热收缩包装机的机械节能控制器设计
宋志峰+郭建英+郑兆顺
摘 要： 为了提高热收缩包装机的机械节能控制的稳定性，进行控制器优化设计。提出基于模糊Smith反馈调节的机械节能控制方法，构建热收缩包装机的机械节能控制的约束参量模型，进行控制律优化设计。采用超低功耗的 ARM Cortex?M0核心控制执行元件，在嵌入式环境下进行机械节能控制器硬件开发，包括A/D模块、电动执行机构模块、程序加载模块等。实验测试结果表明，采用该方法进行热收缩包装机的机械节能控制稳定性较好，降低了热收缩包装机的能量开销，具有优化节能效果。
关键词： 热收缩包装机； 硬件开发； 节能控制器； 优化设计
中图分类号： TN245?34； TP271 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）24?0115?03
Abstract： In order to improve the mechanical power?saving control stability of the heat shrinkable packaging machine and optimize the controller design， the mechanical power?saving control method based on the fuzzy Smith feedback regulation is proposed. The constraint parameter model of mechanical power?saving control is constructed for the heat shrinkable packaging machine to optimize the control law design. The ARM Cortex?M0 core control executive component with ultra?low power consumption is employed to develop hardware for the mechanical power?saving controller in the embedded environment， including A/D module， electric actuator module， and program loading module. The experimental results show that the method has good stability for mechanical power?saving control of the heat shrinkable packaging machine， reduces power consumption of the heat shrinkable packaging machine， and has good power?saving optimization effect.
Keywords： heat shrinkable packaging machine； hardware development； power?saving controller； optimization design
0 引 言
热收缩包装机也称收缩机，广泛应用在玻璃瓶、发泡胶、纸盒、药品、化妆品等物品的包装中，其具有适用范围广、密封性好、透明度高等优点而受到广泛应用。热收缩包装机采用收缩薄膜包在产品或包装件外面，然后加热，实现产品包装，热收缩包装机的消耗功率很大，容易烧毁线路或电器元件，需要进行包装机的机械节能控制设计，降低包装机的输出功耗，提高包装机机械控制的稳定性[1]。研究热收缩包装机的机械节能控制器优化设计方法，实现节能减排，降低电能消耗，提高包装机包装的平整性。提出基于模糊Smith反馈调节的机械节能控制方法，进行包装机机械节能控制器的控制算法设计和控制器硬件设计。
1 控制律设计
1.1 控制约束参量分析
为了实现对热收缩包装机的机械节能控制，首先构建控制约束参量模型。采用严格反馈误差修正方法提高热收缩包装机的节能控制性能，以热收缩包装机的旋转角速度为虚拟控制输入，构建控制器的闭环传递函数为：
构建一个时滞二自由度函数描述热收缩包装机的机械节能控制过程中功率增益，其中。 设学习步长为，经过步训练和学习后，实现对热收缩包装机的机械节能控制的约束参量分析，为进行控制器优化设计提供参量输入基础。
1.2 控制律优化设计
提出基于模糊Smith反馈调节机械节能控制方法，构建机械节能控制Smith控制结构方程为：
选择合适的步长和初值，输出包装机机械节能控制的初始功率损耗变量，，…，，对变量分别乘上权重值，，…，后的加权，对机械节能控制模态变量进行跟踪和补偿[3]，得到控制器的二自由度约束泛函为：
构建非线性耦合的PID控制器，在惯性环节加入时滞变量，进行机械节能控制的功耗调度，确定时滞耦合系统传递函数为：
通过最大灵敏度反馈方法进行机械节能控制参数自镇定性调节，构建机械节能控制的闭环控制器律。在持续扰动下输入机械节能的自变量序列，在控制律中加入时滞积分项，得到热收缩包装机的机械节能控制的误差调整迭代式为：
