本发明涉及饮料灌装生产线自动控制技术领域，涉及一种基于在线参数辨识的饮料灌装控制方法。
背景技术：
在食品工业中，饮料灌装机是一种广泛使用的自动化生产设备，在饮料加工、封装过程中扮演着十分重要的角色。饮料灌装精度的提高，不仅仅可以减小生产过程中产生的浪费，还关系着消费者的体验进而影响饮料商家的品牌效益。然而，靠大规模提高生产设备水平来达到提高灌装精度的方法耗资又是巨大的。因此，目前工业生产中，基本都是在不改变原有生产设备的条件下来提高灌装精度。
目前，常用的提高灌装精度的方法大多采用开环控制，通过手动微调的方式，来进行灌装的校准达到提高精度的目的。该方法首先根据物理关系，推导出饮料灌装系统伺服控制量和灌料量之间的关系，然后根据该关系以及饮料密度等物理量确立灌装单位体积饮料需要的控制量大小。生产当中，操作人员还会根据经验，对控制量进行人工微调，该手动调节方法虽然能起到一定的调节目的，提高灌装精度，但是该方法对操作人员经验要求比较高，而且随着灌装环境的变化，可能需要不断的手动微调才能起到持续高精度灌装的效果。由于伺服系统本身就具有非线性特征，当出现同样灌装误差时，不同的伺服灌装系统在不同时刻，调节的程度也是不一样的，仅仅依靠手动调节也是很难保证调节的有效性。
因此，有必要设计一种能够快速、稳定提高灌装精度的饮料灌装控制方法。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，针对现有饮料灌装机中饮料灌装控制方法的不足，提供一种基于在线参数辨识的饮料灌装控制方法，能有效提高饮料灌装机的灌装精度。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于在线参数辨识的饮料灌装机灌装控制器设计方法，包括以下步骤：
1)获取饮料灌装机自启动系统开始历史灌装数据，包括灌装伺服行程数组u[1,2,...,n-1]和实际灌装量偏差数组e[1,2,...,n]＝set-y[1,2,...,n]，并对其求平均，得到滤波后当前灌装周期伺服行程和灌装量分别为：和
其中set为设定灌装量，h为求平均数组长度。
2)由上述步骤1)获取的数据进行分析，然后选择不同的控制模态。
3)根据步骤2)所选取的控制模态，求出当前灌装周期的灌装控制量u(k).
4)生产线根据步骤3)求出的灌装周期的灌装控制量u(k)，进行实时控制，并将本次控量以及灌装误差记录到历史数组当中。
步骤1)中，求平均数组长度h的给定方法为：首先在上位机上设定标准求平均数组长度Nr，随着灌装次数的增加，将实际灌装次数n与Nr进行比较，选择相对小的那个参数作为该控制周期的求平均数组长度，即h＝min{n,Nr}.
步骤2)中，控制模态的选择规则如下：
(1)若误差大于某个阈值，即表明过去灌装的误差很大，需要迅速减小误差，采用第一级补偿比例pmax计算控制量增量，采用如下的控制模态一：
其中，其中为设定的误差上限；pmax为上位机设定最大补偿比例；λ0表示灌装量与伺服行程比例因子，由物理关系确定。
(2)当控制器增量根据误差大小的程度来确定，采用第二级补偿比例计算控制量增量，采用如下的控制模态二：
其中e为设定的误差下限；pmin为上位机设定最小补偿比例。
(3)当误差小于某个阈值，即灌装误差在第三个较小的误差阈值内，由于此时误差已经非常小，控制量已经很接近最佳注射行程，采用第三级补偿比例pmin计算控制量增量，并采用如下的控制模态三：
(4)若灌装误差连续l次或者误差历史值都小于设定的允许误差范围时，可认为系统在当前时段已经稳定，控制量不变、以防止频繁变动控制量导致系统不稳定，防止偶然误差引起系统调节过度，即当
max{e(1),e(2),…,e(k)}≤es,k≤l
或
max{e(k-l+1),e(k-l+2),…,e(k)}≤es,k>l
时，采用控制模态四：
u(k)＝u(k-1)
