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单神经元PID算法在包装机温控系统中的应用

发布时间:2020-08-03 11:32:19 |来源:网络转载

  1. 引言

 

包装机,是指将具有热塑特性的塑料复合膜经加热软化制成包装容器,在一台设备上自动完成制袋成型、填充物料、封合剪切等全过程的自动包装设备[1-3]。塑料复合膜必须加热到一定的温度才能软化,所以包装机控制器必须把加热设备的温度控制在很小范围内。虽然现在已经有很多专用的温控模块,但其价格往往很高,为了节约成以往的温度控制方式大多是数字PID控制数字PID控制是一种采样控制它是根据采样时刻的偏差值来计算控制量的由于数字PID控制具有技术成熟结构灵活不需要预先确定被控对象的数学模型以及控制效果好等优点它广泛应用于冶金、机电、化工等行业4-5但数字PID控制需要预先整定三个参数对于温度控制系统而言由于温度的变化缓慢调试起来比较繁琐经元具有自学习自适应结构简单、计算量小等。

包装机温度控制系统框图

 

图1包装机温度控制系统框图

由于图1中的K型热电偶所测温度对应的电压信号是小信号,故需要在包装机控制器中设

ukKΣwkxk (2) 监督的b学习规则

学习规则是修正神经元之间的连接强度或加权系数的算法,使获得的知识结构适应周围环境的变化。单神经元控制器的自适应功能是通过学习改变连接权值来实现的。学习算法就是调整连接权值w的规则,它是单神经元控制器的核心,并反映了其学习的能力。

将无监督的eb学习规则和有监督的lt学习规则两者结合起来就组成有监督的Hebb学习规则11,即:

Δwijηdikoikoikojk(3

单神经元自适应PID控制结构图

 

图3单神经元自适应PID控制结构

单神经元自适应PID控制器的结构如图单神经元自适应PID控制器是通过对加权系数的调整来实现自适应自组织功能的,权系数的调整是按有监督的Hebb学习规则实现的12

制算法为

计放大电路,将小信号电压放大到转换器能学习算法为:wpkwkwkηpzkukxk

(5)

wkwkwkηzkukxk

(6)

wDkwkwkηDzkukxk

(7)比例积分微分的自适应学习速率分别设定4、05、04。当神经元的比例系数K取值较小时,温度缓慢上升,uk在032767之间缓慢上,当温度达到设定温度后uk并没有下降直到温度大于设定温度时,控制量uk才下降由于

取值较小,uk变化缓慢,导致温度超调过大,因此

wyk wk 温度会在很长时间后才会稳定下来;而K取值较

wk大时,由于温度偏差太大,控制器自适应学习,导致

式中,zkekTdTk),xkek

ekxkekxkΔekekuk在032767之间反复变化,当占空比较大时,会加热封刀而当占空比较小时就会导致温度的

ekekηpηηD分别为比例分、微分的学习速率,K为神经元的比例系数,K0。对比例P、积分I和微分D分别采用了不同的学习速率ηPηηD以便对不同的权系数进行调整。

  1. 试验测试

将单神经元自适应PID温控算法移植到包装机控制器MC56F8037中,实时在线采集封刀或捏纸轮加热管处的温度并将其发送到触摸屏实时显示温度上下限设定为±℃,如果封刀或捏纸轮处的温度超出上下限将导致包装机控制系统的报警,并产生包装机控制系统的紧急停车暂停包装机的正常工作

神经元自适应PID算法的控制量u(k)是56F8037PWM模块输出脉冲的占空比(PWM

配置为en-li13odu××

pu×pe×周期计算公式odu由CMOD寄存器决定,本测试设置为32767,则6553×pe

PWM值的变化范围为~32767,即控制uk的变化范围为032767。其中,式(9)

(10)(11)中的PWMclockperiod为PWM模块输入时钟的时钟周期OD存器决定,用于设定输出的周期-od为输出PWM的周期,PWMvalue用于设定输的占空比,pu为输出高电平的宽度。下降,所以会出现温度在升降中上升。

为了缩短温度的上升时间加快整定过程,神经元的比例系数K取10。采用在温度低于140℃时,PWM的占空比控制在90%以上以加快系统的稳定速度,当温度大于140℃并且小于160℃时,PWM的占空比控制在10%90%之间,以使神经元自适应在线学习和整定PID参数当温度大于160℃时,PWM占空比控制在010%,从而实现PID参数的快速整定是单通道温控子系统的测试结果包装机控制器的速度已经很快所以路温控连续整定没有问题但为了提高

控制器的实时性,采用控制器每次循环只整定1路,4次循环就把4路都整定一遍,每隔1s同时改变4路的PWM占空比值,可以有效地提高PWM模块的效率[14]

表明误差能够控制在±这是热电偶的电压采集模块ADC的精度以及PWM空比分辨率决定的如果温度采集精度达到0.1℃并且增大PWM占空比的范围,理论上讲,误差能够控制在±

 

单通道温控子系统的测试结果图

 

  1. 结论

 

实现了单神经元自适应PID算法在包装机温度控制子系统中的应用并成功将其移植到包装机控制系统中,从控制效果来看温度能够保持在149151℃,没有超出设定的上下限温度范围而有效提高包装机的控制性能为包装机的正常工作提供保障。

 

 

3 结束语

 

试验利用微生物法对婴幼儿乳粉中的生物素含量进行测定所测得的标准曲线在范围内线性关系良好线性相关系数为9989,所测样品RSDn,标准品平均回收率在8997之间表明该方法重现性较好稳定可靠,适用于婴幼儿乳粉中生物素含量的测定

微生物法虽然存在操作步骤繁琐工作量大检测周期较长微生物菌种保藏困难及操作过程容易发生污染等缺点但与其他方法相比而言生物法应用历史悠久方法较为成熟先期投入成本低比较容易开展更为重要的是微生物对有活性的生物素具有特异性换句话说只有具有生物活性的生物素才可以被人或动物吸收利用微生物法测试的正是具有生物活性的那部分生物,这对于测定婴幼儿乳粉中活性生物素的含量有着其他方法无可比拟的优势

 

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