（控制理论与控制工程专业论文）缠绕系统的张力智能控制研究及其应用.pdf

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i d 控制算 法在系统中的应用研究；且在缠绕系统上进行了算法的对比控制试验。另外，采用软 件技术，实现了缠绕系统中张力的柔性控制，能根据缠绕工艺要求，对整个缠绕过程 中张力进行分阶段、分区控制，且关键的柔性控制参数可在线设定。 然后，对张力智能控制系统在设计中的硬件工艺进行了阐述，包括在抗干扰上的 一些硬件工艺设计和张力控制器的外形设计。另外，从原理上对系统调试进行了研究， 给出了从试验到应用的的3 步调试策略，并对张力控制系统的现场调试和日常工作维 护进行了阐述。 最后，总结了本论文的主要工作，且结合现代智能仪器的特点和对张力控制技术 的进一步要求，从硬件、控制算法、网络仪器及智能化仪器等发展方向上，对下一步 的工作进行了展望和规划。 关键词：缠绕系统，张力控制，智能张力控制，p i d ，免疫p i d a bs t r a c t i ni n d u s t r yp r o c e s s ，t e n s i o nc o n t r o lt e c h n i q u ei sw i d e l ya p p l i e dt os a t i s f yt h e p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y i nt h i st h e s i s ，w ef o c u so nt h et e n s i o nc o n t r o li nt w i s t i n gs y s t e m s i n c et h ee x i s t i n gt e n s i o nc o n t r o lm e t h o d sh a v em a n yd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sl o wd y n a r n i e c o n t r o lp r e c i s i o n ，a n di n c o n v e n i e n ti n t e r f a c e 谢mt w i s t i n gs y s t e m ，i ti si m p o s s i b l et ob u i l d u pl l i g hp e r f o r m a n c et e n s i o nc o n t r o lf o rt w i s t i n gs y s t e m o nt h i ss i t u a t i o n , w eb r i n g f o r w a r dam i c r o c h i p - b a s e dt e n s i o nc o n t r o lt e c h n i q u e ，a n di m p l e m e n tt e n s i o ni n t e l l i g e n t c o n t r o li nt h et w i s t i n gs y s t e mo nt h ei n d u s t r ys p o t f i r s t l y , w em a k eas u r v e yo nt h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft e n s i o nc o n t r o lt e c h n i q u ei n t w i s t i n gs y s t e m ，a n da n a l y z ei t sf u n c t i o nr e q u i r e m e n t t h e n ，w ep r o p o s eas o l u t i o ns t r a t e g y f o rd y n a m i ct e n s i o nc o n t r o l ，a n dd e s i g ni t sh a r d w a r ef r a m e w o r k i na d d i t i o n , w es t u d yo n t h er e a l - t i m ep r o b l e mi ns o f t w a r es y s t e m ，a n dd e s i g ni t ss o f