胡乃清，宋宏

基于雙模糊PID的藥品包裝貼標(biāo)張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡乃清1，宋宏2

（1.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州 646000；2.四川輕化工大學(xué)，四川 自貢 643000）

為提高藥品包裝的貼標(biāo)精度，設(shè)計(jì)一種基于雙模糊PID控制器的貼標(biāo)機(jī)張力控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)要論述藥品包裝生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)及其工藝流程。針對(duì)標(biāo)簽紙帶收卷過(guò)程具有時(shí)變性、非線性和動(dòng)態(tài)干擾等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種雙模糊PID張力控制器。利用副模糊控制器實(shí)現(xiàn)主模糊控制器的變量論域系數(shù)整定，而主模糊控制器可實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)整定。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所述控制系統(tǒng)的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與PID控制器相比，雙模糊PID控制可使系統(tǒng)超調(diào)量減小50%，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間減小65%；貼標(biāo)位置準(zhǔn)確、標(biāo)簽貼附平整。所述控制系統(tǒng)具有較好的抗干擾性能，貼標(biāo)效果良好，具有一定使用價(jià)值。

藥品包裝；貼標(biāo)張力；雙模糊控制；PID控制

對(duì)藥品包裝來(lái)說(shuō)，貼標(biāo)是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，貼標(biāo)設(shè)備性能直接影響實(shí)際貼標(biāo)效果。另外，藥品種類日益繁多，為滿足不同藥品包裝需求，貼標(biāo)機(jī)種類也就越來(lái)越多。目前，常見(jiàn)貼標(biāo)機(jī)包括側(cè)面貼標(biāo)機(jī)、圓瓶貼標(biāo)機(jī)、平面貼標(biāo)機(jī)。隨著貼標(biāo)市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，用戶要求越來(lái)越高，貼標(biāo)機(jī)迎來(lái)了發(fā)展機(jī)遇同時(shí)也面臨一些挑戰(zhàn)。如何提高貼標(biāo)機(jī)的精度、速度、智能化、信息化已成為熱門研究方向。為提高貼標(biāo)位置精準(zhǔn)性和外觀平整性，需保證收卷過(guò)程標(biāo)簽紙帶張力恒定。如果張力較大，會(huì)導(dǎo)致標(biāo)簽紙變形甚至斷裂；如果張力太小，標(biāo)簽紙會(huì)起皺。張力波動(dòng)也會(huì)使標(biāo)簽走偏、漂移，進(jìn)而影響貼標(biāo)質(zhì)量和精度，包裝效率下降，增加企業(yè)生產(chǎn)成本[1-2]。

大多數(shù)貼標(biāo)機(jī)采用常規(guī)PID控制器實(shí)現(xiàn)張力控制，但是PID控制普遍存在以下缺點(diǎn)：超調(diào)量較大、時(shí)滯現(xiàn)象較明顯、無(wú)法根據(jù)實(shí)際結(jié)果自動(dòng)調(diào)節(jié)控制參數(shù)，很難保證整個(gè)放卷過(guò)程張力恒定且無(wú)法抑制啟停時(shí)張力抖動(dòng)。近幾年，∞控制開(kāi)始用于張力控制，雖然∞控制方法可以解決部分?jǐn)_動(dòng)問(wèn)題，但是計(jì)算量比較大、不易實(shí)現(xiàn)、實(shí)時(shí)性較差[3-6]。除此之外，模糊控制在張力控制領(lǐng)域的應(yīng)用也較廣泛，但是其變量論域固定不變，一旦受到強(qiáng)干擾，會(huì)造成部分模糊規(guī)則失效；論域范圍同樣影響模糊控制器性能，范圍過(guò)小會(huì)造成模糊變量超限，控制器失效；范圍過(guò)大，系統(tǒng)容易出現(xiàn)振蕩，無(wú)法發(fā)揮控制器性能[7-8]。為解決此問(wèn)題，文中以藥品貼標(biāo)過(guò)程張力控制為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種雙模糊控制器，利用副模糊控制器實(shí)現(xiàn)主模糊控制器變量論域的在線調(diào)整，以提高貼標(biāo)精度。

