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      單神經(jīng)元ＰＩＤ算法在包裝機(jī)溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用
      
        
      發(fā)布時間：2020-08-03 11:32:19 |來源：網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載
      
      
      
      
      
        
      

        
	
      1. 引言
        2. 

      


       
      


      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［１－３］。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)控制器必須把加熱設(shè)備的溫度控制在很小范圍內(nèi)。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有很多專用的溫控模塊，但其價格往往很高，為了節(jié)約成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)采樣時刻的偏差值來計算控制量的，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)［４－５］。但數(shù)字ＰＩＤ控制需要預(yù)先整定三個參數(shù)，對于溫度控制系統(tǒng)而言，由于溫度的變化緩慢，調(diào)試起來比較繁瑣。神經(jīng)元具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、結(jié)構(gòu)簡單、計算量小等。
      


      包裝機(jī)溫度控制系統(tǒng)框圖
      


       
      


      圖１包裝機(jī)溫度控制系統(tǒng)框圖
      

      


      

      由于圖１中的Ｋ型熱電偶所測溫度對應(yīng)的電壓信號是小信號，故需要在包裝機(jī)控制器中設(shè)
      


      u（k）＝KΣ矪w（k）x（k） （２）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wｉ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［１１］，即：
      


      Δwij＝η（di（k）－oi（k））oi（k）oj（k） （３）
      


      ２．３
      


      單神經(jīng)元自適應(yīng)ＰＩＤ控制結(jié)構(gòu)圖
      


       
      


      圖３單神經(jīng)元自適應(yīng)ＰＩＤ控制結(jié)構(gòu)
      


      單神經(jīng)元自適應(yīng)ＰＩＤ控制器的結(jié)構(gòu)如圖３所示。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)、自組織功能的，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［１２］。
      


      控制算法為：
      


      計放大電路，將小信號電壓放大到Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器能學(xué)習(xí)算法為：wp（k）＝w１（k）＝w１（k－１）＋ηpz（k）u（k）x１（k）
      


      （５）
      


      w１（k）＝w２（k）＝w２（k－１）＋η１z（k）u（k）x２（k）
      


      （６）
      


      wD（k）＝w３（k）＝w３（k－１）＋ηDz（k）u（k）x２（k）
      


      （７）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，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，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
      

      


      wy（k）＝ w１（k） 溫度會在很長時間后才會穩(wěn)定下來；而Ｋ取值較
      


      

      w１（k）大時，由于溫度偏差太大，控制器自適應(yīng)學(xué)習(xí)，導(dǎo)致
      

      


      式中，z（k）＝e（k）＝Td－T（k），x１（k）＝e（k）－
      


      

      e（k－１），x（k）＝e（k），x（k）＝Δe２（k）＝e（k）u（k）在０～３２７６７之間反復(fù)變化，當(dāng)占空比較大時，會加熱封刀，而當(dāng)占空比較小時，就會導(dǎo)致溫度的
      

      


      －２e（k－１）＋e（k－２），ηp、η１、ηD分別為比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率，K為神經(jīng)元的比例系數(shù)，K＞０。對比例P、積分I和微分D分別采用了不同的學(xué)習(xí)速率ηP、η１、ηD，以便對不同的權(quán)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
      


        
	
      1. 試驗(yàn)測試
        2. 

      


      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５６Ｆ８０３７ＰＷＭ模塊輸出脈沖的占空比（ＰＷＭ
      


      配置為Ｃｅｎｔｅｒ-Ａｌｉｇｎｅｄ）［１３］，即ＰＷＭｐｅｒｉｏｄ＝（ＰＷＭｍｏｄｕｌｕｓ）×（ＰＷＭｃｌｏｃｋｐｅｒｉｏｄ）×２ （９）
      


      ＰＷＭｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈ＝（ＰＷＭｖａｌｕｅ）×（ＰＷＭｃｌｏｃｋｐｅｒｉｏｄ）×２ （１０）式（９）為ＰＷＭ周期計算公式，ＰＷＭｍｏｄｕｌｕｓ由ＣＭＯＤ寄存器決定，本測試設(shè)置為３２７６７，則ＰＷＭｐｅｒｉｏｄ＝６５５３４×（ＰＷＭｃｌｏｃｋｐｅｒｉｏｄ）
      


      而ＰＷＭ值的變化范圍為０～３２７６７，即控制量u（k）的變化范圍為０～３２７６７。其中，式（９）、
      


      （１０）、（１１）中的ＰＷＭｃｌｏｃｋｐｅｒｉｏｄ為ＰＷＭ模塊輸入時鐘的時鐘周期，ＰＷＭｍｏｄｕｌｕｓ由ＣＭＯＤ寄存器決定，用于設(shè)定輸出ＰＷＭ的周期，ＰＷＭｐｅｒｉ-ｏｄ為輸出ＰＷＭ的周期，ＰＷＭｖａｌｕｅ用于設(shè)定輸出ＰＷＭ的占空比，ＰＷＭｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈ為輸出ＰＷＭ高電平的寬度。下降，所以會出現(xiàn)溫度在升降中上升。
      


      為了縮短溫度的上升時間，加快整定過程，神經(jīng)元的比例系數(shù)Ｋ?。保?。采用在溫度低于１４０℃時，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，ＰＷＭ的占空比控制在１０％～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，ＰＷＭ占空比控制在０～１０％，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４路溫控連續(xù)整定沒有問題，但為了提高
      


      控制器的實(shí)時性，采用控制器每次循環(huán)只整定１路，４次循環(huán)就把４路都整定一遍，每隔１ｓ同時改變４路的ＰＷＭ占空比值，可以有效地提高ＰＷＭ模塊的效率［１４］。
      


      圖４表明誤差能夠控制在±１℃，這是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℃。
      


       
      


      單通道溫控子系統(tǒng)的測試結(jié)果圖
      


       
      


        
	
      1. 結(jié)論
        2. 

      


       
      


      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。
      


       
      


       
      


      3 結(jié)束語
      


       
      


      試驗(yàn)利用微生物法對嬰幼兒乳粉中的生物素含量進(jìn)行測定，所測得的標(biāo)準(zhǔn)曲線在０．１ｎｇ～１ｎｇ范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，線性相關(guān)系數(shù)為０．９９８９，所測樣品RSD為２．８％（n＝６），標(biāo)準(zhǔn)品平均回收率在８９．３％～９７．７％之間。表明該方法重現(xiàn)性較好，穩(wěn)定可靠，適用于嬰幼兒乳粉中生物素含量的測定。
      


      微生物法雖然存在操作步驟繁瑣、工作量大、檢測周期較長、微生物菌種保藏困難及操作過程容易發(fā)生污染等缺點(diǎn)，但與其他方法相比而言，微生物法應(yīng)用歷史悠久、方法較為成熟、先期投入成本低，比較容易開展。更為重要的是，微生物對有活性的生物素具有特異性。換句話說，只有具有生物活性的生物素才可以被人或動物吸收利用，微生物法測試的正是具有生物活性的那部分生物素，這對于測定嬰幼兒乳粉中活性生物素的含量有著其他方法無可比擬的優(yōu)勢。
      


       
      


      文章來源于網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載，侵刪
      
      
      
      
      
        
        
      
          
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