t w a r ef r a m e w o r k d u et ot w o w o r k i n gm o d ei nt w i s t i n gs y s t e m ，w ea n a l y z et h ed i f f i c u l t i e so ft e n s i o nc o n t r o lf o rt h e m ， r e s p e c t i v e l y s e c o n d l y , w ed i v i d et h ef r a m e w o r ki n t of r o n t - c h a n n e lm o d u l e ，b a c k - c h a n n e lm o d u l e ， a n do t h e rf u n c t i o nm o d u l ea c c o r d i n gt od i f f e r e n tf u n c t i o n s ，a n da c c o m p l i s ht h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r eo ft h e s em o d u l e sb yt h ew a yo fe l e c t r o n i ct e c h n i q u e ，m e a s u r e - c o n t r o l t e c h n i q u ea n dc o m p u t e rt e c h n i q u e t h i r d l y , w es t u d ya n dd e v e l o pad e b u g g i n gp l a t f o r mb a s e do ns e r i e sc o m m u n i c a t i o n i no r d e rt od e b u gc o n t r o la l g o r i t h mc o n v e n i e n t l y w en o to n l yi m p l e m e n tt h ed e s i g no fi t s h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，b u ta l s oi m p r o v eo r d i n a r ys e r i e sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 a ss u c k , w ec a na v o i dt h ed e a d w a i t i n gp r o b l e mi nc o m m u n i c a t i o nw h e nt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mh a s m a n y r e a l - t i m et a s k s n e x t , w es t u d ya n dd e v e l o pt h ec o n t r o la l g o r i t h m w ea c h i e v et e n s i o nc o n t r o lb ya n i m p r o v e dp i da l g o r i t h ms u c c e s s f u l l y , a n da l s od i s c u s st h ea p p l i c a t i o no fi m m u n ep i d a l g o r i t h mi nt e n s i o nc o n t r 0 1 i na d d i t i o n ，t h ei m m u n ep i da l g o r i t h mi sc o m p a r e d 而t 1 1t h e i m p r o v e dp i do n eo nt h es p o tt os h o wi t ss u p e r i o r i t y o nt h eo t h e rh a n d , w ea c h i e v e f l e x i b l et e n s i o nc o n t r o lb ys o f t w a r et e c h n i q u e t h a ti st os a y , i no