塑料包装机封口温度的模糊控制

李爽

摘要：本文讲的是通过单片机对塑料包装机进行模糊控制，因为它在温度控制方面有精度高，测试温度平稳的特点，它采用的是热电偶温度测量方法。塑料包装机封口温度控制应用当中取得了较好的控制效果，有较好的实用前景。

关键词：塑料包装机温度模糊控制热电偶单片机

0 引言

塑料包装机对封口的温度要求是十分高的，过高的温度或者过低的温度都会对产品造成伤害，所以我们对塑料包装机封口的温度要求十分严格。使用单片机对塑料包装机封口温度进行模糊控制取得了很好地效果。温度控制的精度高，温度的控制也很平稳。

1 系统的构成

图1是单片机对封口温度进行模糊控制的原理图，它的整个装置是由四个部分组成，有热电偶测温的部分，有输出控制部分还有模糊控制部分。其中单片机拥有很好地系统装置，包括它采用的是Atmel的AT89C51，4K的FLASH程序存储器，128字节的RAM，32根I/O口线和2个16位定时器1个串行口，他的指令系统是很强的，而且拥有良好的开发工具，能够很好的完成对封口温度的控制。传感器用的是热电偶，模糊控制用的参数就是参考它测出来的数据，之后通过模糊算法算出输出量，原理是通过对加热功率的调节，来调节封口的温度。

2 温度的精确测量

在对包装机的温度控制中，热电偶的应用十分广泛，因为它不仅测出来的温度范围广，而且本身机器的结构简单易懂，但是热电偶也有缺点，比如它的输出非线性，导致它所测出的温度与热电偶本身冷端的温度可能出现重合等。温度的测量的配置也是很齐全的，有信号仪用放大器，多路开关，还有冷端测试电路和A/D转换器，可见图2， A/D转换电路用的是12位的A/D转换器；仪用放大器采用的是高精度的AD620N；而冷端温度测试系统采用的是AD590传感器。

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热电偶输出μV信号， 经过多路开关，有仪用放大器两道工序，在经过转换器的转换，就可以得出热电偶的电势值E(t，t0)，最后经过AD590传感器，可以测出热电偶的冷端温度值t0。通过这种方法测出温度，能够在较大的温度范围内测出温度。

3 基本模糊控制的结构与算法

在我们测出精确温度值之后，需要完成的是对包装机封口的温度控制，这需要好的控制算法，本装置使用模糊控制来对温度进行控制。

3.1 模糊化 在整个配置中，很重要的模糊化控制温度就是使我们输入的精确值成为整个论域的元素，方法就是把精确值离散化。然后我们需要输入另外一个量，这个量可以通过计算我们需要的温度与热电偶测出的温度差来获得，即为E，E的变化率ΔE=dEdt是我们需要设定的另一个控制量。关于脉冲宽度调制电路的输出我们可以用输出量U来控制，PWM通过输出相应的脉宽的脉冲对加热功率达到控制的目的。

3.2 隶属度函数和语言变量的确定 本装置把差值变量，差值变化率，输出的控制量的模糊量的语言值分成7个档，用符号来描述就是NB、NS、NM、ZE、PM、PB、PS，用汉字来表示的话就是零档、正大中小三档、负大中小三档。三角形波形的隶属函数可以用来对模糊子集的隶属度函数来赋值，以下图3就是输出和输入的模糊子集的隶属函数。

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3.3 模糊控制规则的设计 关于模糊控制器的控制规则，我们依据的是系统的阶跃信号的响应情况确定的，这是一种人工的控制经验，下面的表1就是我们根据这个信号响应制定的模糊控制规则表。模糊控制是对系统的一种控制方法，是模糊系统的一种模糊关系，通过矩阵R我们就可以求出模糊关系，这个系统规则总共有49条。

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3.4 模糊推理 在整个系统过程中，因为我们需要处理的是温度，所以不需要反映十分迅速，因此可以使用推理的方法来对模糊控制实施实时处理，也就是说采用模糊化的处理办法然后进行规则计算到最后进行处理的过程。

4 输出控制

我们的包装机对封口的加热功率采用的是可控硅器件。使用可控硅器件调节加热功率的触发有过零触发和移相触发两种。为了减少可控硅使用移相触发方式调节功率引起的弊端，我们采用的是过零触发方式。对过零触发调节加热功率我们可以采用他的双向固态继电器。用过零触发的固态继电器来控制其加热功率，我们采取的是控制其导通周波数的方法。对于控制输出交流电的周波数我们可以使用固态继电器的电平。双向固态继电器的周波时间长为10ms，而交流电的频率为50hz，所以为了能够控制加热功率，我们可以通过控制电平宽度的方法来控制周波数。模糊控制算法的控制值U决定了所加的有效电平的宽度，如果脉冲宽度为10ms，pwm信号的输出的周期为1s的话，也等同于用100个周波数，1%的分辨率，这种输出速度和分辨肯定能够达到对封口加热功率的控制。在整个包装的封口设置上，常采用2到6个分段加热结构，这样有利于对每一个分段的控制，因为每个分段都安有热电偶与加热器，所以在运用单片机进行控制的时候，可以看情况来调节任何一个分段的温度值，然后使用模糊控制内核来进行模糊控制。也因为有2到6个分段加热机构所以PWN的输出电路也有2到6路，对每个的固态继电器的导通情况进行实时控制。因为整个系统中PWN的输出速度低，而AT89C51单片机也没有带有它的软件，所以我们要采用单片中的定时器的断用软件方法来进行调节。比如6路PWM的输出就可以使用系统定时器终端的额10ms进行定时，可以参见图4，使用的时候，把每个分断路输出的pwn值填到已经预定好的R0-PWM至R5-PWM每个单元里面，指定脉宽的脉冲信号可以从单片机的p1口输出，达到控制每个分段路固态继电器接通和中断的目的

5 结束语

事实上整个包装机的温度控制是在单片机的控制下，软件使用费的是模块结构的编制，有利于对机器维修和调试。主程序主要是为了对单片机系统初始化，具体包括多串行口、定时器、I/O等的初始化，也包含设置系统工作默认值等其他的工作。在使用机器时，封口的温度可以根据键盘自行设定，键盘设定好的工作攒出都会记录在EEPROM中，机器会根据这些参数来对温度进行调节。

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