1 貼標(biāo)工藝流程

1.1 工藝流程

文中所研究的貼標(biāo)生產(chǎn)線主要由傳送裝置、分瓶裝置、送標(biāo)裝置、卷瓶裝置、剔除裝置、控制器以及一些傳感器組成。貼標(biāo)生產(chǎn)線開(kāi)機(jī)之前，必須完成一些準(zhǔn)備工作，例如：關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件檢查包括主軸是否正常、螺桿是否正常、是否存在報(bào)警信號(hào)、供標(biāo)是否正常、集標(biāo)是否正常、待貼標(biāo)物料是否準(zhǔn)備就緒等。檢查工作完成后，啟動(dòng)生產(chǎn)線，貼標(biāo)機(jī)開(kāi)始工作。貼標(biāo)工藝主要包括分瓶、貼標(biāo)、卷瓶、檢測(cè)等幾個(gè)步驟。分瓶由螺桿機(jī)構(gòu)完成，瓶與瓶之間距離基本一致，確保后續(xù)工藝正常進(jìn)行；貼標(biāo)為主要工序，該工序包括出標(biāo)、卷瓶、集紙等幾個(gè)操作，將標(biāo)簽黏附在藥瓶表面，此時(shí)標(biāo)簽并不是非常牢固，仍需卷瓶裝置進(jìn)一步處理；廢棄紙帶由集紙機(jī)構(gòu)收回；卷瓶可將標(biāo)簽徹底貼在藥瓶表面；檢測(cè)、評(píng)估貼標(biāo)效果主要包括：標(biāo)簽是否缺失、平整，信息是否準(zhǔn)確等；剔除裝置將不符合要求的藥瓶剔除，符合要求的藥瓶則會(huì)進(jìn)入下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)。貼標(biāo)工藝流程見(jiàn)圖1。

1.2 貼標(biāo)方式

根據(jù)藥瓶貼標(biāo)實(shí)際需求，文中采用“擦貼法”，貼標(biāo)機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖2。藥瓶與標(biāo)簽紙同步運(yùn)動(dòng)，通過(guò)合理配置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間關(guān)系可確保藥瓶和標(biāo)簽紙同時(shí)到達(dá)貼標(biāo)工位。標(biāo)簽紙帶由放卷機(jī)構(gòu)引出經(jīng)剝離板后纏繞在集紙機(jī)構(gòu)；當(dāng)集紙機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)，受剝離板作用標(biāo)簽會(huì)自動(dòng)從紙帶上脫落并黏附在藥瓶表面；在傳送帶帶動(dòng)下，藥瓶向下一工位移動(dòng)，途經(jīng)毛刷和卷瓶機(jī)構(gòu)后，標(biāo)簽會(huì)平整、牢固地附著在藥瓶表面，此時(shí)貼標(biāo)工序完成。整個(gè)過(guò)程中，放卷機(jī)構(gòu)會(huì)隨紙帶被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。工作過(guò)程中，需要保證放卷機(jī)構(gòu)和集紙機(jī)構(gòu)之間標(biāo)簽紙張力恒定。

圖1 貼標(biāo)工藝流程

圖2 貼標(biāo)機(jī)構(gòu)

張力模型可表示為：

（1）

2 雙模糊PID標(biāo)簽張力控制

2.1 張力控制系統(tǒng)

基于雙模糊算法的標(biāo)簽張力控制器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，主要包括副模糊控制器、主模糊控制、PID控制器等。由張力傳感器實(shí)時(shí)獲取標(biāo)簽張力值并傳輸至PLC，將實(shí)際張力值與設(shè)定值比較可以得到張力偏差()及其變化率c()，通過(guò)雙模糊PID控制器得到伺服電機(jī)控制量，進(jìn)而調(diào)節(jié)張力大小。

由圖3可以看出，雙模糊標(biāo)簽張力控制器結(jié)構(gòu)可分為3層。

1）第1層為副模糊控制器，其主要負(fù)責(zé)主模糊控制器變量論域系數(shù)整定[9-10]。副模糊控制器的輸入量為張力偏差()及其變化率c()，輸出量為主模糊控制器的變量論域系數(shù)，即、、。那么主模糊控制器的變量論域范圍可表示為：

