顏色傳感器TCS230在糾偏控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究*

趙萬劍，徐耀良，王 博，張少成

(上海電力學(xué)院電力系統(tǒng)及其自動化，上海 200090)

在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，糾偏控制系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛，尤其在印刷行業(yè)。糾偏控制器主要解決跑偏問題，如果跑偏不加以糾正，就會影響產(chǎn)品質(zhì)量，還會增加能源和原材料消耗。因此，自動糾偏技術(shù)所帶來的巨大經(jīng)濟效益早已引起國內(nèi)有關(guān)部門和單位的重視［1］。

目前，國內(nèi)外的糾偏控制系統(tǒng)絕大多數(shù)使用光電傳感器，這其中包括世界上發(fā)明生產(chǎn)第一臺糾偏控制器的FIFE公司以及處于行業(yè)領(lǐng)先水平“E+L”公司和日本三橋公司［2－3］。但由于光電傳感器受外界光干擾比較大，抗干擾能力差，在檢測信號變化較小時，容易產(chǎn)生誤差，適用的范圍一直比較窄，尤其是對卷材按顏色的方式進行糾偏無能為力。傳統(tǒng)使用光電傳感器的糾偏控制器響應(yīng)時間一般為20 ms，糾偏精度最高只能達到±0.1 mm。

本文將美國TAOS公司生產(chǎn)的一款性能卓越的顏色傳感器 TCS230引入到糾偏控制器中［4－5］，并與C8051F330單片機相結(jié)合，構(gòu)建采集系統(tǒng)的硬件平臺。使用單片機普通I/O口對TCS230輸出的數(shù)字信號分別進行脈沖和脈寬采集，比較兩者優(yōu)缺點，并利用MATLAB工具箱處理采集數(shù)據(jù)，選擇一種更適合糾偏控制器使用的脈寬信號采集法，并對其采集到的數(shù)據(jù)進行中值數(shù)字濾波。經(jīng)實驗驗證，系統(tǒng)響應(yīng)時間和糾偏精度都得到不同程度的提高。同時，通過對TCS230顏色傳感器RGB三種濾波片的設(shè)置，也可方便地對卷材按顏色方式進行糾偏［6－7］。

1 采集系統(tǒng)設(shè)計

采集系統(tǒng)是糾偏控制器的“眼睛”，整個采集系統(tǒng)以C8051F330單片機為核心，設(shè)計采集電路、控制電路等，并進行軟件設(shè)計，得到滿足糾偏控制器所需的采集系統(tǒng)［8－10］。

1.1 硬件電路設(shè)計

采集系統(tǒng)的硬件電路如圖1所示［11］，TCS230的輸入輸出屬于數(shù)字量，兼容標(biāo)準(zhǔn)的TTL和CMOS電路。根據(jù)這個特點，可直接將微處理器普通數(shù)字I/O口與其輸出和控制輸入引腳相連。為提高信號的抗干擾性，在信號線上加上拉電阻。

圖1 采集系統(tǒng)電路

對于糾偏控制器而言，無論檢邊還是檢線，采用兩傳感器的互補交錯布置就可以滿足設(shè)計要求。

1.2 兩種信號采集方案的軟件設(shè)計

TCS230顏色傳感器主要是將外界圖像轉(zhuǎn)化為脈沖信號。好的采集方法能夠在較短的時間范圍內(nèi)獲得足夠多的信息量來判斷外界被測對象的位置，為控制贏得時間。

1.2.1 脈沖采集法

脈沖采集法是用定時器設(shè)置一個固定的時間(如3ms)，在這段時間內(nèi)連續(xù)記錄高電平脈沖或低電平脈沖的次數(shù)。此脈沖數(shù)可作為實際測量時該顏色下的信號強度，如圖2所示。

