A data-driven control approach for industrial filling machine

The increasing need for technically advanced machinery, in the packaging sector and especially in the filling one, requires the use of more flexible techniques to monitor the filling process. The scope of this work thesis is to design a control strategy for sake of system performance improvement, in terms of reference signals tracking and limitation of disturbances, during the filling phase. A secondary goal is also set, which concerns the increase of the machine flexibility, intended as the capability to self-adjust its control parameters with respect to changes of product characteristics. Within the proposed control solution, the system identification is developed with a data-driven approach (Recursive Least Square algorithm), in order to overcome the modeling issue related to the constructive complexity of the filling machine. Subsequently, the control loop is implemented adopting a PID type controller. The tuning procedure of the controller is automatically performed with the Ziegler & Nichols closed loop method. The second topic is assessed by inserting an auto-tuning feedforward action within the previous control loop, with the aim of self-adapting the system with respect to the viscosity variations of the product, which in their turn are mainly caused by environmental temperature. Ultimately, the control strategy and its subsequent improvement are validated with a dedicated simulation environment in order to prove their effectiveness. In particular, the implementation of this project is able to provide the advantage of reducing the human-machine interaction, during the system setup and production phases.

La crescente richiesta di macchinari tecnologicamente avanzati, per il settore del confezionamento e in particolare per quello del riempimento, necessita l’utilizzo di tecniche di controllo maggiormente flessibili. Lo scopo di questo elaborato di tesi consiste nella progettazione di un’efficace strategia di controllo, al fine di migliorare le prestazioni del sistema, in termini di inseguimento dei segnali di riferimento e di limitazione dei disturbi, durante la fase di riempimento. Il secondo obiettivo è quello di aumentare la flessibilità della macchina, ovvero la capacità di adattare automaticamente i propri parametri di controllo, rispetto a cambiamenti delle caratteristiche del prodotto. La soluzione proposta è sviluppata partendo da un approccio data-driven (algoritmo Recursive Least Square) per l’identificazione del sistema, con il fine di superare il limite di modellazione legato alla complessità costruttiva della macchina riempitrice. Successivamente, l’anello di controllo è implementato utilizzando un controllore di tipo PID. La procedura di tuning di tale controllore, è effettuata automaticamente attraverso il metodo di Ziegler & Nichols in anello chiuso. Per lo sviluppo della seconda finalità, viene inserita un’azione di tipo feedforward a taratura automatica all’interno del precedente anello di controllo; lo scopo è di adattare automaticamente il sistema rispetto a variazioni di viscosità, causate principalmente dalla temperatura ambientale. Da ultimo, la strategia di controllo e il suo successivo ampliamento sono validati tramite simulazione software, in modo da verificarne l’efficienza. In particolare, l’implementazione di tale progetto offre il vantaggio di ridurre l’interazione tra uomo e macchina, durante le fasi di setup e produzione del sistema.