基于DSP的織機(jī)送經(jīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胡玉汞

(三明職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 三明 365001 )

送經(jīng)系統(tǒng)是織機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié),直接關(guān)系到布面質(zhì)量。送經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)歷了機(jī)械式消極送經(jīng)和積極送經(jīng)階段,在近20年中,進(jìn)入到電子送經(jīng)時(shí)代。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步,送經(jīng)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)也經(jīng)歷了從變頻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、DC伺服電機(jī)到AC伺服電機(jī)的過程?，F(xiàn)代先進(jìn)織機(jī)多數(shù)都采用了以交流伺服電機(jī)作驅(qū)動(dòng)電機(jī),配以應(yīng)變片式張力傳感器經(jīng)紗張力信號(hào)采集系統(tǒng)的電子送經(jīng)裝置,具有響應(yīng)速度快、恒力矩、不失步和控制精度高的特點(diǎn)。隨著控制理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的提高,國外各大織機(jī)制造商采用的送經(jīng)系統(tǒng)控制方法也是日新月異。本文采用DSP為核心的送經(jīng)卷取控制器并配以AC伺服電機(jī)作為執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)系統(tǒng),然后對(duì)送經(jīng)進(jìn)行PID控制,較全面地分析了電子送經(jīng)控制系統(tǒng)的工作機(jī)理[1]。

1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)方案

系統(tǒng)采用高速的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)作主控制器。采用的核心算法為智能模糊PID算法。控制電機(jī)采用交流伺服電機(jī)，保證了控制的準(zhǔn)確性和快速性。系統(tǒng)在織機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)一周的不同時(shí)刻，實(shí)時(shí)檢測經(jīng)紗的張力和主軸運(yùn)動(dòng)位置，實(shí)時(shí)地控制交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，保證了各個(gè)織造周期張力的一致性，現(xiàn)就系統(tǒng)方案說明如下:

DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)采用了多總線的哈佛結(jié)構(gòu)和流水線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置了專用硬件乘法器以及專用的DSP命令，所以使DSP實(shí)現(xiàn)了高速運(yùn)算功能—在1個(gè)周期內(nèi)就能完成乘法運(yùn)算，這比通用微處理機(jī)快10～100倍。DSP是一種高速專用微處理器(MCU)，其運(yùn)算功能強(qiáng)大，能實(shí)現(xiàn)高速輸入和高速率傳輸數(shù)據(jù)，它專門處理以運(yùn)算為主不允許遲延的實(shí)時(shí)信號(hào)，高效進(jìn)行快速傅立葉變換運(yùn)算。它包含有靈活可變的I/O接口和片內(nèi)I/O管理，高速并行數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)化指令集。DSP的精度高、可靠性好，為電機(jī)控制提供高效可靠的平臺(tái)[2]。

目前，國內(nèi)推廣應(yīng)用最為廣泛的DSP器件是美國德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的TMS320系列。TMS320 LF2407 A控制器是為了滿足控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。通過把一個(gè)高性能的DSP內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外圍設(shè)備集成為一個(gè)芯片的方案，非常適合于工業(yè)控制領(lǐng)域。它的指令周期為40 ns，有高達(dá)32 K字的FLASH程序存貯器，高達(dá)1.5 K字的數(shù)據(jù)/程序RAM, 544字雙口RAM , 2 K字的單口RAM，兩個(gè)適合于電機(jī)控制的事件管理器模塊集成有10位A/D轉(zhuǎn)換器。所以控制系統(tǒng)選用TMS320 LF240 FA作為系統(tǒng)主控制器[2]。