圖2 等時間脈沖采集原理

脈沖采集算法流程如圖3所示［12］。

圖3 脈沖采集算法流程

1.2.2 脈寬采集法

脈寬采集法是等脈沖采集法的特殊情況，即用定時器記錄一次脈沖寬度，程序設(shè)計以脈沖高電平寬度作為脈寬測量值，脈寬采集原理如圖4所示。

脈寬采集算法流程如圖5所示。

圖4 脈寬采集原理

圖5 脈寬采集算法流程

2 數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

兩種信號采集算法在同種工況下得到的原始數(shù)據(jù)如表1所示，其中輸出頻率為100%，選擇無色濾波片。顯然，在相同采集環(huán)境下，脈沖采集值越大，相對的脈寬采集值越小。

表1 數(shù)據(jù)采集值

由表1可知，在相同條件下，脈寬采集值擁有更多的信息量，對于黑白顏色的區(qū)分度更大。當(dāng)采集環(huán)境過暗、傳感器安裝離被測物體較遠或系統(tǒng)實時性要求較高時，脈寬采集法更具有一定的優(yōu)越性。因此，綜合考慮采集環(huán)境、傳感器安裝位置和糾偏控制精度等條件，糾偏控制系統(tǒng)的信號采集采用脈寬采集法。

在相同工況下，輸出頻率為100%，采用脈寬采集算法，不同濾波片下彩色采集值如表2所示。分析表2中數(shù)據(jù)得，若只使用無色濾波片則對相近的兩種顏色區(qū)分度很小，不利于控制，影響糾偏控制效果。根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，選擇對彩色背景具有最大區(qū)分度的濾波片，即可實現(xiàn)糾偏控制系統(tǒng)對卷材按顏色方式進行糾偏，解決了使用光電傳感器的一大弊端。

表2 不同濾波片下彩色采集值

2.2 數(shù)據(jù)處理

實際工業(yè)生產(chǎn)中，糾偏控制系統(tǒng)大都以黑白色作為基準(zhǔn)色，因此，實驗數(shù)據(jù)處理僅以卷材為黑白色且濾波片設(shè)置為無色濾波片進行分析。將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過MAX232電平轉(zhuǎn)換后，通過串口送至上位機，利用串口調(diào)試助手實時顯示采集數(shù)據(jù)。使用MATLAB工具箱對所采集到的數(shù)據(jù)進行繪圖［13］，圖6為傳感器在檢線1.2 mm黑線白底、誤差率為6 mm/s、卷材運行速度為4 m/s且執(zhí)行機構(gòu)速度為24 mm/s下所采集到的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采集頻率為200 Hz。從圖6中可清晰的看到，大部分數(shù)據(jù)能正確顯示外界變化趨勢，而有部分數(shù)據(jù)產(chǎn)生無周期較大跳變，這是由于一次采集脈寬值的時間非常短，同時也與采集環(huán)境的微小變化有關(guān)。偏差數(shù)據(jù)對整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響，因此必須選擇合適的數(shù)字濾波算法來剔除錯誤的采樣數(shù)據(jù)。

圖6 脈寬采集原始數(shù)據(jù)

所謂數(shù)字濾波，就是計算機中使用某種計算方法對輸入信號進行數(shù)字處理，以削弱或濾除干擾噪聲，從而獲得較為真實信號的過程。常用的數(shù)字濾波算法有:平均值濾波、中值濾波、限幅濾波和慣性濾波等。通過分析原始數(shù)據(jù)誤差的特點，選用慣性濾波法、去極值平均濾波法和中值濾波法這三種濾波算法進行比較［14－16］。

慣性濾波是模擬硬件RC低通濾波器的數(shù)字實現(xiàn)，硬件RC濾波器的傳遞函數(shù)為:

其中，Tf=RC為濾波器的濾波時間常數(shù)，將式(1)改寫成差分方程形式可得:

其中，a=T/(T+Tf)為截止頻率，T為采樣頻率。當(dāng)截止頻率低時，濾波波紋較小，但輸出滯后較大，對控制實時性不利；截止頻率高時，輸出滯后小，但濾波波紋較大亦對控制不利，因此根據(jù)實際測試經(jīng)驗選擇a=0.3。

