基于H∞濾波的異纖光電信號檢測

姚俊紅

(德州學(xué)院 機(jī)電工程系， 山東 德州 253023)

基于H∞濾波的異纖光電信號檢測

姚俊紅

(德州學(xué)院 機(jī)電工程系， 山東 德州 253023)

針對紡織企業(yè)異纖難以檢測的問題，提出一種采用單個綠色調(diào)制光源、3個硅光電池規(guī)則排列檢測異纖和紗疵的方案。通過對硅光電池接收的反射和透射信號進(jìn)行對比，分析紗線顏色和直徑的變化，判斷紗線是否存在異纖和紗疵。同時建立了數(shù)學(xué)模型，基于H∞濾波方法采用MatLab軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果證明，該算法對紗線表面亮度信號檢測和紗線直徑信號檢測的信號突變更加敏感，并可跟蹤異色百分比的變化，所設(shè)計(jì)的異纖和紗疵檢測方案切實(shí)可行，H∞濾波算法可有效提高異色疵點(diǎn)和粗細(xì)節(jié)疵點(diǎn)的檢測精度。

H∞濾波； 異纖； 光電信號檢測； 數(shù)學(xué)模型； 仿真

光電傳感器可以對物體的形狀和顏色進(jìn)行檢測[1]，其在絡(luò)筒機(jī)上的紗疵和異纖檢測中得到了廣泛應(yīng)用。新型的電子清紗器如瑞士Uster生產(chǎn)的QUANTUM型、Loepfe 公司生產(chǎn)的Yarnmaster Spectra型、日本Keisokki公司生產(chǎn)的Tri Chord型等都采用了光電傳感器[2-3]。國內(nèi)電子清紗器局限于紗疵檢測，異纖檢測功能還沒有得到完全突破[4]，但仍有許多學(xué)者對異纖檢測方式進(jìn)行了相關(guān)研究，吳家碚等[5]提出采用雙光源配置解決扁平紗疵和捻度的影響問題，董曉亮等[6]提出由1路光源和2路光電接收器按一定的角度放置, 形成固定的光路檢測異色紗疵的設(shè)計(jì)思路，并給出了前置放大電路，盛國俊[7]等提出一種采用2個藍(lán)光LED和3路光電池的結(jié)構(gòu)方案，并采用改進(jìn)的最小熵濾波器，通過σ的調(diào)整來提高局部特征信號的提取能力，獲得了更好的各級異纖特征表達(dá)能力。

本文提出一種采用單個綠色調(diào)制光源、3個硅光電池檢測異纖和紗疵的方案，并基于H∞濾波方法，進(jìn)行仿真分析。

1 檢測方案

為了排除雜、散光的干擾，本文利用光調(diào)制技術(shù)[8]，考慮常見異纖色澤，選擇了綠色調(diào)制光源，如圖1所示。在紗線通道的正面安裝由綠色發(fā)光管和驅(qū)動電路構(gòu)成的綠色調(diào)制檢測光源，通道的背面和2個側(cè)面安裝3個硅光電池作為光電接收器。光源發(fā)出的光照在紗線上，通道背面的光電池接收透射的紗線信號，當(dāng)紗線存在粗細(xì)明顯變化的疵點(diǎn)時, 透射信號發(fā)生相應(yīng)的幅度變化,若超過預(yù)先設(shè)定的工藝標(biāo)準(zhǔn)，則判斷為粗細(xì)節(jié)紗疵。在理想狀況下，透射信號反映的只是紗線沿光束方向的直徑信息。

圖1 光電信號檢測方案Fig.1 Solution of optical signal detection

通道2個側(cè)面的硅光電池接收反射紗線的信號，反射信號中包含紗線的顏色(灰度) 信息和紗線的直徑信息。將反射信號中的直徑信息與透射信號的直徑信息進(jìn)行對比，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、鑒別和判斷，從而可以全方位地判斷紗線上是否存在粗細(xì)節(jié)紗疵。將2個側(cè)面的硅光電池產(chǎn)生的反射信號與背面的硅光電池得到的透射信號進(jìn)行對比，去除其中的直徑信息，可以得到單純的紗線顏色信息，將信號經(jīng)過放大等處理，就可以實(shí)現(xiàn)檢測異纖的目的。

2 系統(tǒng)建模

根據(jù)經(jīng)典故障檢測文獻(xiàn)[9],建立線性離散系統(tǒng)模型：

(1)

顯然，理想情況下di≡0，wi≡0，同時vi≡0，此時系統(tǒng)模型變?yōu)?/p>

(2)