r d e rt os a t i s f yt h e d e m a n d o ft w i s t i n gt e c h n o l o g y , a c c o r d i n gt od i f f e r e n tp h a s e sa n ds e c t i o n so ft w i s t i n gp r o c e s s ，w e i n t r o d u c ed i 彘r e n ts t r a t e g i e s m o r e o v e r , t h ek e yc o n t r o lp a r a m e t e r sf o r f l e x i b l ec o n t r o l c o u l db es e tu po nl i n e a f t e rt h a t 、) l ，ed i s c u s ss o m eh a r d w a r et e c h n o l o g yp r o b l e m s a b o u tt h ed e s i g no f i m e l l i g e n tt e n s i o nc o n t r o la p p a r a t u si no r d e rt oi m p r o v el i a b i l i t yo f t e n s i o nc o n t r o ls y s t e m i na d d i t i o n 、 忙s t u d yo nt h ed e b u g g i n go f t e n s i o nc o n t r o ls y s t e mf r o mp r i n c i p l ea s p e c t , a i l d0 b t a i na 也r e e 。s t e pd e b u g g i n gs t r a t e g yf r o md e s i g nt oa p p l i c a t i o n w ea l s oi l l u m i n a t e t h em e t h o d so fd e b u g g i n ga n dm a i n t a i n i n go n t h ei n d u s t r ys p o t f i n a l l y c o m b i n i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n t e l l i g e n ta p p a r a t u sa n d i t sd e v e l o p i n g i i lm em t i l r e ，w ec o l l c l u d eo u rw o r k , a n dm a k eap r o s p e c ta n d ap l a nf o rt h ef u r t h e rs t u d y o nt e c h n i q u e so fh a r d w a r e ，c o n t r o la l g o r i t h m ，n e t w o r ka p p a r a t u s ，a n di n t e l l i g e n ta p p 郴 s h i l i nl u ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o ry o n g s h e n gd i n g k e y w o r d s ：t w i s t i n gs y s t e m ，t e n s i o nc o n t r o l ，i n t e l l i g e n tt e n s i o nc o n t r o l ，p i d ，i i i l m 佃e p i d 目录 摘要i v a b s t r a c t v i i i 第1 章绪论。1 1 1 研究与开发张力控制系统的意义1 1 2 张力控制技术在国内外的现状1 1 3 论文的研究内容及创新3 1 4 论文的章节安排3 第2 章张力控制系统的功能分析与整体结构设计：5 2 1 引言5 2 2 功能分析。6 2 3 整体硬件结构设计7 2 4 整体软件结构设计与实时性保证9 2 4 1 整体软件结构设计9 2 4 2 实时性保证1 1 2 5 张力控制技术在系统中的要求和特点1 2 2 6 小结1 3 第3 章张力控制系统的硬软件设计。