無縫內(nèi)衣機(jī)紗線張力自整定PID控制器設(shè)計(jì)

無縫內(nèi)衣機(jī)紗線張力自整定PID控制器設(shè)計(jì)萬中魁;胡旭東;彭來湖【摘要】針對無縫內(nèi)衣機(jī)織造時(shí)的紗線張力實(shí)時(shí)變化和現(xiàn)有控制器抗干擾能力差、紗線張力控制精度低的問題，對紗線張力的采集、直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)的傳輸和紗線張力的恒定進(jìn)行了研究，提出了一種基于CAN總線通訊和模糊參數(shù)自整定PID方法的控制器.闡述了控制器的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，給出了紗線張力檢測電路、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、CAN總線接口電路和斷紗報(bào)警電路的工作原理以及CAN總線的通訊方法.重點(diǎn)論述了基于模糊規(guī)則的自整定PID控制方法的實(shí)現(xiàn)，并利用Simulink仿真對控制器的準(zhǔn)確性進(jìn)行了測試.研究結(jié)果表明，該控制器有效解決了紗線張力的非線性時(shí)變問題，實(shí)現(xiàn)了紗線的恒張力輸送,使編織成圈均勻整齊，且系統(tǒng)穩(wěn)定性高，實(shí)時(shí)性好.【期刊名稱】《機(jī)電工程》【年(卷)，期】2015(032)012【總頁數(shù)】5頁(P1611-1615)【關(guān)鍵詞】恒張力;紗線;CAN總線啟整定PID【作者】萬中魁;胡旭東;彭來湖【作者單位】浙江理工大學(xué)教育部現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)工程研究中心，浙江杭州310018;浙江理工大學(xué)教育部現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)工程研究中心，浙江杭州310018;浙江理工大學(xué)教育部現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)工程研究中心，浙江杭州310018【正文語種】中文【中圖分類】TH39;TS1830引言無縫針織內(nèi)衣機(jī)是一種集約化控制的機(jī)電一體化針織設(shè)備，專門用于編織高檔無縫全成形針織內(nèi)衣產(chǎn)品［1］。為了保證無縫內(nèi)衣產(chǎn)品的彈性和舒適度，針織材料多采用高彈性紗線。彈性紗線輸送過程中，張力的變化直接影響編織成圈的均勻和整齊。所以，實(shí)現(xiàn)彈性紗線的恒張力輸送，是無縫內(nèi)衣機(jī)準(zhǔn)確成圈的關(guān)鍵?？煽糠€(wěn)定的恒張力輸紗控制系統(tǒng)能大大提升無縫內(nèi)衣機(jī)的編織效率和產(chǎn)品質(zhì)量。該設(shè)計(jì)通過對編織成圈過程中紗線張力變化進(jìn)行研究，提出一種基于CAN總線通訊和模糊規(guī)則自整定PID方法的控制器，以解決無縫內(nèi)衣機(jī)織造時(shí)的紗線張力實(shí)時(shí)變化和現(xiàn)有控制器抗干擾能力差、紗線張力控制精度低的問題。本研究從總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)3個(gè)方面進(jìn)行闡述，并通過仿真測試，驗(yàn)證方案的可行性。1總體設(shè)計(jì)概述無縫內(nèi)衣機(jī)中彈性紗線從紗架上的紗筒外圈繞下，穿過斷紗報(bào)警器的過孔，進(jìn)入恒張力輸紗裝置后，經(jīng)過編織成圈機(jī)構(gòu)的成圈編織，形成無縫產(chǎn)品［2］。該設(shè)計(jì)是針對在輸紗過程中，對紗線張力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，運(yùn)用模糊自整定的PID控制方法，減小實(shí)際測量值與設(shè)定值之間的誤差，調(diào)整直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)張力的恒定?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括主控模塊、恒張力控制模塊和斷紗報(bào)警模塊。①主控模塊采用32位Cortex-M4內(nèi)核的ARM芯片STM32F407作為控制核心，最高工作頻率達(dá)168MHz，芯片內(nèi)資源豐富，含6路UART和2路CAN控制器，最多提供140個(gè)I/O口。