由于異色疵點(diǎn)、粗節(jié)疵點(diǎn)、系統(tǒng)噪聲、外部擾動、建模誤差等不確定因素的影響，引入1個未知輸入向量di和2個噪聲向量wi和vi。

3 問題描述

考慮到di、wi和vi的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)特性很難通過實(shí)際測量得到，本文采用擅長處理不確定性系統(tǒng)的H∞濾波方法。

(3)

4 H∞光電信號檢測設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)[10-11]可將式(1)重新描述為

(4)

式中，若I∈Rn×n表示單位矩陣，則

(5)

若用zi表示待估計(jì)信號，則

zi=Lixi

(6)

式中Li=I。

采用格林空間線性估計(jì)理論[10-11]解決H∞光電信號檢測問題。根據(jù)文獻(xiàn) [11]中定理1，可給出如下引理。

圖3 異色疵點(diǎn)1情形Fig.3 Cases of color defect 1. (a) Yarn diameter signal；(b) Yarn surface brightness signal；(c) Leis percentage change

引理1：給定標(biāo)量r>0，如果[FiGi]行滿秩，僅當(dāng)下式成立時，滿足式(3)的H∞光電信號檢測器存在。

(7)

式中P0=∏0，Pj滿足如下的黎卡提方程

(8)

且

(9)

如果式(7)成立，則一個H∞光電信號檢測器可由下式給出

式中

(10)

且

(11)

5 仿真實(shí)驗(yàn)

信號處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。光源發(fā)出的調(diào)制光經(jīng)紗線透射或反射后，由硅光電池接收并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號；再由前置放大器和濾波器進(jìn)行信號調(diào)理，放大檢測信號，抑制噪聲，提高信噪比；最后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并送入微控制器進(jìn)行處理[12]。

圖2 信號處理框圖Fig.2 Flow chart of signal processing

由于式(1)等同式(4)，為簡單起見，用式(4)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。其中，矩陣Fi、Gi和Hi在式(5)中已給出，為常數(shù)矩陣；ui和vi假設(shè)為方差為1的白噪聲向量；系統(tǒng)測量輸出

而狀態(tài)信號

仿真部分采用美國Mathworks公司開發(fā)的MatLab軟件。利用引理1做仿真實(shí)驗(yàn)，分別在CJ14.5 tex筒紗上截取2段帶有異色疵點(diǎn)和1段帶有粗節(jié)疵點(diǎn)的采樣紗線信號進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用H∞濾波方法和不采用H∞濾波方法的對比結(jié)果如圖3～5所示(其中k為采樣時刻，T為采樣周期，仿真采樣周期為0.1 s)。

圖3、4分別針對2段帶異色疵點(diǎn)的紗線，對其采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢測，從圖可看出，無論是紗線直徑信號檢測，還是紗線表面亮度信號檢測，所設(shè)計(jì)的算法對信號突變更加敏感，同時還可跟蹤異色百分比圖5為針的變化，大大提高異色疵點(diǎn)的檢測精度。對1段帶有粗節(jié)疵點(diǎn)的紗線，對其采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測的結(jié)果。仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了算法的有效性，特別是檢測器增加了粗節(jié)疵點(diǎn)處的信號突變幅度，使對粗節(jié)疵點(diǎn)的檢測更加容易。

圖4 異色疵點(diǎn)2情形Fig.4 Cases of color defect 2. (a) Yarn diameter signal；(b) Yarn surface brightness signal；(c) Leis percentage change

圖5 粗節(jié)疵點(diǎn)情形Fig.5 Cases of slub defect. (a) Yarn diameter signal；(b) Yarn surface brightness signal

6 結(jié) 論

采用單個綠色調(diào)制光源、將3個硅光電池分別配置在紗線通道的背面和2個側(cè)面進(jìn)行檢測，獲得透射、反射信號，經(jīng)過信號處理，實(shí)現(xiàn)了異纖和粗細(xì)節(jié)紗疵的檢測。在建立數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，基于H∞濾波方法對信號又進(jìn)行了處理，并采用MatLab軟件進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論。

1)采用單個綠色調(diào)制光源、3個硅光電池進(jìn)行檢測異纖和紗疵的方案切實(shí)可行，為紗線質(zhì)量檢測提供了參考。

2)基于H∞濾波算法對紗線表面亮度信號檢測和紗線直徑信號檢測的信號突變更加敏感，使檢測精度更高。

FZXB

[1] 郭傳寶,劉峰,朱本宏.光電傳感器的應(yīng)用[J].中國井礦鹽,2011(1):29-30. GUO Chuanbao, LIU Feng, ZHU Benhong. The application of photoelectric sensors[J]. China Well and Rock Salt，2011(1):29-30.