其中es为设定的允许误差范围；l为设定的稳定判断数组长度。
步骤2)中，对系统进行灌装控制时，为了防止因饮料灌装生产线非线性因素导致调节效果不理想，采用最小二乘法原理在线辨识系统的灌装灵敏度，并以此为依据构建灌装系统局部线性化模型，对灌药系统灵敏度进行在线分析，设计出能够解决因系统时变及非线性影响的灌装控制器。辨识过程如下：
(1)首先定义灌装量输出表达式：
V＝λu+δ(u,v,μ,T)
其中δ(u,v,μ,T)表示非线性函数
将灌装量与控制量在采样时刻k时的近似线性关系表示为：
灌装系统灵敏度表示当控制增量有微小变化时，灌装量变化输出，因此定义灌装系统灵敏度为：
(2)根据最小二乘法原理，可以根据步骤1)中获取的灌装伺服行程数组和实际灌装量偏差数组在线辨识出灌装系统灵敏度，表达式如下：
其中，m为设定的辨识数组长度，V(k-1)，V(k-2)，…，V(k-m)分别为第(k-1)至(k-m)次灌装的为实际灌装量；实际灌装量通过以下方式测量：在一次灌装结束后，通过秤测量出灌装后的饮料瓶重量，秤测得的饮料瓶重量与饮料瓶空瓶重量之差即为本次灌装的饮料重量，然后根据密度算出本次灌装的饮料体积，即为本次灌装的实际灌装量。
(3)将辨识的结果带入控制模态一～三式子中，用实时辨识出的s(k)替换λ0，并加上调节系数γ，得到当前周期控制量表达式为：
其中，γ表示调节系数。
有益效果：
本发明通过对历史灌装数据进行分析，设计出能够快速、稳定提高灌装精度的控制算法，具有重要的意义和广阔的市场前景。
使用本发明来对饮料灌装系统进行改造时，无需增加或者更改饮料灌装机的机械结构和硬件电路，只需要在饮料灌装线的PLC控制器添加上本发明提出的控制算法，然后调好参数即可，相比于一般的通过更改灌装线的某个机械结构而言，成本大大降低。本发明中所述控制模态，是根据系统启动后的灌装情况来定的，几乎为每种条件提供了一个十分优化的控制量输出：对于启动不久、历史数据不够多的情况，求平均数组会根据所有的历史灌装数据，而不是上位机所设定的标准求平均数组长度Nr进行处理；当连续l次或者所有灌装误差均小于设定的允许误差范围时，可认为系统在当前时段已经稳定，控制量不变、以防止频繁变动控制量导致系统不稳定，克服了扰动引起干扰导致控制失常的问题；对于当饮料灌装系统因环境或者自身原因导致系统比较灵敏的问题，这时候较小控制增量也会导致调节过度，容易引起震荡，本发明通过在线辨识出系统灵敏度s(k)，当系统灵敏度较高时，控制增量有所衰减，当系统灵敏度较低时，控制增量有所加强，可以很好地克服系统非线性引起的饮料灌装误差。本发明基于在线参数辨识的饮料灌装机灌装控制器设计方法，成本低且控制精度高，降低了饮料灌装过程的不合格率，具有较高的实用价值和很好的应用前景，该方法对其它定量液体灌装系统也有借鉴作用。
附图说明
图1为饮料灌装机结构简图。
附图标记说明：
图中，1是饮料瓶，2是灌针，3是饮料灌装泵，4是灌装伺服电机，5是编码器，6是伺服驱动器，7是主控制器PLC，8是上位机PC机，9是秤，10是主传送带。
具体实施方式
本发明所述被控对象-饮料灌装机结构如图1所示，1是饮料瓶，2是灌针，3是饮料灌装泵，4是灌装伺服电机，5是编码器，6是伺服驱动器，7是主控制器PLC，8是上位机PC机，9是秤，10是主传送带。本发明所采用的饮料灌装系统工作过程为：饮料瓶1在主传送带10上进行平移运动；当饮料瓶运动到灌针2下方时，伺服驱动器6根据PLC计算出来的伺服行程，驱动灌装伺服器4带动饮料灌装泵3完成吸取和注射饮料的动作；其中编码器5用于测量伺服器的角度和角速度，它与伺服驱动、伺服器三者构成运动控制闭环回路；经过灌装后的饮料瓶在主传送带的作用下，经过秤9测量出灌装后的饮料瓶重量，秤测得的饮料瓶重量与饮料瓶空瓶重量之差即为本次灌装的饮料重量，然后根据密度算出本次灌装的饮料体积，即为本次灌装的实际灌装量。PLC与上位机PC机8之间采用以太网通讯方式进行数据交换，在监控平台中可以对控制系统的各项参数进行设置，也可以对饮料灌装机的灌装误差和伺服行程进行实时监测。