傳統(tǒng)PID控制算法在設(shè)計(jì)PID控制器時(shí)，是依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)確定PID控制器的參數(shù)KP、KI、KD。在以后的使用過程中，或者保持參數(shù)不變，或者在外部條件發(fā)生重大變化時(shí)，重新手動(dòng)選擇參數(shù)?？棛C(jī)送經(jīng)控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性、時(shí)變和分布參數(shù)系統(tǒng)，這就要求PID參數(shù)能夠在線調(diào)整，以適應(yīng)改變了的模型。而常規(guī)PID控制不能滿足這一要求，因此在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵的問題就是PID參數(shù)的實(shí)時(shí)整定。在選擇控制器算法時(shí)，采用轉(zhuǎn)向定量和定性相結(jié)合的方法——模糊控制。在PID控制的基礎(chǔ)上采用模糊控制，發(fā)揮模糊控制靈活性、適應(yīng)性強(qiáng)和PID控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定出PID參數(shù)的調(diào)整規(guī)則，在線進(jìn)行模糊推理，分別調(diào)整PID的3個(gè)參數(shù)，解決控制系統(tǒng)中PID參數(shù)實(shí)時(shí)整定的問題?？刂浦胁捎梦恢每刂坪托∑钗⒘空{(diào)整控制方法?？刂品绞綖橄扔沙跏紶顟B(tài)自動(dòng)算出一個(gè)控制量，根據(jù)張力偏差通過智能模糊PID算法計(jì)算得出一個(gè)調(diào)整補(bǔ)償量，然后由這兩個(gè)量的代數(shù)和去控制交流伺服系統(tǒng)，所以控制精準(zhǔn)、平穩(wěn)，不會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)。

1.2 控制系統(tǒng)硬件組成及功能

控制系統(tǒng)硬件原理框圖見圖1。圖1中，系統(tǒng)主控制器為TMS320 LF2407 A，實(shí)時(shí)完成對(duì)各種輸入輸出數(shù)據(jù)的處理，以及模糊PID算法的運(yùn)算。

光電碼盤用來在程序執(zhí)行過程中的特定位置產(chǎn)生中斷以采樣張力信號(hào)。它的端口A、B、Z經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片74LVTH245 A轉(zhuǎn)換后，分別與TMS320 LF2407 A的QEPI , QEP2, CAP3相連得到主軸的轉(zhuǎn)速、角度、方向,為系統(tǒng)控制、停車位置、開車補(bǔ)償提供依據(jù),使送經(jīng)與卷取同步。74LVTH245 A完成碼盤5 V電平到3.3 V的轉(zhuǎn)換。TMS320 LF2407 A的事件管理模塊的計(jì)數(shù)器對(duì)碼盤脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖數(shù)與設(shè)定值相同時(shí)，產(chǎn)生中斷,對(duì)張力進(jìn)行采樣。

圖1 硬件原理框圖

系統(tǒng)由安裝在織機(jī)上的張力傳感器實(shí)時(shí)測得經(jīng)紗的張力。張力傳感器把張力轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào),該電壓信號(hào)經(jīng)模擬處理電路處理后,由DSP芯片的A/D模塊的ADCIN00通道接收。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，與設(shè)定值比較后，經(jīng)由智能模糊PID算法處理[3]。

外部數(shù)據(jù)RAM主要用來進(jìn)行外部仿真調(diào)試，掉電保護(hù)RAM主要用來存放掉電時(shí)系統(tǒng)的一些重要參數(shù)。

液晶模塊采用間接控制方式與TMS320 LF2407 A相連，用TMS320 LF2407 A的I/O端口控制，用軟件模擬操作時(shí)序。鍵盤設(shè)定分別由TMS320 LF2407 A的I/O端口控制，軟件結(jié)構(gòu)簡單，液晶和鍵盤相結(jié)合來完成經(jīng)紗張力和故障顯示、故障診斷、張力設(shè)定，自動(dòng)、手動(dòng)控制等功能。

系統(tǒng)所采用電機(jī)為交流伺服電機(jī)，采用位置控制模式，由TMS320 LF2407 A的PWM端口I/O端口分別控制交流伺服驅(qū)動(dòng)器的PULSE和SIGN，即由PWM發(fā)出相應(yīng)頻率和數(shù)量的脈沖控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)的位置，I/O端口控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

