塑料包装机封口温度的模糊控制方法

引言 
 
    塑料包装机在工作时，封口温度的高低会直接影响产品质量，温度过高或过低，都会造成产品的缺陷，影响产品的美观。所以在包装机中，对封口的温度控制是十分重要的。我们在研制包装机控制的过程中，使用单片机对塑料包装机封口温度进行单独控制，为达到较好的控温效果，采用了模糊控制方法。经试验，系统具有控温精度高、控温平稳的特点，取得了较好的控制效果。 
 
    1 系统的构成 
 
    图1给出了系统的控制结构,整个装置由电偶测温部分,模糊控制部分,输出控制部分及单片机系统四个部分组成,图中单片机采用Atmelr AT89C51,它有4K的FLASH程序存储器、128字节的RAM,32根I/O 口线、2个16位定时器和一个全双工的串行口。具有较强的指令系统，并有较好的开发工具的支持，足以完成对包装机的封口温度的控制任务。该控制采用热电偶作为温度测量的传感器，测得的温度参数经处理后作为模糊控制的输入量，用模糊算法得到输出的控制量，用于控制封口加热装置的加热功率来实现温度的控制。
 
    2 温度的精确测量 
 
    在包装机的温度控制中，采用热电偶作为测量温度传感器。热电偶具有结构简单，测温范围大，响应快的特点，所以得到广泛的应用。但热电偶也存在输出非线性，所测的温度与热电偶的冷端温度有关等不足之处。
 
    温度的测量由多路开关、小信号仪用放大器、A/D转换器和冷端测温电路组成，如图2所示。图中A/D转换电路使用具有多通道输入的串行12位:A/D转换器TLC2543。仪用放大器选用高精度的AD620N。冷端温度的测量采用AD590 作为测量传感器。



 
    用这种方法测温，可在较宽的温度范围内得到精确的温度测量结果。 
 
    3 模糊控制的基本结构与算法 
 
    在测得精确的温度值的同时，需要有好的控制算法完成对包装机封口的温度控制。在本装置中，使用模糊控制的方法来进行控制。 
 
    3.1 模糊化 
 
    在本系统中，模糊化就是要把输入变量的精确值离散化，变为设定的整数论域中的元素。将要求达到的设定温度ts与通过热电偶测得的温度t 的差值E作为模糊控制的一个输入量U的变化率△E=dE/dt作为模糊控制的另一个输入量，输出量’用于控制脉冲宽度调制PWM电路的输出，PWM电路根据此值输出相应脉宽的脉冲来控制加热功率的大小。 
 
    3.2 隶属度函数和语言变量的确定 
 
    将差值变量、差值的变化率及输出控制量的模糊量的语言值分为7档（负大、负中、负小、零、正小、正中、正大），用符号表示为：NB NM NS ZE PS PM PB ；模糊子集的隶属度函数选用三角形波形的隶属函数对E △E U进行赋值。输入输出模糊子集的隶属函数如图3。
 
    3.3 模糊控制规则的设计 
 
    模糊控制器的控制规则基于专家或操作者的经验和技能得出，控制规则的生成方法有很多，在此采用人工的控制经验，即根据系统阶跃信号的响应确定。得出下面的模糊控制规则表，如表1 所示。模糊控制规则表表示了一组控制规则，表征了模糊系统的模糊关系，由控制规则可求出模糊关系矩阵R。其形式为：
 
    3.4 模糊推理 
 
    在本系统中，由于处理的物理量是温度，反应并不要求十分迅速，因此，可选用激活规则推理的方法来实现模糊控制的实时处理，即采用模糊化———规则计算———解模糊的实时处理过程。激活规则推理的方法是：根据输入量依次激活各条规则，对每一条规则，计算输入对各隶属函数的隶属度，即模糊化，并取最小的值作为该规则对输出量的推荐值。然后将所有的规则得到的推荐值进行合并，采用面积重心法求解，得到在当时输入时的模糊控制的输出量。采用这种方法的优点是：占用的存储器比较少，便于调整，可用于较复杂的模糊推理系统。经模糊规则推理得到的输出量用于控制PWM电路的输出。