基于模糊专家控制的微孔检测电压调节系统

魏潇潇，马 钺，陈 帅，吴景辉

WEI Xiao-xiao, MA Yue, CHEN Shuai, WU Jing-hui

（中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳 110179）

0 引言

密封包装食品在生产过程中会出现针孔或细微划破等肉眼很难发现的缺陷，时间长了会侵入杂菌，使食品腐烂变质。传统对于密封食品的包装检验主要通过人工挑拣，挑拣效率较低且容易发生漏检现象。要实现对密封包装食品的高效精确自动在线检测就需要使用微孔检测技术。

所谓微孔检测，是通过对密封包装食品两端施加高频直流高压电：密封包装食品的一端施加正极，一端施加负极。当密封包装食品有针孔或划破等缺陷时，会产生较强烈的介质阻挡放电现象[1]，通过检测检知电流超过阀值的脉冲数可以判定密封食品的包装是否出现缺陷，如判定为次品则向PLC发出剔除信号，将次品剔除。高频高压放电电源电压的高低会直接影响到剔除率的高低，如果电压过大，剔除率过高，误剔率增大；电压过低，剔除率过低，有可能会有次品漏剔。无论剔除率过低或过高都会影响检测效果，所以需要实时调节电压控制剔除率。由于不同批次产品的包装厚度不同，针孔或划破面积大小也不同，导致每批次产品导电率不同，又无法在不破坏食品包装的情况进行在线检测导电率，所以无法确定被控对象模型，过去只能根据人的经验进行人工调节，调节精度低而且影响操作工的工作效率。本文设计了一个模糊专家控制系统，将人的经验总结成控制规则，实现了对密封包装食品微孔检测装置高频高压放电电源电压的精确自动调节。

1 微孔检测原理和特性分析

1.1 微孔检测基本原理

微孔检测用于对密封包装食品的针孔和细微划破等缺陷的检测。密封食品的包装一般是塑料材质，绝缘性较高，而内部食品的导电性较高，在密封包装食品两端施加高频高压电，一端是正电极，一端是负电极。如果食品包装密封良好，塑料包装可以等效成在电极和内部食品之间形成的静电电容，内部食品可以等效成电阻，所以整个密封包装食品可以看成是由两个电容和一个电阻组成的等效电路[2]，等效电路图如图1所示。

图1 电极检测等效电路图

图1 中e为高频高压放电电源，e12为施加到密封包装食品两端的高频高压电压，Rs为保护电阻，G为电流检测器，C1和C2为塑料包装的等效电容，Rc为内部食品的等效电阻。当密封食品包装良好时，整个电路成高阻状态，检知电流很低；当塑料包装有针孔或划破缺陷时，其中一个电容视为短路，当e12调到适合电压时另一个电容C1或C2会被击穿，和内部食品构成回路，检测到的检知电流会大幅增加，当超过设定的阀值的脉冲数过多时，判断为次品并向PLC发出剔除信号。

放电电压e通过通过IGBT的通断调节电压PWM控制的占空比，放电电压大小与IGBT通断时间的关系如式(1)所示。

其中Ton为IGBT接通时间，Toff为IGBT断开时间，Um为输入电压，U0为输出电压。由于占空比D=Ton/T，式(1)可化为：

1.2 被控对象特性

通过对微孔检测原理的分析，可以看出密封食品塑料包装的厚度不同时，等效电容大小不同，所需的击穿电压值不同；针孔大小不同时，产生的检知电流不同。所以如果电源电压不变，检知电流会产生较大变化，造成剔除率的大幅波动，从而影响检测结果，因此需要对电压进行实时调节。但由于密封食品塑料包装厚度和针孔大小无法进行在线测量，无法建立被控对象模型，且剔除率误差值和电压值之间的关系是非线性的，传统控制难以实现对电压的在线自动调节，只能通过人工根据经验手动调节。本文设计了一个自适应专家控制器[3]，以人工调节经验为知识库基础实现了对电压的在线自动调节。

