定量包裝［1］就是按照預先設定的質量對物品進行包裝，如食品、化肥、藥劑等的包裝。定量包裝機械的稱重單元一般由儲料倉、閘門、截料裝置、秤體等組成，定量的精度則取決於截料裝置和秤體。由於傳統的截料裝置一般都在使用前設定好下料速度，一般分為快、中、慢3檔，無法在包裝過程中實現動態的精準調節，從而導致定量不夠精確，無法應用於精準定量包裝的場合。由於動態稱重過程的被控對象具有慣性、滯後及時變等非線性特性，為此文中集中討論模糊控製算法在精準定量包裝機控製係統中的應用。
1定量包裝機的結構
以顆粒和粉末類物料為例，定量包裝機由儲料倉、稱重單元、夾袋裝置及自動控製係統等組成，其主體結構見圖1。

儲料倉為緩衝式料倉，用於物料儲備並提供一個接近均勻的物料流。下料閥門位於儲料倉底部，由控製電機控製其開度以決定下料速度，在稱重過程中可提供動態下料速度，從而保證定量包裝機滿足計量的準確度要求。在稱量鬥上方安裝3個HBB波紋管稱重傳感器，三者分別成120°，完成重量到電信號的轉變並傳給控製係統。當物料質量達到設定值時，卸料電磁閥打開，將物料落入袋中。夾袋裝置主要由夾袋機構、氣動元件等組成，作用為夾緊包裝袋，讓稱重完畢的物料全部落入包裝袋。自動控製係統由稱重顯示控製器、微控製器、電子元件及控製櫃組成，作為控製核心，使整個係統按預先設定的程序工作［2－3］。
2定量控製原理
稱重傳感器檢測到的弱電壓信號經放大、濾波等調理電路後，進入16位A/D轉換器，核心控製器STM32讀取A/D轉換結果並經過數字濾波及運算後變換為質量值，與設定值比較後計算出偏差。采用模糊控製算法計算出當前偏差下需要的下料閥門開度，並將該開度值轉換為控製電機的驅動量。這裏使用步進電機實現，故最終的控製量為步進電機旋轉的角度［4－5］。控製係統原理見圖2。

為保證包裝速度，在定量包裝開始後，下料控製電機將下料閥開啟到最大開度(步進電機正轉360°)。此時不使用模糊算法，當設定值與實際的物料質量偏差小於某個特定值時，再采用模糊算法來實現精確控製。
3模糊控製算法設計
為了使控製規則易於實現，這裏選用二維模糊控製器，以設定質量值和實際質量值的偏差E及偏差的變化率EC作為模糊控製器的輸入，並采用絕對式的模糊算法，即閥門開啟的程度作為控製器的輸出U，對應的是步進電機旋轉的角度［6－7］。
3．1輸入量的模糊化
因係統沒有將落入稱量鬥的物料取出的功能，故實際控製過程中偏差E無負值，偏差變化率EC隻能逐漸減小。
為討論方便，以A/D轉換器的結果範圍作為偏差E的實際論域，16位A/D轉換器的結果範圍是0～65535。因偏差過大時下料閥門采用最大開度而不用模糊算法，故偏差實際論域取值為0～15000，實際應用時將其乘以特定的係數即可變為相應的質量值。偏差E的模糊論域取值為［0，12］。為了實現在偏差較小時的精準控製，采用非均勻量化［8］。偏差E模糊論域與實際論域的對應關係見表1。

因精準定量包裝過程時間較短，一般在幾秒，故采用100K/s的高速采樣方式，以20ms為一個運算與控製周期進行步進電機調節，以提高及時調整率。偏差變化率也以20ms為周期進行統計，以上一次的偏差減去本次的偏差作為偏差變化值。偏差變化率EC的模糊論域取值為［0，10］，經多次試驗，確定了實際與模糊論域的對應關係，見表2。

3．2模糊控製規則
將控製量的模糊論域取值為［0，10］，即將下料閥門開啟程度分為11檔，0對應閥門關閉，10對應閥門開度最大狀態［9］。根據試驗的結果，調整後的模糊規則見表3。

3．3控製量解模糊
設步進電機正向旋轉360°時下料閥門開度最大，即步進電機的旋轉角度為實際控製量，其取值範圍是0～360°，而控製量U的模糊論域取值為［0，10］，故根據實際需求得到的實際控製量與模糊控製量的對應關係見表4。這裏選用步距角為1．8°的步進電機，為了實現快速調節而不采用細分控製，故實際輸出選取1．8°的整數倍。

既要保證足夠的包裝速度，又要保證定量的高精度，采用控製思想:當偏差很大時，采用粗獷的控製方式，加大下料速度;當偏差較小時，采用精細控製，故將較小的下料速度多分幾檔(1～3)［10］。
3．4控製效果
以包裝400g的蘇打粉為例，實際應用時調節放大電路的放大倍數，使400g時A/D轉換器的輸出在40000左右(滿量程的60%左右)，這樣可以提高采樣精度。每2個運算周期(40ms)從串口輸出相應的質量值，得到響應曲線，見圖3。從曲線可以看出，在0．56s左右下料量達到設定值的90%，後麵0．4s進行精細下料控製，在0．96s左右達到設定值。

4結論
針對定量包裝的被控對象具有慣性、時滯等非線性的特性，設計了基於模糊控製算法的動態稱重控製係統，以改變其控製性能。從實際應用的響應曲線可知，係統能夠對動態稱重過程實施有效控製，並在保證包裝速度的基礎上將定量精度提高到0．2%。此係統算法有廣闊的應用前景，對下料控製方式進行合理修改即可應用於其它精準定量包裝過程中。

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