②恒張力控制模塊中主要包括與主控模塊通訊的DSP芯片、驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路和張力檢測模塊。主控模塊與恒張力模塊之間通過CAN總線通訊，主控模塊發(fā)送指令到恒張力控制模塊，實(shí)現(xiàn)張力設(shè)置和張力大小調(diào)節(jié);恒張力控制模塊反饋當(dāng)前張力值，并在張力變化過大時(shí)發(fā)出停止指令。③斷紗報(bào)警模塊由斷紗信號(hào)采集電路和斷紗報(bào)警器組成，能夠檢測輸紗過程中是否出現(xiàn)斷紗現(xiàn)象，一旦發(fā)生斷紗，則向主控模塊發(fā)出報(bào)警信號(hào)，主控模塊向恒張力控制模塊發(fā)送停機(jī)指令，直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2硬件電路設(shè)計(jì)2.1紗線張力檢測模塊設(shè)計(jì)2.1.1紗線張力檢測原理張力檢測機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示。紗線張力的檢測，采用應(yīng)變電阻傳感器[3]。應(yīng)變電阻片在受到拉力或壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻值變化，圖2中:紗線2在牽引力下向上貼緊基座1,導(dǎo)致基座1受力發(fā)生形變，應(yīng)變電阻片a3受到壓力作用，應(yīng)變電阻片b4受到拉力作用，不同的紗線張力產(chǎn)生的形變不同，所以應(yīng)變電阻片的阻值不同。圖2張力檢測機(jī)構(gòu)簡圖1一基座;2一紗線;3—應(yīng)變電阻片a;4—應(yīng)變電阻片b2.1.2紗線張力檢測模塊電路設(shè)計(jì)張力檢測模塊電路原理圖如圖3所示。本研究通過橋式檢測電路將阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，經(jīng)過差分放大電路將電壓值放大到ADC模塊的電壓采集范圍內(nèi)[4],ADC模塊將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由DSP進(jìn)行處理。橋式檢測電路中，兩個(gè)電阻應(yīng)變片為R1和R2，分別受到拉力和壓力，RV1為調(diào)零電阻，R5為限流電阻，起保護(hù)電路的作用。當(dāng)紗線狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，R1、R2阻值穩(wěn)定，調(diào)節(jié)RV1使得電橋平衡，輸出電壓為0V。當(dāng)紗線張力變化時(shí)，引起R1、R2阻值的變化，從而導(dǎo)致輸出電壓的變化，根據(jù)壓力的變化得到紗線張力的變化情況。信號(hào)放大電路采用AD620B，該運(yùn)放主要用于微弱信號(hào)的放大，增益范圍為1~10000。AD705為電路提供模擬電壓，并為AD620B提供模擬地。圖3張力檢測模塊電路2.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。電機(jī)采用無刷直流電機(jī)，通過無刷直流電機(jī)控制器專用芯片MC33035驅(qū)動(dòng)，芯片內(nèi)部含有邏輯轉(zhuǎn)換電路，能夠直接將霍爾傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)信號(hào)。同時(shí)，系統(tǒng)利用MC33039閉環(huán)無刷直流電機(jī)適配器進(jìn)行頻率電壓轉(zhuǎn)換，將反饋電壓反饋到MC33035的反相輸入端，構(gòu)成閉環(huán)速度可調(diào)系統(tǒng)。圖4中，端口SensorA、SenserB和SenserC為電機(jī)轉(zhuǎn)子霍爾傳感器采集到的位置信號(hào)，端口A、B、C為供給電機(jī)的三相交流信號(hào)。工作時(shí)，MC33035根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，結(jié)合方向控制端、制動(dòng)輸入端、電流檢測端等信號(hào)狀態(tài)，產(chǎn)生逆變橋三相上、下橋臂開關(guān)器件的6路控制信號(hào)分別為AB、BB、CB、At、Bt和Ct。AB、BB、CB信號(hào)是脈寬調(diào)制PWM信號(hào)，通過改變MC33035的誤差放大器同相輸入端的電壓可實(shí)現(xiàn)占空比的調(diào)節(jié)。