基于模糊PID算法的称重包装的仿真实现

江西冶金职业技术学院 杨青青

粉碎生产线是由拼混、研磨、收集物料、称重包装、清灰除尘等设备组成，广泛应用于化工、制药、食品等行业。传统粉碎生产线系统存在的精度不高，系统稳定性差的不足，尤其在称重包装过程中，动态称重具有非线性、强耦合、大滞后等特点，在控制的时候无法达到预期效果，会出现一些预料不及的状况，造成称重包装时称重不准、精度降低等结果。为满足设计任务要求，本文提出了一种自整定模糊PID方法，使得控制方法无需依赖精确的数学模型，只要将经验总结为模糊语言储存到控制系统，就可避免超调量及静态误差过大，起到理想的智能工业自动化控制效果，同时对其在MATLAB仿真软件中进行仿真。

1.称重包装环节的分析

定量称重包装是边给料边称重，当物料从称重漏斗到包装袋过程中，作用在包装袋的力由包装袋内物料的重量和物料的冲击力组成[1]。当加大物料的流量时，能够减少时间，尽快地完成包装过程，提高包装效率，但是物料给料速度增大，也会使得物料下落的冲击力变大，冲击力越大，产生的系统误差就越大，而且物料落到称重斗里会存在一定时间，导致这部分物料不能及时称重，存在空中落料，故定量称重包装不是一个静态不变的过程而是动态过程。运用模糊控制这种不需要任何精确数学模型，只需要专家经验的算法，可消除部分随机的因素产生的影响，提高定量称重的精度。

2.模糊自适应控制在包装称重上的应用

2.1 输入输出变量的选择

通过对包装称重的分析，选取物品包装称重量为过程值，假设设定值为300kg，通过大量的前期经验积累和数据整理可确定包装称重的偏差量e的基本论域为[0,16kg]，ec的基本论域为[0,90g]

为提高快速性，当称重偏差较大时用最大速率排料，偏差小于某个给定值时，进行模糊自适应PID控制，来保证称重包装时的精度。在本文的称重包装环节中，设定当偏差小于15kg时，进行模糊PID控制电机，偏差大于15kg时采用最大速率排料。

2.2 比例因子和输入输出域的确定

本文把模糊集分为七档[2]，取为[ZO、SS、SB、MS、MB、BS、BB]。物理论域定义为[0、1、2、3、4、5、6]。

①对输入量偏差e、偏差ec进行量化得表1、表2。

表1 输入量e的量化域

表2 输入量ec的量化域

2.3 模糊控制规则的确定

模糊制规则能够影响控制器性能，是模糊控制器核心，它主要由专家经验知识、操作员操作模式、学习等方式取得。

在包装称重环节中的模糊控制条件语句为(其中Z、SS、SB、MS、MB、BS、BB分别表示模糊子集的零、小小、小大、中小、中大、大小、大大变量)。

2.4 模糊推理运算

当确立好模糊规则后，接着就进行模糊推理[3]，由于本文采用的是三角形隶属度分布函数，出于对快速性与简便性运算的考虑，拟选取Mamdani推理法。得出实时控制的查询表如表3所示，ki、kd同略。

表3 Ki实时控制的查询表

3 自适应模糊控制器在MATLAB上的应用

本文用仿真软件对构建的模糊自适应PID控制器和传统的PID控制器进行仿真比较。MATLAB软件中的SIMULINK仿真软件能够提供一个动态的系统建模集成环境，可以对系统的动态性能进行可视化仿真及分析。

输入阶跃信号对系统进行仿真，得出两个不同PID算法的输出曲线对比图如图1所示。

图1 仿真输出曲线对比图

4 结论

上述的仿真输出曲线明显观测到在包装称重中模糊自适应PID控制器和传统的PID控制器相比而言效果显著，模糊自适应PID控制器有着较好的稳态性能、较小的超调量、较快的响应时间、较强的控制精度强且具有良好地抗干扰性。