(2)

2）第2層為PID參數(shù)整定，主要由主模糊控制器實(shí)現(xiàn)。主模糊控制器的輸入量也是張力偏差()及其變化率c()，而輸出量則是PID控制器增量參數(shù)、、，同初始參數(shù)、、疊加后就可以輸出到PID控制器。故PID控制器的實(shí)時(shí)參數(shù)可表示為：

(3)

3）第3層為標(biāo)簽張力調(diào)節(jié)，由PID控制器實(shí)現(xiàn)。根據(jù)標(biāo)簽張力偏差結(jié)合實(shí)時(shí)參數(shù)、、，通過(guò)運(yùn)算得到伺服電機(jī)控制量，進(jìn)而改變收卷速度，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽張力的控制精度。

2.2 雙模糊控制器設(shè)計(jì)

主模糊控制器和副模糊控制器都是二輸入三輸出結(jié)構(gòu)[11-15]。主模糊控制器輸入變量論域可定義為、；輸出變量論域可定義為、、；輸入和輸出的模糊集都是{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}。副模糊控制器輸入變量論域可定義為、；輸出變量論域可定義為、、；輸入和輸出模糊集都是{NB、NS、PS、PB}。NB為負(fù)大、NM為負(fù)中、NS為負(fù)小、ZO為零、PS為正小、PM為正中、PB為正大。對(duì)應(yīng)模糊規(guī)則見(jiàn)表1和表2。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 系統(tǒng)搭建

為驗(yàn)證所述方法的有效性，文中進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。首先搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要包括上位機(jī)、PLC、檢測(cè)傳感裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，具體見(jiàn)圖4。

圖3 標(biāo)簽張力控制器結(jié)構(gòu)

表1 主模糊控制器規(guī)則

Tab.1 Rules of main fuzzy controller

表2 副模糊控制器規(guī)則

Tab.2 Rules of sub-fuzzy controller

上位機(jī)即普通PC機(jī)，采用i5系列處理器，主頻可以達(dá)到2.5 GHz，上位機(jī)主要負(fù)責(zé)貼標(biāo)生產(chǎn)線運(yùn)行情況監(jiān)控。PLC控制器選用S7–1200系列，具體型號(hào)為CPU 1214C，文中系統(tǒng)還進(jìn)行了擴(kuò)展：4路AI擴(kuò)展模塊*1、4路AO擴(kuò)展模塊*1、8位DI擴(kuò)展模塊*1、8位DI/DO擴(kuò)展模塊*1、16位DI/DO擴(kuò)展模塊*1。檢測(cè)裝置主要是一些傳感器，例如：張力傳感器（UPB–1系列）、編碼器（E6B2–CWZ6C）、測(cè)標(biāo)電眼（GS63/6D.3–S8）、光電開(kāi)關(guān)（HRTR 3B/66–XL）、行程開(kāi)關(guān)（施邁賽ZR 236–11Z）。伺服電機(jī)選用日本安川SGMJV–04ADE6S系列，配套伺服驅(qū)動(dòng)器為SGDV–2R8A01A；變頻器選用丹佛斯FC–051– PK37S2E20系列，異步電機(jī)可選用賽威或松下公司生產(chǎn)的三相異步電機(jī)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定張力數(shù)值為30 N并保持不變，調(diào)整標(biāo)簽紙帶速度，初始速度設(shè)定為0.5 m/s，在第4秒時(shí)增加到1 m/s，在第8秒時(shí)增加到1.5 m/s，在12 s時(shí)減少到1 m/s。相同實(shí)驗(yàn)條件下，分別采用PID控制和雙模糊PID控制，整個(gè)實(shí)驗(yàn)同步進(jìn)行，張力變化見(jiàn)圖5。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，速度突變時(shí)，張力波動(dòng)較大；采用PID控制時(shí)，超調(diào)量達(dá)到了85%，系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)約2 s；采用文中所述雙模糊PID控制器，系統(tǒng)超調(diào)量可以減少一半，約為40%，系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)只需0.7 s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與PID控制器相比，雙模糊PID控制可使系統(tǒng)超調(diào)量減小50%，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間減小65%；雙模糊PID控制器具有良好的抗干擾性能，可以提高張力控制精度，尤其是速度波動(dòng)較小時(shí)效果更加明顯。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖5 張力變化曲線