在持续扰动的情况下，为了降低机械节能控制器的能量开销，加入模糊Smith反馈调节项[4]，实现机械节能控制，得到控制律的输入/输出模型如图1所示。
图1中：是自适应修正参量； 是跟踪误差项；与是开环控制函数。利用节能控制思想，当，，得到热收缩包装机机械节能的动态跟踪函数为：
由此得到控制器信息融合传递函数描述为：
式中，热收缩包装机机械节能控制器的输入向量通过实现自适应调节，降低了控制器能量开销。
2 控制器的硬件设计与实现
对设计的控制算法进行程序加载，实现控制器的硬件设计，采用超低功耗的 ARM Cortex?M0核心控制执行元件，在嵌入式环境下进行机械节能控制器硬件开发，包装机的机械节能控制单元包括了信息采集模块、直接控制模块、A/D模块、电动执行模块、嵌入式控制模块和驱动模块等[5]。在上位机通信模块设计中，采用多个内部寄存器进行指令的缓存设计，从而降低机械节能控制的能量衰减，采用嵌入式的DSP芯片进行控制信息的集成处理，从而稳定电机驱动器的转速，提高控制器的稳定性，得到控制器的功能结构组成框图如图2所示。
在控制器的执行单元中，采用低功耗的DSP控制A/D转换频率，进行热收缩包装机控制信号采集和总线控制处理，通过功率增益放大模块提高包装机的机械节能控制的输出功率增益。控制器设计采用3层结构，采用TMS320VC5509A DSP芯片进行包装机机械节能控制的嵌入式集成信息处理[6]，采集控制指令进行包装过程的智能判断，并在嵌入式环境下进行机械节能控制器硬件开发。对控制器功能模块化设计描述如下：
（1） A/D模块
A/D模块是实现对包装机机械节能控制的控制信息采集和数/模转换功能，采用16位定点DSP进行控制器的A/D模块外围电路设计，建立多线程驱动的A/D程序加载模型。在ARM?Linux 平台上进行热收缩包装机的机械节能控制器的控制参量设定和控制算法写入，控制器的A/D模块由A/D、D/A、信号处理器（DSP）等部分组成。假设控制的D/A的输入功率范围是0～10 W，通过控制器的自适应调节，A/D模块输出的频域响应特性如图3所示。
（2） 电动执行机构模块
电动执行机构模块是控制器的核心控制模块，采用ADI公司的ADSP21160作为主控芯片，通过低功耗的嵌入式控制，进行浮点DSP和定点DSP的双线程程序加载，使用8位A/D芯片进行电动执行机构的联动控制。在整个热收缩包装机控制的中枢单元中，采用交流驱动放大方式降低能量损耗，实现机械节能控制和电动执行[7]。
（3） 程序加载模块及输出接口模块
对输入热收缩包装机控制信号进行放大滤波处理，通过程序加载模块进行逻辑控制和程序写入。在Visual DSP++ 4.5编译程序进行控制算法的人机交互编译，在嵌入式环境下进行输出接口设计和程序加载。采用12通道DMA总线内部系统进行时钟控制[8]，实现热收缩包装机机械节能控制器的优化设计。
3 实验测试分析
在控制器实验分析中，外部接口片选信号为多字节的控制命令字，采用十六进制的串口总线进行控制命令写入。设定机械节能控制的A/D采样位数为12位，控制指令切换模式为知识规则库引导模式，设定控制指令信息的采樣周期为0.02 s，模糊Smith控制的指令循环周期为0.25 s。控制器的输出接口触发真值表见表1。
根据上述实验环境和参量设定，进行热收缩包装机的机械节能控制仿真，得到控制输出的收敛性曲线如图4所示。采用不同方法进行节能控制后的功率能量开销对比结果如图5所示。分析图5中结果得知，本文控制器的收敛性较好，提高了机械节能性能。
4 结 语
本文进行热收缩包装机的控制器优化设计，提出基于模糊Smith反馈调节的机械节能控制方法，并进行实验对比分析。实验结果表明，采用该方法进行热收缩包装机的机械节能控制和稳定性较好，降低了热收缩包装机能量开销，具有优化节能效果，控制性能优越。
参考文献
[1] 杨兴明，余忠宇.两轮移动倒立摆的开关切换模糊极点配置控制器设计[J].电路与系统学报，2012，17（4）：58?62.
[2] 齐昕，周晓敏，马祥华，等.感应电机预测控制改进算法[J].电机与控制学报，2013，17（3）：62?69.
[3] 陈颖峰，王玉红，王蕾.基于ARM和LabVIEW的网络数据采集测试系统设计[J].现代电子技术，2016，39（13）：88?92.
[4] 焦文良，王旭东，那日沙，等.多重联结大功率直流电源控制策略研究[J].电机与控制学报，2016，20（5）：53?59.
[5] FEYZMAHDAVIAN H R， CHARALAMBOUS T， JOHANSSON M. Exponential stability of homogeneous positive systems of degree one with time?varying delays [J]. IEEE transactions on automatic control， 2014， 59（6）： 1594?1599.
[6] 李维鹏，张国良，姚二亮，等.基于空间位置不确定性约束的改进闭环检测算法[J].机器人，2016，38（3）：301?310.
[7] 杨亮，傅瑜，付根平，等.基于能效优化的仿人机器人跑步步态优化与控制[J].计算机科学，2016，43（6）：270?275.
[8] 赵国荣，韩旭，杜闻捷，等.具有传感器增益退化的不确定系统融合估计器[J].控制与决策，2016，31（8）：1413?1418.
