基于模糊PID控制的金属拉链自动生产线的控制研究

何用辉

(福建信息职业技术学院机电工程系，福建 福州 350003)



基于模糊PID控制的金属拉链自动生产线的控制研究

何用辉

(福建信息职业技术学院机电工程系，福建 福州 350003)

金属拉链的生产效率和产品质量是提高金属拉链工业竞争力的主要指标.为了能够避免目前金属拉链生产过程中存在的缺陷，利用模糊PID技术对金属拉链自动生产线进行控制.首先，对金属拉链生产工艺进行了改进；其次，分析了模糊PID控制的基本原理，设计模糊控制规则和输出的算法；最后，进行了基于模糊PID技术的金属拉链自动生产线的控制仿真研究.仿真结果表明：利用模糊PID控制技术能够提高金属拉链生产线的效率，提高产品的质量.

模糊PID技术；控制；金属拉链；自动生产线

中国拉链行业经过改革开放三十多年的发展，中国已经成为世界上最大的拉链生产国、出口国和消费国.但是由于产品结构、生产工艺和技术装备等诸多因素的影响, 中国拉链工业一直是劳动密集型产业，至今还没有太大改变.作为国内最具技术与生产实力，位居全国第一、世界第二的福建浔兴拉链股份有限公司也是如此.其三大产品系列之一的金属闭口成品拉链的生产还是基于传统的生产工艺和生产设备，采用分机流水单线生产方式.整个国内金属闭口拉链生产都处于这种生产效率低、人工成本高、产品不良率高的状态.

目前市场对金属闭口拉链的需求具大，现有的单工序半自动化作业的生产模式无法满足大批量定单的需求，而且随着国际市场竞争加剧，产品质量要求提高，这已成为制约中国拉链业发展的一个重要因素.国内拉链生产企业都迫切地需要整合研究新的金属闭口拉链生产工艺，研制开发出配套的自动化生产设备[1].

传统的生产线基本上采取PID控制技术，由于金属拉链生产过程的控制具有较大的时滞性和任意性，因此传统的PID控制技术难以获得较理想的控制效果.为了能够提高金属拉链生产线控制的精度和可靠性，将模糊理论融合到传统的PID控制技术中构造模糊PID控制技术对金属拉链生产线进行控制，以期提高金属拉链生产线的自动化水平.

1　金属拉链生产工艺的改进

目前金属拉链生产工艺存在的缺陷如下所示：

(1)传统的生产工艺流程基于早期的制造技术和生产装备水平而开发，生产工序分割比较单一，生产组织分散，生产工序之间不平衡，工序物流对生产效率产生影响.因此在金属闭口拉链生产工艺上需要结合现代生产方式和装备技术水平，进行工艺流程的整合与优化研究处理，尽量减少生产工序.

(2)由于早期技术的局限，原有的生产流程中有一些工序比如产品质量检测与不良品的剔除这类任务只能依靠人的眼睛来完成，没有专门的生产设备，不能实现大规模自动化生产.这造成人工成本高、质量不稳定，直接影响产品成本和合格率.采用先进的传感检测技术和视觉识别技术将逐步成为解决此类技术难题的有效手段.

(3)已有的生产设备都是基于单工序的机械化或半自动化的设备，设备结构与功能单一，不能实现生产过程信息管控，这些设备构建的分机流水单线作业模式占地面积大，效率低，增加物料周转成本，不能实现统一自动化控制与管理.

传统成品拉链生产工艺流程及生产实现方式依次如下所示：

成品码装→组装工止码(工止码机，半自动)→穿拉链头(穿头机，半自动)→压装上止(上止机，半自动)→切断(切断机，全自动)→检测拉头LOG(人工，肉眼)→检测上止(人工，肉眼)→点数包装.

该生产以单工序作业为主，工序长，周转环节多；生产设备以机械化或半自动化单工序机器为主，效率低、占地面积大；一些工序依然依靠人工操作完成，影响品质的人为因素较多，质量难以控制.根据现代生产方式和装备技术水平，进行工艺流程的整合与优化处理，主要是针对原有穿拉链头、压装上止、切断工序进行重新研究分析与工艺设计，开发出一种新的三合一生产工艺流程，自动化生产设备可有效实现拉链生产中穿拉链头、压装上止、切断三合一工序的一体化自动化生产过程，提高了生产效率，为新一代金属闭口拉链一体化生产装备，针对新的生产工艺可以设计出相应的模糊PID控制系统.

2　模糊PID控制的基本原理

常规的PID控制器具备许多优点，例如，结构简单、性能可靠、易于操作等，但也存在一些不足，在金属拉链生产线控制过程中存在许多不确定性因素的扰动，因此控制效果不够理想，无法达到预计的控制效果.模糊控制是一种先进的控制方法，适应性非常好，在控制过程中比较平稳，然而，在控制阶段无法将静态误差消除.所以，为了能够避免常规PID控制技术和模糊控制技术的缺陷，优势互补，将常规的PID控制技术和模糊控制技术结合起来，构造了模糊PID控制系统.通过模糊控制规则能够有效调节常规PID控制器的性能参数，从而能够有效地对金属拉链生产线进行自动化控制.

依据金属拉链自动生产线的控制要求，进行模糊PID控制器的参数初始化操作，从而能够确保金属拉链生产线高效地运行，提高金属拉链的加工质量，PID控制器参数自整定方程如下所示[2]：

(1)

式中，kp=0.80、ki=0.06，kd=0.30.