[2] 劉榮清.電子清紗器的分類和選用[J].紡織器材, 2009(4):340-344. LIU Rongqing. The classification and selection of electronic yarn cleaner [J]. Textile Accessories, 2009(4):340-344.

[3] 吳冬鳳,楊建成.電子清紗器在全自動絡(luò)筒機(jī)上的應(yīng)用分析[J].毛紡科技, 2006(10):60-63. WU Dongfeng, YANG Jiancheng. Application and analysis of electronic yarn clearer on auto-winder [J].Wool Textile Journal, 2006(10):60-63.

[4] 呂志華.測試與質(zhì)量控制技術(shù)的全球趨勢[EB/OL]. [2009-01-02].http://www.adsalecta.com/Publicity/ePub/lang-simp/article-3321/asid-52/Article.aspx. Lü Zhihua. Global trends in testing and quality control technology [EB/OL]. [2009-01-02].http://www.adsalecta.com/Publicity/ePub/lang-simp/article-3321/asid-52/Article.aspx.

[5] 吳家碚,邱旭桃,李開貴.改進(jìn)紅外光電式清紗器性能的措施[J].激光與紅外,2007(8):735-737. WU Jiabei,QIU Xutao, LI Kaigui. Improving characteristics techniques of infrared detect for yarn cleaners[J].Laser & Infrared,2007(8):735-737.

[6] 董曉亮,李醒飛,楊光,等.紗線檢測中光電傳感器及其前置放大器設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2010(03):102-104. DONG Xiaoliang, LI Xingfei, YANG Guang, et al. Design of optoelectronic sensor and pre-amplifier in yarn detection[J].Transducer and Micro System Technologies,2010(3):102-104.

[7] 盛國俊,董永貴. 紗線質(zhì)量光電信號的消噪處理和異常檢測[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010(2):229-231. SHENG Guojun, DONG Yonggui. Signal denoising and anomaly detection in an optical yarn quality measurement system [J]. Journal Tsinghua University: Science & Techonlogy Eolition, 2010(2):229-231.

[8] 張榮鋒 鄧婷. LED光源的調(diào)制及光的接收與濾波電路的制作[J].科技資訊,2010(12):29-30. ZHANG Rongfeng, DENG Ting. Modulation of the LED light source and light reception & production of filter circuit[J]. Science & Technology Information, 2010(12):29-30.

[9] CHEN J, PATTON R J. Robust Model-Based Fault Diagnosis for Dynamic Systems [M]. Boston: Kluwer Academic Publishers, 1999：66-68.

[10] HASSIBI B, SAYED A H, KAILATH T. Linear estimation in Krein spaces:part:Ⅰ: theory [J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1996(1): 18-33.

[11] HASSIBI B, SAYED A H, KAILATH T. Linear estimation in Krein spaces:part Ⅱ: applications[J]. IEEE Transactions on Automatic Control,1996(1): 34-49.

[12] 高晉占.微弱信號檢測[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005:1-5. GAO Jinzhan. Weak Signal Detection [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2005:1-5.

Optical signal detection of foreign fibers based on H∞ filter

YAO Junhong

(MechatronicEngineerDepartment,DezhouUniversity,Dezhou,Shandong253023,China)

To solve the problem of the difficulty in detecting foreign fibers in textile enterprises, a technical solution was put forward, in which a single green modulated light and three silicon photocells regularly arrayed were adopted. It can detect foreign fibers and yarn faults by means of contrasting the reflection and transmission signals

by the silicon photocells and analyzing the color and diameter changes of yarn. A mathematical model was established, and the simulation experiment was made based on H∞ filter using software MatLab. The results proved that the algorithm is more sensitive to signal singularity of the surface brightness signal and the diameter signal of yarn, and can also track the color change on a percentage scale. It is further confirmed that the scheme of detecting foreign fibers and yarn faults is feasible, and the H∞ filter algorithm can effectively improve the detection precision of yarn faults such as color change and heavy and thin fiber.

H∞ filter; foreign fiber; optical signal detection; mathematical model; simulation

0253- 9721(2013)09- 0125- 05

2012-07-29

2013-05-09

山東省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2011YD07007);德州市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20080206)

姚俊紅(1968—)，女，副教授，碩士。主要研究方向?yàn)榧徔棛C(jī)械設(shè)計(jì)。E-mail:yaojunhong-wlx@163.com。

TP 271.4

A