为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体灌装流程，进一步阐述本发明。
1.灌装启动前准备工作
在进行灌装之前，首先不启动主传送带，选取排空模式，将饮料装入储存罐并对灌装系统进行排空；然后切换到饮料灌装模式，并在上位机上设置好所述基于在线参数辨识的灌装控制器相关参数：设定灌装量set、标准求平均数组长度Nr、误差上下限e和e、最大最小补偿比例pmax和pmin、稳定判断数组长度l、允许误差范围es、辨识数组长度m、调节系数γ等；然后启动系统进行饮料自动化灌装生产过程。
2.获取并分析灌装数据
启动系统之后，每完成一次饮料灌装，通过秤测量结果计算出该次灌装结果并存入数组中。得到历史灌装数据，包括灌装伺服行程数组u[1,2,...,n-1]和实际灌装量偏差数组e[1,2,...,n]＝set-y[1,2,...,n]，并对其求平均，得到滤波后当前灌装周期伺服行程和灌装量分别为：和
启动系统最初的几轮灌装，由于保存的历史数组长度n较小，通常选用n作为平均数组长度h；当系统灌装次数达到Nr次以后，选用Nr作为求平均数组长度h；对于在线参数辨识数据的选取，当n<m时不进行参数辨识(此时λ0的取值根据设定灌装量，泵参数等确定，具体跟技术参数有关，如每灌单位体积饮料需要多大伺服行程)；当n≥m时，以最近保存的m次灌装数据作为辨识数据进行在线辨识饮料灌装系统灵敏度。
3.系统自动选择控制模态
根据步骤2计算出滤波后的平均误差结合上位机设定的参数，选择控制模态，模态选择规则如下：
(1)若误差大于某个阈值，即表明过去灌装的误差很大，需要迅速减小误差，采用第一级补偿比例pmax计算控制量增量，采用如下的控制模态一：
(2)当控制器增量根据误差大小的程度来确定，采用第二级补偿比例p(e)计算控制量增量，补偿比例基本原则是误差越大所选取的补偿比例越大，采用如下的控制模态二：
(3)当误差小于某个阈值，即灌装误差在第三个较小的误差阈值内，由于此时误差已经非常小，控制量已经很接近最佳伺服行程，只需要进行微小调节即可，采用第三级补偿比例pmin计算控制量增量，并采用如下的控制模态三：
(4)若灌装误差连续l次或者误差历史值都小于设定的允许误差范围时，可认为系统在当前时段已经稳定，控制量不变、以防止频繁变动控制量导致系统不稳定。即当max{e(1),e(2),…,e(k)}≤es,k≤l或max{e(k-l+1),e(k-l+2),…,e(k)}≤es,k>l时，一方面已经达到了调节的目的，另一方面该情况下最后得出的灌装误差往往来自系统的偶然误差，不能以该误差作为计算控制增量的依据，因此PLC输出的控制量与上一轮灌装控制量一致，采用控制模态四：
u(k)＝u(k-1)
4.进行在线参数辨识优化控制量输出
当灌装进行到一定次数，当n>m时，考虑控制增量与实际灌装量输出的系统非线性关系，采用最小二乘法对系统进行局部线性化，对步骤3中模态一、模态二和模态三的控制量输出进行优化。
其中，基于最小二乘法的辨识表达式为：
在辨识的系统灌装灵敏度基础上，得出优化后的控制量输出表达式为：
然后用该优化后的控制量输出取代模态一、模态二和模态三计算出的控制量输出。
5.实时控制并反馈结果
PLC经由步骤3和步骤4计算出当前灌装周期的灌装控制量u(k)，将控制量伺服行程传递给伺服驱动器，伺服驱器驱动伺服电机按照一定的角度和角速度旋转，由编码器实时测量伺服电机速度并反馈给伺服驱动器完成闭环控制保证伺服器行程准确跟随伺服驱动器给定值。最后液压泵在伺服驱动器的作用下完成抽料和灌装，本次灌装结束后，将本次控制量以及灌装误差保存并记录到历史数组当中刷新数据。