为了能够避开微分计算，采用一阶滞后近似法获取PID控制器的传递函数，相应的表达式如下所示：

(2)

式中，N为恒定的常数，按照金属拉链自动生产线的控制要求，N=12.

把模糊控制技术和常规的PID控制技术融合起来提出一种具有较强自适应性的模糊PID控制系统，系统的基本原理图如图1所示.图中偏差|e(s)|与偏差变化量|ec(s)|可以变为比例因子kp、积分因子ki以及微分因子kd的函数，相应的数学模型如下所示：

kp=h1(|e(s)|,|ec(s)|)

(3)

ki=h1(|e(s)|,|ec(s)|)

(4)

kd=h1(|e(s)|,|ec(s)|)

(5)

图1　金属拉链自动化生产线模糊自适应PID控制系统示意图

采取模糊PID控制器对金属拉链自动化生产线进行自适应控制，依据偏差|e(s)|和偏差变化量|ec(s)|以及模糊控制技术的基本理论，制定比例因子变化量Δkp、积分因子变化量Δki以及微分因子变化量Δkd的模糊控制规则，模糊论域设置为[-5，5].将该论域划分为七个不同的等级，分别定义为PL、PM、PS、ZE、NS、NM、NL；PL的含义为正大,PM的含义为正中，PS的含义为正小，ZE的含义为零，NS的含义为负小，NM的含义为负中，NL的含义为负大，模糊控制规则见表1-3[3].

表1　Δkp模糊控制规则

表2　Δki模糊控制规则

表3　Δkd模糊控制规则

模糊PID控制系统的输出计算程序如下所示：

步骤1：计算模糊推理所有输出的重心；

步骤2：针对步骤1获得的重心进行模糊化运算，从而能够得到精确解，相应的计算表达式如下所示[4]：

(6)

式中，U*为精确解；ρ(i)为比例因子kp、积分因子ki以及微分因子kd的隶属度函数，m为输出的数量.

3　金属拉链自动生产线模糊PID控制仿真分析

为了验证所设计的模糊PID控制系统的有效性，进行金属拉链自动生产线的控制仿真分析，利用MATLAB软件编制控制仿真程序，设备的工作能力为20pcs/m，工作电源为AC220V/50Hz，工作气源为0.6MPa，拉链的长度为100mm，设备的生产节拍为3s.分别利用传统的PID控制技术和模糊PID控制技术进行金属拉链自动生产线的控制仿真研究，仿真结果如图2所示.

图2　金属拉链控制仿真曲线对比图

从图2可以看出，利用模糊PID技术对金属拉链自动生产线进行控制，相对于传统的PID控制技术，具有超调量小、响应周期短的优点，能够获得最佳的控制效果，从而提高金属拉链的加工质量.

将该模糊控制系统进行现场应用，获得了良好的效果，传统金属拉链生产线和基于模糊PID控制的生产线生产质量比较结果见表4.

表4　不同生产线生产产品的质量对比

从表4可以看出，利用基于模糊PID控制技术的金属拉链生产线含废率相对传统的生产线极大地降低了，具有较高的生产稳定性，能够获得较好的加工效果.

4　结论

将模糊控制理论和传统的PID控制技术融合起来提出了模糊PID控制技术，对金属拉链自动化生产线进行控制仿真分析，通过仿真分析可知，利用模糊PID控制技术能够提高金属拉链生产线的生产稳定性，以及金属拉链的生产质量.将该控制应用于金属拉链的加工系统中，能够提高生产线的生产效率，降低能耗，并且能够节省人力和物力，具有较为广阔的应用前景，能够提高金属拉链生产企业的经济效益.

[1] 徐超,张淼.基于脉冲耦合神经网络金属拉链缺陷检测方法的研究[J].制造业自动化, 2013,(9):21-25.

[2] 董文彬,肖利红.基于FUZZY-PID控制的变负载模拟技术的研究[J].航天控制,2010,(2):63-69.

[3] 王典洪,苏文佳,蒋翔俊,等.模糊控制在数控火焰切割机自动调高系统中的应用[J].机床与液压,2008,(5):124-126.

[4] 宋新甫,梁波.基于模糊自适应P I D的风力发电系统变桨距控制[J].电力系统保护与控制, 2009,(16):50-54.

(责任编校：晴川)

Research on the Control of Metal Zipper Automatic Production Line Based on Fuzzy PID Control

HE Yonghui

(Department of Mechatronics Engineering, Fujian Polytechnic of Information Technology,Fuzhou Fujian 350003, China)

In order to avoid the disadvantages in the process of metal zipper production, the fuzzy PID technology is used to control automatic production line of the metal zipper. Firstly, the technology of producing metal zipper is improved; secondly, the principles of fuzzy PID control are analyzed, and the fuzzy control rules and output of the algorithm are designed; finally, simulation research of metal zipper automatic production line control based on Fuzzy PID control technology is carried out. The simulation results show that the fuzzy PID control technology can improve the efficiency of metal zipper production line and the product quality.

fuzzy PID technology; control; metal zipper; automatic production line

2016-04-21

2013年福建省科技厅福建省科技计划重点项目“金属闭口拉链三合一生产工艺研究与自动化设备研制”(批准号：2013H0008)；2014年福建省教育厅福建省中青年教师教育科研项目“基于机器视觉的金属拉链外观质量自动检测技术研究”(批准号：JA14377).

何用辉(1979— )，男，湖北潜江人，福建信息职业技术学院机电工程系副教授，硕士.研究方向：机电系统辨识与智能控制.

TM930

A

1008-4681(2016)05-0035-03