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，使用文中所述方法的貼標(biāo)機(jī)的剔除量（不合格率）可以控制在0.5%以內(nèi)，貼標(biāo)質(zhì)量和效率明顯提高。實(shí)際貼標(biāo)效果見(jiàn)圖6，貼標(biāo)位置準(zhǔn)確，標(biāo)簽貼附平整，貼標(biāo)效果保持一致。

圖6 實(shí)際貼標(biāo)效果

4 結(jié)語(yǔ)

以藥瓶貼標(biāo)為主要研究對(duì)象，在分析貼標(biāo)工藝流程的基礎(chǔ)上，采用雙模糊控制算法設(shè)計(jì)了一種標(biāo)簽張力控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了主、副模糊控制器和PID控制的有效結(jié)合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所述貼標(biāo)控制系統(tǒng)具有較好的抗干擾性能，可確保貼標(biāo)位置準(zhǔn)確，貼標(biāo)效果良好。下一步可從貼標(biāo)精度影響因子權(quán)重分析入手，實(shí)現(xiàn)多影響因素的控制調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高貼標(biāo)精度。

[1] 崇嵐, 潘軍輝, 熊鵬文. 智能包裝技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景[J]. 包裝工程, 2017, 38(15): 149-154.

CHONG Lan, PAN Jun-hui, XIONG Peng-wen. Development and Applications of Intelligent Packaging Technology[J]. Packaging Engineering, 2017, 38(15): 149-154.

[2] 陳克復(fù), 陳廣學(xué). 智能包裝——發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景[J]. 包裝學(xué)報(bào), 2019, 11(1): 1-17.

CHEN Ke-fu, CHEN Guang-xue. Intelligent Packaging: Development Status, Key Technologies and Application Prospects[J]. Packaging Journal, 2019, 11(1): 1-17.

[3] 賴永波, 嚴(yán)惠, 孔德文. 纖維帶纏繞恒張力非線性H∞控制[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2020, 33(5): 133-135.

LAI Yong-bo, YAN Hui, KONG De-wen. Nonlinear H∞ Constant Tension Control of Fiber Belt Winding[J]. Industrial Control Computer, 2020, 33(5): 133-135.

[4] 馬宏帥, 趙世海. 基于線性自抗擾控制的放卷張力控制系統(tǒng)[J]. 染整技術(shù), 2019, 41(1): 17-22.

MA Hong-shuai, ZHAO Shi-hai. Unwinding Tension Control System Based on Linear Auto Disturbance Rejection Control[J]. Textile Dyeing and Finishing Journal, 2019, 41(1): 17-22.

[5] 周春雷, 周進(jìn), 黃華. 薄膜非連續(xù)放卷張力控制建模、仿真與實(shí)驗(yàn)[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表, 2018(7): 85-88.

ZHOU Chun-lei, ZHOU Jin, HUANG Hua. Modeling Simulation and Experiment of Tension Control in Film Discontinuous Unwinding System[J]. Automation & Instrumentation, 2018(7): 85-88.

[6] 廖雪超, 李峰, 潘小華. 真空鍍膜卷繞張力控制模型仿真的研究[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2015, 34(9): 10-13.

LIAO Xue-chao, LI Feng, PAN Xiao-hua. Research on Vacuum Coating Winding Tension Control Model Simulation[J]. Techniques of Automation and Applications, 2015, 34(9): 10-13.

[7] 孫春亞, 吳楝華, 喜冠南. 電液伺服模糊PID位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2016(6): 155-157.

SUN Chun-ya, WU Lian-hua, XI Guan-nan. Design and Application of Electro-Hydraulic Servo Fuzzy PID Position Control System[J]. Machinery Design & Manufacture, 2016(6): 155-157.

[8] 黃夢(mèng)濤, 李平. 電子軸凹印系統(tǒng)的變論域模糊PID控制研究[J]. 電氣傳動(dòng), 2019, 49(12): 77-81.