對于一組原始采樣數(shù)據(jù)A=(X1，X2，…，XN)，去極值平均濾波算法表達式如式(3)所示:

中值濾波表達式如式(4)所示:

對于去極值平均濾波算法和中值濾波算法來說，確定一個合理的N值是至關(guān)重要的。通過大量的實驗測試，考慮控制實時性和數(shù)據(jù)真實準(zhǔn)確性，確定N=5。使用示波器實際觀測得到一次采集脈寬的時間僅為 50 μs，五次采集時間也僅 250 μs，遠遠小于脈沖采集法所需要的時間。如此短的采集時間，大大降低了引起控制滯后現(xiàn)象的可能性。經(jīng)這三種濾波算法處理后的數(shù)據(jù)曲線如圖7所示。

圖7 經(jīng)數(shù)字濾波處理后的數(shù)據(jù)

從圖7可以看出，使用慣性濾波算法的數(shù)據(jù)在低頻段失真較為嚴(yán)重，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)較大誤差數(shù)據(jù)時，去極值平均濾波算法也帶來了誤差。而經(jīng)中值濾波處理后，脈寬法所采集到的數(shù)據(jù)值基本沒有不符實際的跳變誤差。相對于其他一些會破壞數(shù)據(jù)真實性的濾波算法，中值濾波算法所得到的數(shù)據(jù)實時、有效，因此本文使用中值濾波算法。這種算法不僅可以很好的解決脈寬采集算法所帶來的數(shù)據(jù)誤差，還能夠在盡量短的時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理工作，有利于糾偏控制器的實時控制。

3 實驗

圖8 實驗平臺

整個系統(tǒng)實驗平臺如圖8所示，對TCS230顏色傳感器輸出信號進行脈寬采集，并對數(shù)據(jù)進行中值濾波，通過主控制器的控制，在誤差率為6 mm/s、卷材運行速度為4 m/s且執(zhí)行機構(gòu)速度為24 mm/s的條件下，檢線控制效果如圖9所示。經(jīng)實驗測試，檢邊或檢線的最高糾偏精度都能夠達到±0.05 mm。

圖9 控制效果對比

由于采集系統(tǒng)使用兩個傳感器，在波特率為19 200 Hz的條件下，向主控制器傳輸數(shù)據(jù)只需要1 ms，兩個傳感器的采集時間也僅為0.5 ms?？紤]到一些控制命令，系統(tǒng)響應(yīng)時間最快甚至可以達到2.5 ms，更短的系統(tǒng)響應(yīng)時間可以提高糾偏精度。同時，作為一款性能卓越的顏色傳感器，TCS230能夠精確的對顏色進行識別和檢測，通過實驗測試，對RGB三種濾波片的選擇，可實現(xiàn)對卷材按顏色方式進行糾偏。在控制算法上，可采用PD－模糊控制算法提高糾偏控制精度。

同時，通過在相同卷材對象和電機速度下對自行設(shè)計基于TCS230顏色傳感器的糾偏控制系統(tǒng)與日本三橋LPC全自動糾偏系統(tǒng)PW－650(使用光電傳感器)進行比較，糾偏控制對象無論是黑白色還是彩色，使用TCS230顏色傳感器控制效果更好。

4 總結(jié)

本文在構(gòu)建采集系統(tǒng)硬件平臺基礎(chǔ)上，分別實現(xiàn)了對TCS230顏色傳感器輸出信號的脈沖和脈寬采集，經(jīng)過實際測試比較選用更加適合且能夠滿足糾偏控制器高精度要求的脈寬采集法。通過軟件濾波解決脈寬采集法所引起的數(shù)據(jù)跳變問題，提高了控制效果。實驗結(jié)果顯示，檢邊和檢線的最高糾偏精度都能夠達到±0.05 mm。

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