料方式的基础上，设计了一种基于模糊控制算法的定量包装秤模糊控制器，并将其与异步电机模糊自适应PID。。矢量控制调速系统相结合，构成定量包装秤模糊矢量控制系统，从而提高其动稳态性能，增强其对多种物料多种定量的适应性，解决计量速度与精度的矛盾。通过仿真分析证明了该方法的合理性与有效性。

 

1.皮带给料式定量包装秤称重系统

1.1系统的组成

皮带传输机构、异步电机和减速箱构成皮带给料机。包装袋和夹带装置构成了称重容器，称重控制系统是整个系统的核心。自动运行过程为：称重控制系统检测到上袋信号后，夹袋装置夹紧包装袋，然后启动电机，通过调节电机的转速来控制给料速度当物料重量达到设定值时，给料装置停止给料，打开卸料门，物料放完后自动关闭卸料门。如此循环往复自动运行。

1.2动态称重模型及误差分析

称重部分和称重传感器可以等效为一个二阶系统。对其进行受力分析可知，在动态称重过程中，物料重量G(t)和物料下落的冲击力F(t)随物料下落而改变，称重模型随时间变化，此时称重系统为时变线性系统。造成动态称重系统不能及时称量出物料重量的主要原因有两个：

一、是物料下落产生冲击力，使得称量值大于实际物料重量；

二、是存在空中落料差，由于这部分物料存在滞后性，导致称量值小于实际物料重量。在给料过程中，当落差高度h和流量系数C等于皮带上物料横截面积S和物料密度P的乘积)一定时，降低给料机的转速n(t)，可减小称量误差，但同时降低了计量速度。好的动态称重系统，关键是保证称重速度的同时，具有高的称重精度。本文采用三级给料方式，为保证称量精确度，要求中速和慢速给料存在稳定段，且末级稳定给料时间t>2／g，h为中速给料切换到慢速给料时的落差高度。所以保证计‘量精度的前提下提高计量速度就必须缩短各级给料的过渡时间。

 

2.模糊控制器设计

模糊控制器是模糊控制系统的核心，由输入量模糊化接口、数据库、规则库、推理机、输出量解模糊接口组成。

2.1模糊自适应PID速度调节器设计

速度调节器本质上是一个PID控制的转差调节器，为了提高系统的鲁棒性、适应性以及动静态性能，本文结合模糊控制对比例系数k、积分系数k和微分系数k进行在线整定。模糊控制器的输入量为转速偏差e和偏差变化率ec，输出量为PID调节器参数增量Ak、Ak、Ak。偏差e和偏差变化率ec的隶属函数如图3所示，图4为输出量△、△、△的隶属函数。根据操作经验和实验分析获得推理规则如表1所示(分别为Ak。／&k／Akd)。

2．2定量包装秤模糊控制器设计

根据物料密度、流量和给料皮带转速之间存在的模糊关系，设计了一个模糊控制器，通过物料密度P和目标定量值D得到给料皮带的转速n，从而调节物料流量Q。增强了定量包装秤的适应性，且在保证称量精度前提下提高了定量包装的速度。本设计方案中语言变量P的基本论域为[0．3g／cm。3．5g／cm。1，D的基本论域为[0．5kg，5O]，n的基本沦域为[5rad／s，76．5rad／s]，输入输出量采用均匀量化形式。

 

3.控制系统MATLAB仿真

3.1仿真模型的建立

为了验证该方法的正确性，本文用MATLAB搭建仿真模型进行验证。系统采用三级给料方式，给料过程中S几乎不变，为了方便计算认为S等于0．0lm，皮带与电机转速之比卵为0．04。所选电机参数如下：额定电压380V，额定功率15kW，额定频率50Hz，额定转速730r／min，定子电阻0．332n，转子电阻0．153n，定转子漏感1mH，互感31．5mH，4对极，转动惯量0．15kg·m。

3.2仿真结果及分析

本文将定量包装秤模糊控制器分别与模糊自适应PID和常规PID速度调节器调速给料系统相结合进行了仿真实验。仿真结果，模糊自适应PID调速给料系统均采用快速给料至0．9D、中速给料至0．95D、慢速加料至D，常规PID调速给料系统分别采用快速给料至0．9／0．85／0．8D、中速给料至0．95／0．95／0．92D、慢速加料至D。D：50kg且P=1．5g／cm时，与模糊自适应PID速度调节器相结合的控制系统响应速度快，动稳定性高，存在中速和慢速给料稳定段，且末级给料稳定时间满足要求，既保证了计量精度又提高了计量速度。与常规PID速度调节器相结合的控制系统响应速度慢，动稳定性差，不能同时满足计龟精度和速度的要求。D=25kg且P=1．0g／cm时，与模糊自适应速度调节器相结合的控制系统响应速度快，动稳定性高，存在中速和慢速给料稳定段，且末级给料稳定时间满足称重要求，在保证计量精度的前提下缩短了给料时间。与常规PID速度调节器相结合的控制系统响应速度慢，动稳定性差，不能同时满足计量精度和计量速度的要求。与图7相比改变D与P后，定量包装秤模糊控制器相应地改变了各级给料速度。D=10kg且P：0．5g／cm时与模糊自适应PID速度调节器相结合的控制系统响应速度快，动稳定性高，存在中速和慢速给料稳定段，且末级给料稳定时间满足称重要求，在保证计量精度的前提下缩短了给料时间。与常规PID速度调节器相结合的控制系统响应速度慢，动稳定性差，仍不能同时满足计量精度和计量速度的要求。与图7和8相比改变，J与P后，定量包装秤模糊控制器相应地改变了各级给料速度。由此可见，定量包装秤模糊控制器增强了定量包装秤的适应性。

 

4.结束语：

本文针对皮带给料式定量包装秤存在的不足，设计了定量包装秤模糊控制器和模糊自适应PID速度调节器，并且搭建了定量包装秤模糊矢量控制系统仿真模型。通过仿真实验，得出如下结论：

(1)采用多级给料有效地减小了因冲击力和空中落料量造成的称重误差；

(2)针对不同的，J和JP，定量包装秤模糊控制器相应地改变各级给料速度，增强了定量包装秤对多种物料进行多种定量的适应性；

(3)定量包装秤模糊矢量控制系统，加快了响应速度，提高了动稳态性能和调节精度，且没有超调量，增强了控制系统的鲁棒性，更好地协调了计量速度和计量精度的矛盾。上述仿真结果验证了该控市0方法的合理性与有效性，为进行相关的硬件设计打下了基础，具有一定的工程应用价值。

 

 

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