1 4 3 1 引言1 4 3 2 系统前项通道的设计1 4 3 2 1 前项通道的硬软件结构设计1 4 3 2 2 前项通道的硬软件实现1 5 3 3 系统后项通道的设计2 3 3 3 1 后项通道的硬软件结构设计2 3 3 3 2 后项通道的硬软件实现2 4 3 4 其它功能模块的设计2 8 3 4 1 显示模块的设计2 8 3 4 2 存储模块的设计2 9 3 4 3 数字量输入输出模块的设计3 2 3 5 小结3 9 第4 章张力控制系统调试平台的设计与开发4 0 4 1 引言4 0 4 2 平台的功能要求4 0 4 3 平台的硬件设计4 1 4 4 平台的软件设计4 1 4 4 1 下位机控制器的软件设计4 1 4 4 2 上位机的软件设计4 4 4 5 小结4 5 第5 章张力控制算法的研究与应用4 6 5 1 引言4 6 5 2 改进型p i d 控制方案的应用4 6 5 2 1p i d 算法4 6 5 2 2 改进型积分分离p i d 算法应用4 7 5 3 免疫p i d 控制方案的应用研究4 9 5 4 系统的柔性控制与参数设定5 2 5 5 小结5 4 第6 章张力控制系统的硬件工艺设计5 5 6 1 引言5 5 6 2 张力控制器在硬件上的工艺设计5 5 6 3 张力控制器的外形设计5 8 6 3 1 前面板5 8 6 3 2 后面板6 l 6 3 3 外形效果6 2 6 4 小结6 3 第7 章张力控制系统的调试与工作维护6 4 7 1 引言6 4 i x 7 2 系统的调试原理6 4 7 3 系统的现场调试与故障诊断6 7 7 3 1 现场调试6 7 7 3 2 故障诊断6 8 7 4 系统的工作维护6 8 7 5 小结6 9 第8 章结论与展望。7 0 8 1 结论7 0 8 2 展望7 1 参考文献7 3 致谢7 7 攻读硕士期间完成的项目和发表的论文7 8 缠绕系统的张力智能控制研究及其应用 第一章绪论 1 1 研究与开发张力控制系统的意义 在很多工业加工过程中，随着对工艺要求的提高，特别是下道工序设备对加工尺 寸精度的要求，以及为了节约材料，提高成品率等，越来越多地采用张力控制来改善 产品的质量。例如在一般的造纸厂、印刷厂、纺织漂染厂、食品厂等，当处理一些如 纸、薄片、线、布等长尺寸材料或产品时，都会使用到张力控制技术【1 1 。 在染整行业中，影响染整效果的主要是温度、车速( 反应时间) 和张力，目前对 温度和车速控制已基本解决，而张力还不能得到有效控制。虽然用到了松紧架，但只 能满足最基本的同步要求，还不能对布的张力起到控制作用，因而达不到最好的工艺 效果。 另外，我国在从事浆纱工艺与设备的研究开发中取得过多项重大成果，且在浆纱 张力控制方面进行过深入的研究，已具备开发浆纱机张力、伸长全自动控制系统的技 术基础。但国内无梭织造发展所需的关键配套设备浆纱机，与国外还存在着一定的 差距，主要体现在上浆控制及张力控制两个方面。 总之，因为张力控制的好坏直接关系到最终产品的质量，随着人们生活水平的提 高和对产品的要求越来越高，张力控制技术越来越受到人们的广泛关注。本论文就目 前使用非常广泛的缠绕系统中的张力控制问题进行研究，且在此基础上开发了张力智 能控制系统。该张力智能控制系统具有多种数据接口，可以方便地和多种外控设备进 行数据通信。 1 2 张力控制技术在国内外的现状 目前，国内外在张力闭环控制上主要有以下三种控制方式：手动、半自动和全自 动。手动张力控制是依收料或出料卷径的变化而分阶段调整离合器或制动器的激磁电 流，从而获得一致的张力。半自动张力控制器又称卷径检出式或开波式张力控制器， 缠绕系统的张力智能控制研究及其应用 是由收料及放料自动检出卷径，从而调整卷料的张力。全自动张力控制器是由张力检 测器来直接测定卷料的张力，然后把张力数据变成张力信号传给张力控制器，从而自 动调整离合器或制动器的激磁电流来控制卷料的张力。前两种都是检测到滚筒直径变 化的信号反馈给控制器，是一种间接测量张力的办法，故易受干扰，精度难以保证。 特别是那些采用老式松紧架来控制的张力系统，常常因为松紧架的摆动而引起较大的 张力波动。而后者是采用张力传感器，直接对张力进行检测、控制，实现同步运行。 在整个控制过程中大部分的控制都是电磁变化，受机械方面影响较小，具有较高的精 度。 在张力调节方面，主要有两种方案，一种是电机调速调节张力1 2 ，另一种是采用 磁粉离合器调节张力。