摘 要： 为了提高热收缩包装机的机械节能控制的稳定性，进行控制器优化设计。提出基于模糊Smith反馈调节的机械节能控制方法，构建热收缩包装机的机械节能控制的约束参量模型，进行控制律优化设计。采用超低功耗的 ARM Cortex?M0核心控制执行元件，在嵌入式环境下进行机械节能控制器硬件开发，包括A/D模块、电动执行机构模块、程序加载模块等。实验测试结果表明，采用该方法进行热收缩包装机的机械节能控制稳定性较好，降低了热收缩包装机的能量开销，具有优化节能效果。
关键词： 热收缩包装机； 硬件开发； 节能控制器； 优化设计
中图分类号： TN245?34； TP271 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）24?0115?03
Abstract： In order to improve the mechanical power?saving control stability of the heat shrinkable packaging machine and optimize the controller design， the mechanical power?saving control method based on the fuzzy Smith feedback regulation is proposed. The constraint parameter model of mechanical power?saving control is constructed for the heat shrinkable packaging machine to optimize the control law design. The ARM Cortex?M0 core control executive component with ultra?low power consumption is employed to develop hardware for the mechanical power?saving controller in the embedded environment， including A/D module， electric actuator module， and program loading module. The experimental results show that the method has good stability for mechanical power?saving control of the heat shrinkable packaging machine， reduces power consumption of the heat shrinkable packaging machine， and has good power?saving optimization effect.
Keywords： heat shrinkable packaging machine； hardware development； power?saving controller； optimization design
0 引 言
热收缩包装机也称收缩机，广泛应用在玻璃瓶、发泡胶、纸盒、药品、化妆品等物品的包装中，其具有适用范围广、密封性好、透明度高等优点而受到广泛应用。热收缩包装机采用收缩薄膜包在产品或包装件外面，然后加热，实现产品包装，热收缩包装机的消耗功率很大，容易烧毁线路或电器元件，需要进行包装机的机械节能控制设计，降低包装机的输出功耗，提高包装机机械控制的稳定性[1]。研究热收缩包装机的机械节能控制器优化设计方法，实现节能减排，降低电能消耗，提高包装机包装的平整性。提出基于模糊Smith反馈调节的机械节能控制方法，进行包装机机械节能控制器的控制算法设计和控制器硬件设计。
1 控制律设计
1.1 控制约束参量分析
为了实现对热收缩包装机的机械节能控制，首先构建控制约束参量模型。采用严格反馈误差修正方法提高热收缩包装机的节能控制性能，以热收缩包装机的旋转角速度为虚拟控制输入，构建控制器的闭环传递函数为：
构建一个时滞二自由度函数描述热收缩包装机的机械节能控制过程中功率增益，其中。 设学习步长为，经过步训练和学习后，实现对热收缩包装机的机械节能控制的约束参量分析，为进行控制器优化设计提供参量输入基础。
1.2 控制律优化设计
提出基于模糊Smith反馈调节机械节能控制方法，构建机械节能控制Smith控制结构方程为：
选择合适的步长和初值，输出包装机机械节能控制的初始功率损耗变量，，…，，对变量分别乘上权重值，，…，后的加权，对机械节能控制模态变量进行跟踪和补偿[3]，得到控制器的二自由度约束泛函为：
构建非线性耦合的PID控制器，在惯性环节加入时滞变量，进行机械节能控制的功耗调度，确定时滞耦合系统传递函数为：
通过最大灵敏度反馈方法进行机械节能控制参数自镇定性调节，构建机械节能控制的闭环控制器律。在持续扰动下输入机械节能的自变量序列，在控制律中加入时滞积分项，得到热收缩包装机的机械节能控制的误差调整迭代式为：
在持续扰动的情况下，为了降低机械节能控制器的能量开销，加入模糊Smith反馈调节项[4]，实现机械节能控制，得到控制律的输入/输出模型如图1所示。