6路控制信號(hào)經(jīng)過放大后，接逆變橋橋臂，產(chǎn)生供電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的三相方波交流電流信號(hào)。圖4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2.3CAN總線接口電路設(shè)計(jì)CAN總線接口電路實(shí)現(xiàn)主控模塊和恒張力控制模塊之間的數(shù)據(jù)通訊，接口電路如圖5所示。該電路采用TJA1050作為CAN收發(fā)器［5］，波特率最高可達(dá)1Mbps，使用TLP113高速光耦實(shí)現(xiàn)電源隔離，減少信號(hào)滯后，提高傳輸效率。圖5中:上拉電阻R12和R14可以提高CAN總線的傳輸速度，R11和R15為限流電阻，防止流進(jìn)芯片和光耦的電流過大，終端電阻R10，可以消除通訊電纜中的信號(hào)反射，使收發(fā)器和電纜之間阻抗相匹配［6-8］。2.4斷紗報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)圖5CAN總線接口電路圖6斷紗報(bào)警電路斷紗報(bào)警電路是為了當(dāng)報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，將斷紗報(bào)警器產(chǎn)生的報(bào)警信號(hào)傳輸?shù)紻SP中。斷紗報(bào)警電路原理圖如圖6所示。圖6中:MBR10100CT為高壓肖特基整流器，內(nèi)部為兩個(gè)共陰極二極管，發(fā)生報(bào)警時(shí)，斷紗報(bào)警器A中的開關(guān)閉合時(shí)，U2和U3中二極管兩端產(chǎn)生壓差，二極管導(dǎo)通，12V經(jīng)過兩次二極管壓降，是的X點(diǎn)電位為10.6V左右，PNP型三極管Q1的VEB=12V-10.6V=1.4V>0,使得Q1工作在飽和區(qū)[9],從而使得光耦OP3中發(fā)光二級(jí)管導(dǎo)通，ALARM信號(hào)發(fā)生“1”到“0”的跳變。當(dāng)沒有報(bào)警時(shí)，X點(diǎn)電位為12V,Q1工作在截止區(qū)，光耦中發(fā)光二級(jí)管截止，ALARM信號(hào)為“1”。3軟件設(shè)計(jì)3.1主控模塊軟件設(shè)計(jì)主控模塊程序流程圖如圖7所示。CAN發(fā)送命令通過CAN總線發(fā)送到恒張力控制模塊，CAN接收中斷接收來自恒張力控制模塊反饋來的當(dāng)前張力值。當(dāng)斷紗報(bào)警器報(bào)警或當(dāng)前值偏離設(shè)定值過大，由主控模塊發(fā)送停機(jī)指令。若張力系數(shù)更改，系統(tǒng)配置張力系數(shù)后，發(fā)送調(diào)節(jié)張力系數(shù)指令。圖7主控模塊程序流程圖3.2恒張力控制模塊軟件設(shè)計(jì)恒張力控制模塊程序流程圖如圖8所示。系統(tǒng)在CAN接收中斷中接收來自主控模塊的指令，進(jìn)行命令解析，如果收到斷紗報(bào)警或張力偏離過大指令，則關(guān)閉直流電機(jī)，停止輸送紗線。如果收到張力系數(shù)調(diào)節(jié)指令，則通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)整紗線張力與設(shè)定值相符。在紗線傳輸過程中，通過張力檢測模塊中實(shí)時(shí)檢測到的張力值，與主控模塊發(fā)送過來的張力系數(shù)進(jìn)行對比，改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，使測量值與設(shè)定值盡可能接近，且將測量到的當(dāng)前張力值反饋給主控模塊。3.3恒張力模糊自整定PID算法的實(shí)現(xiàn)3.3.1恒張力模糊自整定PID控制原理模糊自整定PID屬于一種智能PID控制，根據(jù)誤差e和誤差的變化ec來自動(dòng)調(diào)節(jié)PID的參數(shù)。這種控制方法利用模糊規(guī)則，找出PID中比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki、微分系數(shù)kd與e和ec間的模糊關(guān)系，實(shí)時(shí)地對3個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改，以滿足不同的輸入對控制參數(shù)的要求［10-11］。