（机械制造及其自动化专业论文）基于dsp的剑杆织机电子送经和电子卷取控制系统.pdf

上海大学硕士研究生学位论文 摘要 剑杆织机作为一种适应性最强的无梭织机，目前被大规模广泛使用，发展趋 势为高速化、智能化、高可靠性和多用性。送经和卷取机构作为基本的织机运动 机构部分，也是剑杆织机五大机构中的关键部分，所以提高和改善剑杆织机的送 经和卷取控制系统性能以适应织机的发展趋势非常必要。 本论文首先在分析国内外送经和卷取系统的发展情况以及送经和卷取运动 的工作机理和特点的基础上，比较选用了优良的硬件方案( 如采用d s p ) 和软件 算法方案( 如采用模糊p i d 算法) ，设计出性能优良，符合国内外发展趋势的电子 送经和电子卷取控制系统总体结构。 根据确定的系统方案和实现系统功能所需要的硬件资源，设计出了以 d s p ( 数字信号处理器) 为主控制器的主控制板，以c y p r e s s 公司p s o c 片上系 统作控制器的通用人机接1 2 终端，以及由张力环和伺服系统位置环构成的二重闭 环负反馈伺服系统，根据控制要求和实际情况选取了张力传感器和交流伺服驱动 系统和编码器等。 经纱张力控制是织机送经和卷取系统的重要功能之一。经纱张力系统是一个 非线性、时变的系统，针对这一特点，采用模糊p i d 算法进行伺服控制。具体 在织造过程中，由张力传感器实时测得经纱的张力，与设定值比较得到一偏差， 系统根据这一偏差和计算得到的偏差变化率，由模糊算法实时、在线整定p i d 控制器的参数，、蜀和世。，然后由p i d 算法算出系统的控制量。模糊p i d 算 法将模糊控制和p i d 控制两者有机地结合起来，解决了经纱张力控制的难点， 从而满足了织造中经纱张力保持恒定等控制要求。 本论文开发系统的软件编写采用模块化和中断结构。程序模块主要有系统管 理程序，人机界面交互接1 2 程序，开停机处理程序，模糊算法程序，p i d 算法程 序，故障诊断保护程序和串口通信程序等。程序结构清晰，实时性好。软件中对 一些重要数据进行滤波处理，以增强抗干扰能力。 开车痕的消除和减少情况直接关系到织机的档次，而其消除和减少关键取决 于织机送经和卷取控制系统的性能。电子送经和电子卷取控制系统更有利于解决 这一问题。本论文综合探讨分析了开车痕的产生原因，并给出了相应的几种实用 解决方法。 关键词：d s p ( 数字信号处理器) ，电子送经，电子卷取，模糊p i d ，张力控制 上海大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t t h er a p i e rl o o mh a st h es t r o n g e s ta d a p t a b i l i t yi ns h u t t l e l e s sl o o m sa n dm a n y c u s t o m e r s t h er a p i e rl o o m sd e v e l o p m e n t a lt e n d e n c yi s r a p i d e r , m o r ei n t e l l i g e n t ， m o r er e l i a b l ea n ds u i t a b l et oc o n s u m e r s l e t o f fa n dt a k e - u ps y s t e mi sr u d i m e n t a r y p a r to ft h el o o m ，a n di st h ek e yp a r to f f i v ep a r t so fl o o m t h e r e f o r e ，i m p r o v i n g p e r f o r m a n c eo fl e t o f f a n dt a k e u pc o n t r o l s y s t e mo fr a p i e r l o o mt o a d a p tt h i s d e v e l o p m e n t a lt e n d e n c y o fl o o mi sv e r yi m p o r t a n ta n d n e c e s s a r y d e v e l o p m e n to f l e t - o f fa n dt a k e u ps y s t e ma n dm e c h a n i c sa n dc h a r a c t e r i s t i co f l e t - o f f a n dt a k e u pm o t i o na r ef i r s tp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n g o o dc o n t r o ls c h e m e o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea l g o r i t h mo fs y s t e mi s a d o p t e db yc o m p a r i n g g r o s s s t r u c t u r eo fa d v a n c e de l e c t r o n i cl e t - o f fs y s t e ma n de l e c t r o n i ct a k e - u pc o n t r o ls y s t e m i sa d o p t e d a c c o r d i n g t oa d o p t e ds c h e m eo f s y s t e ma n dn e c e s s a r yh a r d w a r eo fs y s t e m ，m a i n c o n t r o lb o a r db a s e do nd s p , a n i v e r s a lm a l l m a c h i n ei n t e r f a c et e r r a i n a lb a s e do np s o c m c um a n u f a c t u r e di nc y p r e s sc o m p a n y , d o u b l en e g a t i v ef e e d b a c ks e r v oc o n t r o l s y s t e mc o n s t i t u t e db yt e n s i o nl o o pa n dp o s i t i o nl o o p a r ed e s i g n e d ，a n de n c o d e r , t e n s i o ns e n s o ra n da cs e r v os y s t e me t c a r ea l s os e l e c t e d i ti sn e c e s s a r yf o rl e t - o f fa n dt a k e - u ps y s