电机调速调节张力是在缠绕的过程中，通过调节电机的转速来 间接地调节张力，此种调节方法受到的干扰较多( 如机械方面的干扰) ，导致张力调 节的精度不是很高，而且调速装置费用也较高。采用磁粉离合器调节张力是利用磁粉 离合器的扭矩随着激励它的电流的增大而增大，成近似线性关系。被缠绕的基材缠绕 在磁粉离合器上，在缠绕的过程中带着磁粉离合器一道转动，这样当激励磁粉离合器 的电流大时，它的扭矩也大，进而基材必然被绷紧，基材上的张力也就增大，反之亦 然，从而达到调节张力的目的。从硬件的实现上来说，采用磁粉离合器调节张力要比 采用电机调速调节张力简单一点，费用低一点，且精度还高一点。 在张力控制器的硬件开发上，既有采用电子电路搭建的控制模块( 如p i d 控制) ， 也有采用基于中央c p u 的数字采集控制系统。随着嵌入式系统的发展，特别是c p u 、 a d 和d a 芯片的发展，越来越多的采用基于中央c p u 的张力控制系统，这种控制 系统能方便地与上位机进行通讯，为张力的柔性控制提供了物质基础，也为张力控制 器走向智能化开辟了硬件上的道路。在张力控制器的软件开发上，采用汇编的较多， 但一些基于高档c p u 硬件系统的张力控制系统，则采用基于操作系统的编程方案。 在张力控制器的控制算法方面，目前基本上是采用p i d 控制算法。 国际上在张力控制领域做的较先进、同时在国内占有市场的主要是日本三菱电机 株式会提供的张力控制产品。例如，日本三菱电机的三菱张力控制器l d 1 0 0 w 型， 该产品是基于全自动控制方式的，也就是采用张力传感器直接测量物料的张力，然后 送至中央c p u 进行计算控制，控制信号以电流的形式激励磁粉离合器，以达到调控 张力的目的。 另外，为提高产品的工艺性能及可靠性，近年来在主传动及全机张力控制方面正 j 缠绕系统的张力智能控制研究及其应用 向机电一体化方向发展。国外最新的浆纱机都已配置精确的退绕张力自控装置，其中 分区经纱伸长控制是对传统的边轴传动的重大突破，引纱辊、浆槽、烘房、拖行辊都 由电机单独传动，电脑控制各单元问的传动关系，同时进行各分区的张力控制，做到 精确控制的目的，进一步提高产品的质量。 1 3 论文的研究内容及创新 论文是通过研究和开发一个具体的工程项目张力智能控制系统的实际需要 出发，对工业现场的缠绕系统和现有的张力控制系统进行了分析研究，根据缠绕系统 的特点，再结合现有张力控制系统优缺点和有关方面提出的要求，进行了张力智能 控制系统的设计与开发，包括硬件、软件和控制算法等。 论文对控制系统的抗干扰性方面作了深入的研究，采用硬件和软件相结合的技术 手段，来处理控制系统在抗干扰上的问题。在控制算法上，实现了改进型p i d 控制算 法的应用，还对免疫p i d 控制算法的应用进行探索性研究。另外，为了方便算法的调 试开发了基于串口通信的算法调试平台。最后，在工业现场的缠绕系统上进行了控制 系统的调试，最终实现张力的有效控制。 本论文有以下创新点： 1 ) 面向缠绕系统，系统地给出张力智能控制的设计原理和实现方法； 2 ) 在张力控制系统的开发过程中，通过硬件与软件的创新，使得在低级c p u 系 统上实现了多实时任务，降低了开发成本和开发周期； 3 ) 提出了免疫p i d 算法在张力控制系统中的应用研究。 1 4 论文的章节安排 论文描述了一种张力智能控制系统的设计和实现，尤其对该控制系统中的硬件设 计、软件设计和控制算法应用研究进行了全面的阐述。全文共分为八章： 第一章对论文的背景知识进行了介绍。给出了论文的工作内容及其组织安排。 第二章从工业现场中缠绕系统的张力控制实际情况出发，进行了张力控制系统 的功能分析，在此基础上进行张力控制系统的总体硬、软件结构设计。 缠绕系统的张力智能控制研究及其应用 第三章对总体的硬、软件结构进行功能模块的进一步细划，且进行了每个模块 的硬、软件设计。 第四章为了便于控制算法的调试，进行了算法调试平台的研究和开发，包括平 台的硬件和软件。 第五章进行了控制算法的研究和开发。针对缠绕系统中张力控制的难点和特点， 实现了改进型p i d 算法在控制系统中应用；另外，进行了免疫p i d 算法的应用研究， 且在工业现场进行了算法的对比控制试验。 第六章就智能张力控制系统中的硬件工艺设计进行了阐述，包括在抗干扰上的 一些硬件工艺设计和张力控制器的外形设计。 第七章对智能张力控制系统的调试进行了讨论，给出了该控制系统从开发到应 用的3 步调试策略，另外就现场的调试与维护也给出了具体的操作方法。 第八章对论文的工作内容进行了总结，并就一些新兴技术的采用和该控制系统 的进一步改进做出了展望和规划。 