2 模糊专家控制系统设计

2.1 模糊专家控制系统介绍

专家系统通过某种知识获取手段，把人类专家的领域知识和经验技巧移植到计算机中，并且模拟人类专家的推理、决策过程，表现出求解复杂问题的人工智能。它与传统的计算机技术和常规的软件程序相比，具有显著的特点[4]。

专家主要由知识库和推理机组成。知识库存放着作为专家经验的判断性知识，用于某种结论的推理、问题的求解，以及对于推理、求解知识的各种控制知识；另外还有一种叙述性知识，也称为数据。推理机通过计算机软件编程实现对知识库中两类知识的运用。推理机的运行主要分为三种形式：正向推理，反向推理和双向推理。

由于传统专家系统只能用精确的数字和符号值来表示专家知识，当控制器的输入和输出值无法用精确数字来表示时，就需要引入模糊数学概念，模糊专家控制系统就是采用模糊集、模糊数和模糊关系来表示和处理知识的不确定性和不精确性。

2.2 模糊专家控制系统结构

根据微孔检测系统剔除率和放电电压之间的关系，设计了一个模糊专家控制器，并根据人工调节经验建立控模糊制规则集，系统结构图如图2所示。模糊知识库包括模糊控制规则和模糊数据库，模糊推理机包括解释程序和调度程序。

图2 模糊专家控制系统框图

本系统输入量为剔除率的设定值和当前值的误差值E与电压当前值V，输出U为控制器调整后电压值。

2.3 模糊专家库建立

2.3.1 模糊化处理

1）确定输入量E、V和输出U的论域为：{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}。

2）根据多次实验测得剔除率误差值范围为[-5,5]，电压当前值和输出值值范围是[30,90]，根据标度变化公式计算后再取整可算出模糊化后的输入值x0。式(3)为标度变化公式，式(4)为量化因子k计算公式。其中xmin为输入量变化范围最小值，xmax为输入量变化范围最大值，x'为输入量实际值。可根据现场实际情况调整输入量和输出量的变化范围。

3）定义5个模糊子集{负大，负小，零，正小，正大}，所有模糊子集的元素x都用符号表示为{NB,NS,ZO,PS,PB}。隶属度函数采用三角形函数，隶属度 ( )xµ 和模糊子集元素x的函数赋值表如表1所示。

表1 隶属度赋值表

2.3.2 建立模糊专家控制规则

对于专家控制系统，产生式规则是现在应用比较广泛的一种知识表示方式[5]。由于规则库中知识都具有相同格式，且全局数据可被所有规则访问，而规则库中的规则可以统一处理。另外其模块性结构有利于知识修改和扩充。根据现场调试经验确定本系统的推理规则。例如当剔除率误差值E为负很大且当前电压V很小的时候，需要输出电压值很大。建立模糊规则表如表2所示。

根据模糊推理规则，采用Mamdani推理法计算各输入输出值的模糊蕴含关系：

其中：i=1,2,…,5，j=1,2,…,5，k=1,2,…,25；

最后求得总模糊蕴含关系为：

表2 模糊规则表

根据不同的输入量计算出输出值U的隶属的函数，采用重心法求出在模糊论域内的输出值，总结出本系统的模糊决策表如表3所示。

2.3.3 清晰化处理

将模糊决策表的输出值经过标度变换变换成实际精确的输出值，式(5)为标度变换公式：

表3 电压输出值U的模糊决策表

3 模糊专家控制器的实现和应用效果

3.1 程序设计

本系统采用松下FP-X系列PLC控制器，编程软件采用松下的FP-PRO软件[6]。由于电源电压的调节频率不需要很高，通过定时中断进入电压自动调节子程序。剔除率的实际值可通过计算得到，计算公式为：

微孔检测装置每检测到一个次品向PLC发送一个脉冲，产品总数由计数传感器装置向PLC发送脉冲，每检测到一个密封包装食品，发送一个脉冲。人机交互界面通过台达的DOP系列触摸屏实现，可以在触摸屏上设定剔除率设定值和剔除率误差值与电压值变化范围，并可以监控剔除率和电压值的实时状态。