图1中：是自适应修正参量； 是跟踪误差项；与是开环控制函数。利用节能控制思想，当，，得到热收缩包装机机械节能的动态跟踪函数为：
由此得到控制器信息融合传递函数描述为：
式中，热收缩包装机机械节能控制器的输入向量通过实现自适应调节，降低了控制器能量开销。
2 控制器的硬件设计与实现
对设计的控制算法进行程序加载，实现控制器的硬件设计，采用超低功耗的 ARM Cortex?M0核心控制执行元件，在嵌入式环境下进行机械节能控制器硬件开发，包装机的机械节能控制单元包括了信息采集模块、直接控制模块、A/D模块、电动执行模块、嵌入式控制模块和驱动模块等[5]。在上位机通信模块设计中，采用多个内部寄存器进行指令的缓存设计，从而降低机械节能控制的能量衰减，采用嵌入式的DSP芯片进行控制信息的集成处理，从而稳定电机驱动器的转速，提高控制器的稳定性，得到控制器的功能结构组成框图如图2所示。
在控制器的执行单元中，采用低功耗的DSP控制A/D转换频率，进行热收缩包装机控制信号采集和总线控制处理，通过功率增益放大模块提高包装机的机械节能控制的输出功率增益。控制器设计采用3层结构，采用TMS320VC5509A DSP芯片进行包装机机械节能控制的嵌入式集成信息处理[6]，采集控制指令进行包装过程的智能判断，并在嵌入式环境下进行机械节能控制器硬件开发。对控制器功能模块化设计描述如下：
（1） A/D模块
A/D模块是实现对包装机机械节能控制的控制信息采集和数/模转换功能，采用16位定点DSP进行控制器的A/D模块外围电路设计，建立多线程驱动的A/D程序加载模型。在ARM?Linux 平台上进行热收缩包装机的机械节能控制器的控制参量设定和控制算法写入，控制器的A/D模块由A/D、D/A、信号处理器（DSP）等部分组成。假设控制的D/A的输入功率范围是0～10 W，通过控制器的自适应调节，A/D模块输出的频域响应特性如图3所示。
（2） 电动执行机构模块
电动执行机构模块是控制器的核心控制模块，采用ADI公司的ADSP21160作为主控芯片，通过低功耗的嵌入式控制，进行浮点DSP和定点DSP的双线程程序加载，使用8位A/D芯片进行电动执行机构的联动控制。在整个热收缩包装机控制的中枢单元中，采用交流驱动放大方式降低能量损耗，实现机械节能控制和电动执行[7]。
（3） 程序加载模块及输出接口模块
对输入热收缩包装机控制信号进行放大滤波处理，通过程序加载模块进行逻辑控制和程序写入。在Visual DSP++ 4.5编译程序进行控制算法的人机交互编译，在嵌入式环境下进行输出接口设计和程序加载。采用12通道DMA总线内部系统进行时钟控制[8]，实现热收缩包装机机械节能控制器的优化设计。
3 实验测试分析
在控制器实验分析中，外部接口片选信号为多字节的控制命令字，采用十六进制的串口总线进行控制命令写入。设定机械节能控制的A/D采样位数为12位，控制指令切换模式为知识规则库引导模式，设定控制指令信息的采樣周期为0.02 s，模糊Smith控制的指令循环周期为0.25 s。控制器的输出接口触发真值表见表1。
根据上述实验环境和参量设定，进行热收缩包装机的机械节能控制仿真，得到控制输出的收敛性曲线如图4所示。采用不同方法进行节能控制后的功率能量开销对比结果如图5所示。分析图5中结果得知，本文控制器的收敛性较好，提高了机械节能性能。
4 结 语
本文进行热收缩包装机的控制器优化设计，提出基于模糊Smith反馈调节的机械节能控制方法，并进行实验对比分析。实验结果表明，采用该方法进行热收缩包装机的机械节能控制和稳定性较好，降低了热收缩包装机能量开销，具有优化节能效果，控制性能优越。
参考文献
[1] 杨兴明，余忠宇.两轮移动倒立摆的开关切换模糊极点配置控制器设计[J].电路与系统学报，2012，17（4）：58?62.
[2] 齐昕，周晓敏，马祥华，等.感应电机预测控制改进算法[J].电机与控制学报，2013，17（3）：62?69.
[3] 陈颖峰，王玉红，王蕾.基于ARM和LabVIEW的网络数据采集测试系统设计[J].现代电子技术，2016，39（13）：88?92.
[4] 焦文良，王旭东，那日沙，等.多重联结大功率直流电源控制策略研究[J].电机与控制学报，2016，20（5）：53?59.
[5] FEYZMAHDAVIAN H R， CHARALAMBOUS T， JOHANSSON M. Exponential stability of homogeneous positive systems of degree one with time?varying delays [J]. IEEE transactions on automatic control， 2014， 59（6）： 1594?1599.
[6] 李维鹏，张国良，姚二亮，等.基于空间位置不确定性约束的改进闭环检测算法[J].机器人，2016，38（3）：301?310.
[7] 杨亮，傅瑜，付根平，等.基于能效优化的仿人机器人跑步步态优化与控制[J].计算机科学，2016，43（6）：270?275.
[8] 赵国荣，韩旭，杜闻捷，等.具有传感器增益退化的不确定系统融合估计器[J].控制与决策，2016，31（8）：1413?1418.