HUANG Meng-tao, LI Ping. Research on Variable Universe Fuzzy PID Control of Electronic Shaft Driving Gravure Printing System[J]. Electric Drive, 2019, 49(12): 77-81.

[9] 鄭剛, 李斌, 梁于州. 模糊自適應(yīng)PID控制的恒張力收卷系統(tǒng)研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2017, 40(21): 132-135.

ZHENG Gang, LI Bin, LIANG Yu-zhou. Research on Constant Tension Winding System Based on Fuzzy Self-Adaptive PID Control[J]. Modern Electronics Technique, 2017, 40(21): 132-135.

[10] 李坤全, 文睿. 瓦楞紙板生產(chǎn)線原紙張力自適應(yīng)模糊PID控制[J]. 包裝工程, 2017, 38(7): 135-138.

LI Kun-quan, WEN Rui. Adaptive Fuzzy PID Control of Base Paper Tension in Production Line for Corrugated Board[J]. Packaging Engineering, 2017, 38(7): 135-138.

[11] 李強(qiáng). 基于模糊控制理論的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2015, 38(22): 131-134.

LI Qiang. Research and Design of PID Closed-Loop Control System Based on Fuzzy Control Theory[J]. Modern Electronics Technique, 2015, 38(22): 131-134.

[12] 熊濤, 張青偉, 鄒鐺鐺, 等. 基于模糊PID的柔性膜放卷張力控制[J]. 自動(dòng)化與儀表, 2020, 35(11): 70-74.

XIONG Tao, ZHANG Qing-wei, ZOU Dang-dang, et al. Web Tension Control Based on Fuzzy PID in Flexible Unwinding System[J]. Automation & Instrumentation, 2020, 35(11): 70-74.

[13] 索小娟, 岳麗敏. 新型雙模糊PID算法在塑料吹膜機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 塑料科技, 2020, 48(10): 100-103.

SUO Xiao-juan, YUE Li-min. Application of New Double Fuzzy PID Algorithms in Control System of Plastic Film Blower[J]. Plastics Science and Technology, 2020, 48(10): 100-103.

[14] 李飛飛. 基于雙模糊PID控制策略的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)研究[J]. 模糊系統(tǒng)與數(shù)學(xué), 2019, 33(3): 29-34.

LI Fei-fei. Pitch System of the Wind Turbines Based on the Double Fuzzy PID Control Strategy[J]. Fuzzy Systems and Mathematics, 2019, 33(3): 29-34.

[15] 胡梁眉. 基于PLC的雙頭貼標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D]. 贛州: 江西理工大學(xué), 2019: 30-50.

HU Liang-mei. Research and Design of Double-Head Labeling Machine Control System Based on PLC[D]. Ganzhou: Jiangxi University of Science and Technology, 2019: 30-50.

責(zé)任編輯：曾鈺嬋

Design of Tension Control System for Drug Packaging Labeling Based on Double Fuzzy PID

HU Nai-qing1,SONG Hong2

(1. Sichuan Vocational College of Chemical Technology, Sichuan Luzhou 646000, China;2. Sichuan University of Science & Engineering, Sichuan Zigong 643000, China)

The work aims to design a tension control system of labeling machine based on double fuzzy PID controller, so as to improve the labeling accuracy of drug packaging. The structure and process flow of drug packaging production line were briefly discussed. Aiming at the characteristics of time-variation, nonlinearity and dynamic disturbance in the winding process of label paper tape, a double fuzzy PID tension controller was designed. The parameter tuning of the main fuzzy controller was realized by the sub-fuzzy controller, while the main fuzzy controller could adjust the parameters of the PID controller. The effectiveness of the control system was verified by experiments. From the experimental results, compared with the PID controller, the double fuzzy PID control could reduce the system overshoot by 50% and the system adjustment time by 65%. The labeling position was accurate and the label was attached smoothly. The control system has good anti-interference performance, excellent labeling effect and certain use value.

drug packaging; labeling tension; double fuzzy control; PID control

TB486

A

1001-3563(2022)13-0225-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.13.029

2021?08?13

胡乃清（1972—），男，本科，四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