本系统还对剔除率和电压值做了限位报警功能：当剔除率误差值超过设定的报警阀值时，说明微孔检测线路板可能出现异常，这时触发报警并停止设备运行；当电压超过设定的报警阀值时，电源电压过高可能会烧坏高压检测线路造成危险，这时停止电压自动调节，改成手动调节。

微孔检测高频高压放电电源电压调节模糊专家控制系统流程图如图3所示。当设备刚启动时，产品数量较低，剔除率不稳定，所以需等设备运行一段时间后再运行密封包装食品电极检测电源电压自动调节程序。程序开始运行时先对系统的控制参数进行初始化，然后建立模糊专家控制系统的知识库，包括模糊数据库和模糊规则库的建立。在触摸屏上选择微孔检测电压自动调节后，通过定时中断调用电源电压调节模糊专家控制子程序，对微孔检测电源电压进行自动调节，执行完子程序后返回主程序。当监测到电源电压值超过设定的报警阀值时，触发报警，停止电源电压自动调节，切换到手动调节；定期人工检验检测效果，如果有漏剔则增大剔除率设定值，如果有误剔则减小剔除率设定值。当检测到剔除率误差值超过设定的报警阀值时，触发报警，停止设备运行，排查电极检测线路是否故障。当选择手动电压调节时可以在触摸屏上手动设定电源电压值。

图3 模糊专家控制系统流程图

3.2 现场实际应用效果

将本系统应用在实际项目当中，监控记录剔除率的趋势图如图4所示。

本图为剔除率设定值是3%时，剔除率的趋势图。在产品数量比较小的时候剔除率波动较大，不启动电压自动调节程序，当产品数量大于200根时，启动电压自动调节程序。通过剔除率趋势图可以看出，经过模糊专家系统的调节，可以很快实现对剔除率的精确稳定控制，稳定的剔除率对微孔检测效果影响很重要。剔除率波动范围过大会造成漏剔和误剔现象增加。

图4 剔除率趋势图

4 结论

本文分析了密封包装食品微孔检测系统的基本原理，得出要提高微孔检测的检测效率需要将剔除率控制在恰当的设定值范围内，剔除率直接受高频高压放电电源电压大小的影响，但由于不同批次的产品塑料包装厚度不同，针孔或划破大小不同，且无法在线测量，因此不能确定被控对象数学模型，且电源电压与剔除率之间关系也是非线性的，所以传统控制难以实现对剔除率的良好控制只能根据人工根据经验手动调节，本文设计了一个模糊专家控制器，将人工调节电源电压的经验总结成控制规则集存入模糊知识库，并介绍了模糊专家控制器的结构和各部分组成[7]。通过PLC编程软件实现模糊专家控制器的程序设计，并将本模糊专家控制器应用到实际项目当中。通过监测剔除率实际值的采样值分布图可以看出本模糊专家控制器可以实现对剔除率的良好控制。由于微孔检测剔除率不止受放电电压的影响，还受设定的检知电流阀值、滤波参数等影响，今后还需经过试验分析总结得出各参数对剔除率的影响并将人工经验总结成控制规则补充到模糊专家控制知识库当中，使控制过程更智能。

[1] 邵建设,严萍,孙瑶鸿,高迎惠,王炅.介质阻挡放电检测塑料容器的密封性能[J].高电压技术,2009,35(3):641-644.

[2] 蔡曾宇.漏液检测装置:中国,03157083[P].2005-03-16.

[3] 吴飞青,马修水,关宏伟,刘庆.基于模糊专家控制的织机经纱恒张力控制研究[J].中国机械工程,2008,19(4):384-387.

[4] 孙增圻,邓志东,张再兴.智能控制理论与技术[M].2版.北京:清华大学出版社,2011:253-261.

[5] Astron K J, et al. Expert Control[J].Automatic,1986,22(3):277 -286.

[6] 张少海.基于PLC的专家控制系统开发工具[J].PLC、工控机与集散控制系统,2005,7(2):41-43.

[7] Yang C,Wu M,Shen D, et al.Hybrid intelligent control of gas collectors of coke ovens[J].Control Engineering Practice,2001, 9(7):725-733.