4 缠绕系统的张力智能控制研究及其应用 第2 章张力控制系统的功能分析与整体结构设计 2 1 引言 缠绕系统中的张力控制的现场情况如图2 1 所示。缠绕系统由工控机、缠绕装置 和交流伺服系统组成。张力控制系统由张力控制器、张力传感器和磁粉离合器组成， 其中张力控制器是论文研究和开发的重点。 张力设定和反馈信号 线材箱 图2 1 系统现场运行图 张力控制系统必须要和缠绕系统一起工作，才能进行张力控制，因为只有在缠绕 系统运行时，基材才有可能被拉紧，才具有可控性。两套系统协同工作的大致情况如 下：在缠绕过程中，基材走向的起点是线材箱，然后依次缠绕在转轮、一号磁粉离合 器、二号磁粉离合器、三号磁粉离合器和张力传感器上，最后才到达缠绕装置。缠绕 是由工控机来控制，在缠绕的整个过程中工控机可同时给出张力设定值和读取实时的 张力值。张力控制器接受到工控机的控制设定值后，通过采样张力传感器上的实时张 力值，由两者比较得到张力的误差，进行算法计算，计算的结果经d a 输出，再经 缠绕系统的张力智能控制研究及其应用 功率放大去激励磁粉离合器产生适合的阻力扭矩。由于基材在缠绕中是带着磁粉离合 器一起转动的，所以当激励磁粉离合器的电流增大时，阻力扭矩增大，基材必然被拉 紧，张力增大：反之，张力必然减小，从而达到能自动调节张力的目的。 在张力控制系统中采用3 个磁粉离合器作为调节部件，目的是增大可控的张力 值。因为1 个磁粉离合器的扭矩往往达不到设计要求，就是达到设计要求，也会因为 太大的扭矩而使基材在磁粉离合器的转轮上产生滑动，使控制的张力不稳。磁粉离合 器的3 路激励电流来自于同一控制信号，所以在动作上是一致的，在控制上可以看作 是一个磁粉离合器。 2 2 功能分析 根据实际需求，通过调研【3 吲，提出了张力控制系统的功能架构如图2 2 所示， 下面对它做一介绍。 控 由上 - - i b陋习 手控制值 位机刨 7 动 呻 一手动 功功执 输出 自动 塞室 行 自 + 制 - i b 自动 数字h 数字并口卜 动 逻辑 手动控 控制 分放部 值 设定 - d b 给 切换配大件 设 接1 2 1h 数字串口卜 运算 制信号 定 定 切 一由手动设定h 拨盘 卜 换 张力检测 控匍算 t 法运算 实时 一数字并口输出 拨盘 设定 外控设备开关信号输入i - 张力 一数字串口输出 打印 跟踪 时间 设定参数存储 l ， 输出 叫微型打印机卜间隔 图2 2 系统功能架构 从功能架构上可知，张力控制系统具有一般控制系统的统一特点，即由：前项通 道、后项通道和中央c p u 组成，但也有自己的特点。 张力控制系统具有两种设定控制值的方式，即手动设定方式和自动设定方式，手 动设定方式即通过拨盘来设定，自动设定即通过不断地采样工控机给定值来自动设 6 缠绕系统的张力智能控制研究及其应用 定，采用的接口方式可以有数字并口、数字串口或模拟接口。对模拟接口的采样，可 以和对传感器的采样一样，都放在控制系统的前项通道中一道完成。控制系统正常工 作时，一般都是在自动设定方式，实时地跟踪工控机的给定信号。 在后项通道部分，具有对张力进行手动和自动两种调节功能。自动调节：即系统 闭环时，控制量经d a 输出，最后到执行部件；手动调节：开环时，人为地加一个 控制量到执行部件上，以产生一定的张力。如果外界的扰动不大，手动调节方式也能 把张力稳定在一定范围内，但在缠绕的过程中，外界的干扰和缠绕设备本身的变化是 不可避免的，故这种调节方式稳定的张力精度不高。手动工作方式主要有两个用途， 一是在自动失效时，可以切换到手动调节方式工作；二是为系统调试带来方便。在调 试时，先把系统放在手动调节方式，调试好，再切换到自动调节方式工作，详细情况 见系统调试部分。 由于张力控制系统和缠绕系统之间需要协同工作，因此在两套系统之间就必须有 握手信号。通常张力控制系统在开启后就一直处于准备就绪状态，但它需要实时地知 道缠绕系统的工作状态，如：开动、停车、环向缠绕和螺旋缠绕等，以便它能对整个 缠绕过程的张力进行有效的控制。所以张力控制系统必须能够接受工控机的开关信 号，以便实时地进行处理，找出相应的控制对策对张力加以控制。 2 3 整体硬件结构设计 基于张力控制系统的现场使用情况和系统功能架构，提出了系统硬件的整体结构 如图2 3 所示。其硬件结构和一般的控制系统类似，都是基于中央c p u 、带a d 和 d a 的典型结构，但作为一个特定的控制系统，有它自己的特点。 