系統(tǒng)中，JTAG接口電路主要完成外部仿真調(diào)試和程序下載到FLASH中。

1.3 控制系統(tǒng)原理

傳統(tǒng)PID控制雖具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點(diǎn),但對(duì)于一個(gè)具有隨機(jī)干擾強(qiáng)、動(dòng)態(tài)時(shí)變的非線性經(jīng)紗張力系統(tǒng)來說,其魯棒性差,對(duì)于控制對(duì)象的模型參數(shù)過于依賴。經(jīng)紗張力控制采用自調(diào)整模糊PID控制方法,見圖2。

圖2 系統(tǒng)控制原理框圖

在一個(gè)機(jī)織周期里多個(gè)不同時(shí)刻通過張力傳感器實(shí)時(shí)地檢測經(jīng)紗的張力，與設(shè)定值進(jìn)行比較，再由主控制器DSP根據(jù)偏差通過智能模糊PID算法計(jì)算得出一控制量，實(shí)時(shí)地控制交流伺服系統(tǒng)。

首先,控制器求得張力誤差e與張力誤差變化率de/dt,并把它們當(dāng)作模糊控制器的輸入;其次,對(duì)e與de/dt進(jìn)行模糊化求得模糊量E、EC,根據(jù)E、EC分別查詢存儲(chǔ)在FLASH中的二維模糊控制表(E和EC與ΔKp、ΔKi、ΔKd)獲得ΔKp、ΔKi、ΔKd;最后,根據(jù)PID參數(shù)修整式(1),確定參數(shù)Kp、Ki、Kd,應(yīng)用增益PID控制伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速。

根據(jù)張力系統(tǒng)控制特性,二維模糊控制表的設(shè)計(jì)遵照以下原則:

(1)在控制初期,誤差e最大,為盡快減少誤差,ΔKp適當(dāng)小、ΔKi較大、ΔKd較大。

(2)在控制中期,為提高響應(yīng)速度并保持張力穩(wěn)定,漸漸增大ΔKp和ΔKi，ΔKd在中等偏小位置。

(3)在控制后期,為提高張力控制精度,并具有良好的穩(wěn)定性和降低調(diào)節(jié)時(shí)間,ΔKp逐漸減少、ΔKi加大、ΔKd減少。

參數(shù)修整公式:

(1)

式中Kp0、Ki0、Kd0—PID的比例、積分、微分初始化參數(shù);Kp、Ki、Kd—PID的比例、積分、微分在線參數(shù);a、b、c—調(diào)整系數(shù);ΔKp、ΔKi、ΔKd—PID在線修正參數(shù)。

增益PID控制算法:

ΔP(k)=P(k)-P(k-1)=

式中ΔP(k)—兩次的輸出值差;P(k)—第k次輸出量;P(k-1)—第k-1次輸出量;ek—第k次采樣所獲得的偏差數(shù);Δek—第k次采樣和第k-1次采樣值偏差之差;Δek-1—第k-1次采樣和第k-2次采樣值偏差之差。

1.4 軟件構(gòu)成

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案見圖3。

系統(tǒng)管理程序——負(fù)責(zé)對(duì)所有子程序模塊的管理。

人機(jī)交換接口程序——負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整，以及故障診斷的顯示和查詢。

開停機(jī)處理程序——負(fù)責(zé)開停機(jī)時(shí)對(duì)一些參數(shù)的處理和優(yōu)化補(bǔ)償。

模糊算法——負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)PID參數(shù)的在線模糊整定。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

PID算法——負(fù)責(zé)用PID算法計(jì)算出輸出量控制電機(jī)。

故障診斷保護(hù)程序——負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)故障的診斷和保護(hù)。

掉電數(shù)據(jù)保護(hù)程序——負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)掉電時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的保護(hù)以及再次操作時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的恢復(fù)。

系統(tǒng)總程序框圖見圖4，碼盤中斷程序框圖見圖5。

圖4 系統(tǒng)總程序框圖

圖5 碼盤中斷程序框圖

2 結(jié)束語

由于系統(tǒng)采用了以DSP為核心的送經(jīng)卷取控制器并配以伺服電機(jī)作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、響應(yīng)快，并具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，各個(gè)織造周期張力的一致性好，且送經(jīng)量精確、控制平穩(wěn)，能滿足高檔織機(jī)的送經(jīng)要求。

參考文獻(xiàn)：

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