纯干货 BP神经网络的PID算法在包装机械封口温度控制

基于BP神经网络的PID算法，针对在封口包装机械温度控制应用技术进行研究，结合封口包装机械温度控制原理和过程，WEST公司的eCAL数字温度控制器，有效的解决了封口包装机械温度控制问题，提高封口包装机械工作效率和产品质量。...

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人工神经网络系统是20世纪40年代后出现的，它是由众多的神经元可调的连接权值连接而成，具有大规模并行处理、分布式信息存储、良好的自组织自学习能力等特点，在信息处理、模式识别、智能控制及系统建模等领域得到越来越广泛的应用。尤其误差反向传播算法（简称BP网络）可以逼近任意连续函数，具有很强的非线性映射能力，而且网络的中间层数、各层的处理单元数及网络的学习系数等参数可根据具体情况设定，灵活性很大，所以它在许多应用领域中起到重要作用。

采用PID（比例-积分-微分）控制设计的温度控制器可以消除惯性温度误差，PID控制是根据系统的误差利用比例-积分-微分计算出控制量，由于传统的PID控制算法，其运算简单、调整方便、鲁棒性强，得到非常广泛的应用。基于BP神经网络的PID算法，是一种按误差逆传播算法训练的多层前馈网络的PID。BP网络能学习和存贮大量的输入-输出模式映射关系，通过反向传播来不断调整网络的权值和阈值，使网络的误差平方和最小，从而提高PID的鲁棒性和适用性。

包装机械采用PID温度控制的纵封器将其纵向缝焊封牢固，横封器完成包装袋的顶封和下一个袋子的底封，成为两道焊缝。包装机对封口的温度控制是十分重要，封口温度的高低会直接影响产品质量，温度过高或过低，都会造成产品的缺陷，影响产品的美观。

包装机封口传统PID温度控制

对于卷筒包装材料有可热封的材料，依靠模具的温度完成封口的包装机械。模具的温度控制主要包括加热装置、检测装置、模头单元和温度控制器等如图1所示，首先检测装置检测模头单元的实际温度，温度控制器比较模头单元的实际温度和设定温度的差值，通过PID或模糊等理论计算需要输出的加热功率大小，由加热装置对模头单元进行加热。

图1 包装模具的温度控制结构图

在包装机械未包装工作之前温度控制稳定后，模头单元没有任何负载，输出功率相对稳定；当包装机械开始包装工作，由于模头单元的负载发生变化，由于传统的温度控制采用PID控制方式，在PID调节过程中引起温度下冲，造成包装产品不合格。包装机械开始包装过程中其温度波动曲线如图2所示。

图2 包装机械开始包装过程中其温度波动曲线

在包装机械正常包装工作过程中温度控制稳定后，模头单元负载相对稳定，加热装置输出功率相对稳定；当包装机械停止包装工作，由于模头单元的没有了负载，由于传统的温度控制采用PID控制方式，在PID调节过程中引起温度上冲，造成包装产品不合格。包装机械正常包装工作过程停止包装其温度波动曲线如图3所示。

图3 包装机械正常包装工作过程停止包装其温度波动曲线

3．基于BP神经网络的PID算法

借鉴用传统数字PID算法，传统数字PID基本控制公式如下

式中 KP--比例放大系数；TI--积分时间；TD--微分时间。

引进压缩机冷却智能起停参数，修正后数字PID控制公式如下

式中 KP--比例放大系数；TI--积分时间；TD--微分时间；TT（t）--智能起停时间函数。

修正后数字PID控制公式进行离散化处理，引进压缩机冷却智能起停参数PID控制公式可得

式中 u 0--控制量的基值，即k=0时的控制；u（k）--第k个采样时刻的控制； KP--比例放大系数； KI--积分放大系数；KD--微分放大系数；TS--采样周期；TT（K）--智能起停时间数字函数。上式是引进压缩机冷却智能起停参数数字PID算法的非递推形式，将系统偏差的全部过去值e（j）（j=1，2，3，... ，k）都存储起来。得出控制量的全量输出u（k），是控制量的绝对数值。

基于BP神经网络的PID算法，实质上是把一组样本输入/输出问题转化为一个非线性优化问题，是一种按误差逆传播算法训练的多层前馈网络的PID，输入学习样本，使用反向传播算法对网络的权值和偏差进行反复的调整训练，使输出的向量与期望向量尽可能地接近，当网络输出层的误差平方和小于指定的误差时训练完成，保存网络的权值和偏差。用BP神经网络算法对传统的PID控制方法进行改进，提升了系统的鲁棒性，有效的解决了包装机械开始包装过程和停止包装过程封口温度较大波动问题，如4所示采用BP神经网络算法PID控制封口温度曲线。

图4 采用BP神经网络算法PID控制封口温度曲线

用于包装机械的BP神经网络的PID温度控制器

丹纳赫公司将旗下全球领先的温度控制器生产厂商英国 West Control Solutions 公司全球同步发布了在其CAL Controls品牌下的eCAL系列。有效的解决了封口包装机械温度控制问题，提高了封口包装机械工作效率和产品质量。该款eCAL数字温度控制器PID控制性能优异，外观精巧紧凑，是一款性价比极佳的温控产品，采用BP神经网络算法对传统的PID控制方法进行改进，非常适合于包装设备机械设备中的应用。

图5 具有BP神经网络的PID的eCAL数字温度控制器

该款eCAL数字温度控制器在成本优化的同时提供了通常在高端产品才具备的一些指标与功能。这包括0.1%级精度的通用型输入；3组输出分别支持继电器、固态继电器驱动、线性直流等不同输出选项，以及RS485 Modbus RTU 通讯；两行4位高亮度LED数码管显示，包括功能键在内的4个薄膜按键以及3个LED输出状态指示灯。如图5所示具有欧洲设计风格的eCAL数字温度控制器，其安装深度仅为70mm，非常适合空间要求紧凑的设备配套场合，同时也适合对现有设备进行改造的项目。除了易学易用的操作界面外，前面板的F功能键可以自由定义为手动/自动控制切换、程序控制、以及自整定等快捷键功能，方便操作人员的使用。

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