模糊自整定PID控制原理框圖如圖9所示。圖8恒張力控制模塊程序流程圖圖9模糊自整定PID控制原理框圖該設(shè)計(jì)中模糊自整定PID算法由恒張力控制模塊中的DSP實(shí)現(xiàn)，通過橋式電路采集應(yīng)變電阻傳感器上的電壓變化，經(jīng)放大后，由DSP中的ADC模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并換算成對應(yīng)的張力值。將檢測到的張力值與所設(shè)定張力值進(jìn)行比較，得到e和ec,DSP中構(gòu)建的模糊控制器根據(jù)兩參數(shù)值進(jìn)行模糊推理，得到新的kp、ki和kd，輸入PID調(diào)節(jié)器，調(diào)整直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)紗線供給快慢，從而改變紗線張力大小。根據(jù)kp、ki、kd對系統(tǒng)性能的影響，并結(jié)合紗線張力的自身特性，得到張力模糊控制推理規(guī)則。張力調(diào)節(jié)過程中，先保持kp大小適中、ki稍小、kd稍大，這樣既能使系統(tǒng)有一定響應(yīng)速度，又能避免引起過分微分飽和;然后逐漸加大kp和ki,提高響應(yīng)速度，減少穩(wěn)態(tài)誤差，kd保持不變;當(dāng)張力逐漸穩(wěn)定后，減小kp，降低響應(yīng)速度，逐漸加大ki并減小kd，維持系統(tǒng)穩(wěn)定，避免系統(tǒng)振蕩。3.3.2恒張力模糊自整定PID算法模糊控制器采用模糊推理中常用的CRI算法，將語言變量的論域從連續(xù)域轉(zhuǎn)換成有限整數(shù)的離散論域［12］。該設(shè)計(jì)中，筆者采用三角隸屬函數(shù)，語言變量在量化域中取值均為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},分別為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中和正大。依據(jù)上述模糊規(guī)則，本研究建立的Akp.Aki.Akd的模糊規(guī)則表如表1所示。表1Akp、Aki、Akd的模糊規(guī)則表下面運(yùn)用重心法將模糊量清晰化，以比例系數(shù)kp為例，重心法計(jì)算公式如下:式中:一清晰化輸出量，^kp—輸出變量外一模糊集隸屬函數(shù)，N一單點(diǎn)集數(shù)。在模糊矩陣表中查出修正參數(shù)［13-14］代入公式(2)，得到比例系數(shù)kp:式中:一初始參數(shù)。4仿真測試根據(jù)所述控制系統(tǒng)，本研究在Simulink下進(jìn)行仿真，設(shè)置模糊參數(shù)的初值為0.3,相應(yīng)階躍響應(yīng)曲線圖如圖10所示。圖10模糊自整定PID階躍響應(yīng)曲線圖由曲線圖可知，系統(tǒng)的超調(diào)量8=12%，響應(yīng)時(shí)間t=1.6s，表明該模糊自整定PID控制系統(tǒng)的超調(diào)量較小、響應(yīng)速度較快。5結(jié)束語本研究通過對恒張力輸紗控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、硬件與軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，給出了—種基于CAN總線通訊和模糊參數(shù)自整定PID方法的控制器。該設(shè)計(jì)采用自整定PID控制方法，針織過程中自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)紗線的恒張力傳輸。恒張力模塊與主控模塊間采用CAN總線通訊方式，增強(qiáng)抗干擾能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。本研究通過Simulink仿真驗(yàn)證了控制器的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明，該控制器的超調(diào)量小、響應(yīng)速度快，能夠有效解決無縫內(nèi)衣機(jī)中紗線張力的實(shí)時(shí)變化的問題，實(shí)現(xiàn)紗線的恒張力輸送，具有良好應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)(References):［1］ 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