在前项通道上，不但采样传感器上的张力信号，而且还要采样工控机的张力设定 信号( 模拟信号) ，因此用电子开关对这两路信号进行切换，再送至a d 转换；另外， 对工控机模拟信号的采样，考虑到干扰问题，采用线性光藕对它进行隔离。 在后项通道上，用电子开关切换自动控制信号和手动控制信号。自动控制信号即 为d a 输出信号，手动控制信号是用电位器对d a 的参考电压进行分压所得，这样 处理的好处是便于系统调试，因为d a 的最大输出信号就是它的参考电压。由于3 只磁粉离合器在缠绕系统上是装配在不同的部位，因此需要用3 只电位器对激励它们 7 缠绕系统的张力智能控制研究及其应用 的电流进行重新分配，这样有利于系统的稳定。另外，后项通道要驱动大电流部件， 因此在c p u 和d a 之间采用光藕进行隔离。 传感器 正负标志 信号至 c p u p c 机 图2 3 系统硬件结构图 8 缠绕系统的张力智能控制研究及其应用 2 4 整体软件结构设计与实时性保证 2 4 1 整体软件结构设计 张力控制系统的整体软件结构如图2 4 所示，主要包括：系统上电初始化、主循 环程序、定时器0 中断程序、定时器1 中断程序和串口中断程序，下面分别对这5 个部分做一介绍。 系统上电处始化 c t 0 中ll 采样、滤波、算 断程序li 法计算、输出 串口中li 与上位机进行数 断程序fi据通信 图2 4 系统软件结构图 1 ) 系统上电处始化 系统在上电时需要进行一系列的初始化，包括：c p u 的初始化，分配堆栈s p 地 址、定义定时器的工作方式，开启中断和工作初始化，如从e p 2 r o m 存储芯片中读 入系统设定好的工作参数等。 2 ) 系统的主循环程序 当经过系统上电初始化后，就进入主循环程序，而且一直在这部分程序中循环执 行，除非系统出现故障或有中断发生时才会暂停主程序的执行。 在主循环程序中有：按键扫描及处理、遥控扫描及处理、打印操作和看门狗复位 等。其中，遥控信号是指缠绕系统发送来的开关联络信号，张力控制系统需要对这类 9 缠绕系统的张力智能控制研究及其应用 信号进行采样、识别和实时处理。这类信号主要有：主控信号、换层信号、环向螺 旋信号等。 看门狗的复位程序之所以安排在主程序中，而不可以安排在其他中断程序中，是 因为张力控制系统中看门狗和i 2 c 存储功能共用1 块芯片c a t l l 6 1 ，而且i 2 c 的数据 线s d a 也是看门狗喂狗脉冲的输入线，而对存储器的读写操作是在键处理部分，也 就是说在主循环程序中，对看门狗的复位操作也只能在这部分程序中，否则，会造成 同时操作s d a 线，最终破坏存储器中的数据。 同样微型打印机的操作也只能安排在主循环程序中，因为打印机的操作需要等 待，而等待的时间决定了必须对看门狗进行复位操作。如上所述，也就不能安排在其 它的中断程序中。如果其它的中断程序需要打印操作，可以设定好打印标志，等返回 到主程序中再检测此标志来打印。 3 ) 定时器0 中断程序 这一部分程序主要是完成系统的控制作用。该中断程序的首尾是对一些地址、公 共寄存器和标志进行现场保护和恢复的操作，中间的程序主要是完成对张力传感器的 检测、数字滤波和控制计算，最后把本次计算值p 伍) 输出至d a 转换器。其中，数 字滤波用以滤除系统的干扰信号，采用的滤波方法是中值滤波和平均值滤波相结合的 数字滤波方法。之所以把控制部分的程序放在定时器0 的中断程序中，主要是因为设 定好它的溢出率，就能确定系统的采样和控制周期。 4 ) 定时器1 中断程序 定时器1 中断程序主要是用来进行动态扫描显示。利用定时器产生等时间间隔去 逐个点亮数码管，由于产生的时间间隔较均匀而且可调，动态显示的效果较好，基本 上和静态显示一样。另外，在这一部分程序中还安排了对拨盘的动态数据采集，在技 术上和动态显示类似。 5 ) 串口中断程序 串口中断程序主要是进行工控机和张力控制系统之间的数据通信，通信的数据包 括：工控机给定的控制设定值、工控机整定的控制参数和张力控制系统返回的张力测 l o 缠绕系统的张力智能控制研究及其应用 量值等。 2 4 2 实时性保证 众所周知，c p u 的运行速度是有一定限度的。而张力控制系统考虑到各种因素， 采用基于单片机的设计方案，c p u 的最高运行速度只有3 0 m ，而且张力控制系统的 实时任务又较多，如何利用有限速度的c p u 完成众多的实时任务，是有很多方面需 要考虑的 9 - 1 7 1 。 对于这个问题，可以从两个层次上去考虑，分别是优先级的划分和一个优先级内 部不同任务实时等级的划分1 8 】。前者是从大的方面考虑，按照功能的不同划分到具有 不同优先级的程序段中；而后者是对一个程序段中不同的任务的进一步细划分，根据 这些任务对实时性要求的缓急，分别分配不同的c p u 机时，尽可能保证重要任务得 到尽可能多的c p u 机时。 对于张力控制系统的4 个程序段之间的c p u 机时的分配，采用的原则是：主程 序、定时器l 中断程序和串口中断程序尽可能少地占用c p u 机时，最大地满足定时 器0 中断程序需要，因为系统最重要的控制功能由这个程序段完成的。4 个程序段在 c p u 中的优先级划分如图2 5 所示，越靠近圆心优先级越高。 定时器l 优先级最高，因为这部分程序主要是完成动态扫描显示的，必须安排在 最高优先级，否则显示会闪烁的。而且这部分程序量小，占用c p u 时间少而均匀， 所以当中断其它程序段时，对其它程序段的影响也很小。 定时器0 中断程序主要是完成控制功能，所以把它的优先级排在第2 位，仅次于 显示功能。这是由于系统最主要是完成控制功能的，而控制是有实时性要求的，因此 控制部分的程序必须排在高优先级。这样在系统运行时，控制部分的程序就不会被其 它部分的程序所中断。 串口中断在系统中负责数据通信，可以排在低优先级，这样它不影响其它重要的 高级中断。但由于它被其它高级中断频繁中断，会带来一些数据通信上的问题，必须 对通用的串口通信协议进行一些改进才能满足要求，关于这一点在第4 章中有较详细 的讨论。 处于最低优先级是主循环程序，主要处理一些对实时性要求不高的，而且对控制 性能影响不大的操作，因为这部分程序势必被多种中断程序频繁中断。 缠绕系统的张力智能控制研究及其应用 至于同一程序段内部不同实时任务的处理可以用c p u 机时饼来形象地表示，一 旦c p u 选定，c p u 机时饼的大小就确定，张力控制系统的c p u 机时饼如图2 6 所示。 图2 6 中，用实线分割好的4 个部分分别表示主程序占用的c p u 机时、定时器0 占 用的c p u 机时、定时器l 占用的c p u 机时和串口中断占用的c p u 机时；虚线表示 在一个程序段内部不同实时任务的进一步细分，同一程序段内部可以通过设定计数器 的方法来实现不同实时任务。 图2 5 软件优先级划分图图2 6 c p u 机时饼图 2 5 张力控制技术在系统中的要求和特点 缠绕系统有两种工作方式，a p ：环向缠绕和螺旋缠绕。在环向缠绕时，缠绕轴除 旋转外，只沿轴线向一个方向运动；而在螺旋缠绕时，缠绕轴除旋转外，还沿轴线在 两个方向来回振动。两种缠绕方式的具体情况如图2 7 所示。 离合器 收线弹簧 1 2 环向缠绕 轴线运动 - - - - - - - 斗 - - - - - - - 斗 螺旋缠绕 轴线运动 缠绕系统的张力智能控制研究及其应用 图2 7 两种缠绕方式 因此在环向缠绕时，系统的可控性较好；而在螺旋缠绕时，由于缠绕轴沿轴线方 向来回摆动，当缠绕轴沿轴线运动方向相反时，必然使基材在瞬间放松，这时就利用 弹簧及时地把基材拉紧，维持张力，对系统来说，就存在一个固定的扰动，工作不稳 定，可控性差。另外要求张力的控制范围为5 1 0 0 n ，环向控制精度为2 ，螺旋控 制精度为5 。 2 6 小结 本章通过研究缠绕系统与张力控制系统的实际工作状况，进行了张力控制系统的 功能分析，在此基础上运用电子技术和计算机技术，提出了张力控制系统的整体硬、 软件结构设计；另外，就软件结构设计的实时性进行了分析。最后从缠绕系统的两种 工作方式出发，就张力控制在缠绕系统中的特点和难点进行了分析和初步研究。以上 为更进一步的设计打下基础。 1 3 缠绕系统的张力智能控制研究及其应用 3 1 引言 第3 章张力控制系统的硬软件设计 经过张力控制系统的功能分析和整体硬、软件结构设计后，接下来的工作就是对 系统进行详细设计，包括控制系统硬件设计和软件设计。张力控制系统是基于微控制 器的测控系统，而该系统的在设计时，硬件和软件通常是紧密联系不便分开的。因此， 本章是按照功能模块的划分来对张力控制系统的详细设计进行阐述，功能模块可能是 既有硬件又有软件的模块，也可能是只有硬件或只有软件的功能模块。在阐述的线索 上是按照控制系统的信号流方向，即系统前项通道部分、系统后项通道部分和其它功 能模块部分。 3 2 系统前项通道的设计 3 2 1 前项通道的硬软件结构设计 张力控制系统主要有两路模拟信号需要采样，一路是对压力信号的采样，另外一 路是对上位机给定的张力值模拟信号的采样，整个采样电路的硬件框图如图3 1 所示。 压力传感器采用的是压敏电阻。压力信号由传感器桥路检测