t e mt oc o n t r o lt e n s i o n o fw a r p t e n s i o no f w a r ps y s t e mi st i m e - v a r i a n ta n dn o n l i n e a r a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co f t e n s i o no f w a r ps y s t e m ，f u z z y - p i dm g o f i t h mi sa d o p t e d d u r i n gt h ec o u r s eo fm a n u f a c t u r i n g ， t h ec o n t r o ls y s t e mg e t st h er e a l - t i m et e n s i o nb ys e n s o ra n dd e v i a t i o nb yc o m p a r i n gt o g i v e dv a l u e a c c o r d i n g t od e v i a t i o na n dv a r i e t yo fd e v i a t i o n ，f u z z yc o n t r o l l e rt u n e s p a r a m e t e ro fp i dc o n t r o l l e rs u c ha sp a r a m e t e ro f k p ，k ，a n dk d o nl i n e ，t h e np i d c o n t r o l l e rc a l c u l a t e sc o n t r o l l e dq u a n t i t y c o n t r o ld i f f i c u l t y i s s e t t l e d t h e r e f o r e ， c o n t r o lr e q u e s to f t e n s i o no f w a r ps u c ha sk e e p i n gt e n s i o ns t a t i o n a r yi sr e a l i z e d m o d u l a r i z e da n di n t e r r u p ts t r u c t u r e a r e a d o p t e di np r o g r a m m i n g t h e r e a r e s y s t e ma d m i n i s t r a t i v ep r o g r a m ，m a r l m a c h i n ei n t e r f a c ep r o g r a m ，s t a r t i n ga n d t u r n i n g o f fl o o mm a n a g i n gp r o g r a m ，f u z z ya l g o r i t h mp r o g r a m ，p i da l g o r i t h mp r o g r a m ，f a u l t d i a g n o s i s a n dp r o t e c t i o n p r o g r a m a n dc o m m u n i c a t i o np r o g r a me t c p r o g r a mh a s d i s t i n c ts t r u c t u r ea n dg o o dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e t h e r ei ss p e c i a lp r o g r a mt o f i l t e r s o m ei m p o r t a n td a t a r e s u l to f r e d u c i n ga n de l i m i n a t i n gs t a r tm a r k i si m p o r t a n tt ol o o m p e r f o r m a n c eo f l e t o f fa n dt a k e u pc o n t r o ls y s t e mi sp i v o t a l f o rs e t t l i n gt h i sp r o b l e m i ti se a s i e r t o i i 上海大学硕士研究生学位论文 d oi tf o re l e c t r o n i cl e t o f fs y s t e ma n de l e c t r o n i ct a k e u pc o n t r o ls y s t e m o nt h eb a s e o ff o r m e rr e s e a r c h ，t h ea u t h o rg e n e r a l i z e dc a u s eo fi ta n dp u tf o r w a r ds o m es e t t l i n g w a y k e y w o r d s ：d s p ( d i g t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，e l e c t r o n i cl e t o f f ，e l e c t r o n i ct a k e u p ， f u z z y - p i d ，t e n s i o nc o n t r o l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：醚导师签名：巫拯日期： l 印3 f o 上海大学硕士研究生学位论文 1 1剑杆织机的发展 第一章绪论 织机的种类繁多，按不同的特征可分为不同的种类。如按引纬方式可分为 有梭织机和无梭织机两种。有梭织机即为有梭子引纬的常规织机，无梭织机包括 喷气织机、喷水织机、剑杆织机、片梭织机等。所以剑杆织机是按引纬方式来分 的，属于无梭织机。早在1 5 0 年前，有梭织机逐步代替手工织布，那时有梭织机 比手工织布的产量高一倍。1 8 4 4 年开始出现无梭织机，剑杆织机则发明于1 8 7 0 年，1 8 7 4 年剑杆织机开始商品化，但实际上战后5 0 年代至6 0 年代才真正实现 剑杆织机的商品化生产，并逐步取得显著进步。经过近半个世纪的发展，目前剑 杆织机引纬率达到1 5 0 0 m m i n 以上，转速可达5 0 0 r m i n 以上。 剑杆织机在国内纺织行业正在推广，其应用范围之广、数量之多是其它类型 的无梭织机不能相比的，而且近几年来其数量的增加远远大于其它无梭织机。这 主要是因为剑杆织机能更灵活地适应市场的变化与发展。现代纺织品要求使用更 好的原料，达到更高的质量，有更多的花色品种，更小的批量等，这些都是其它 一些无梭织机所不能解决的，而剑杆织机在这方面有着更大的优势。 剑杆织机的结构主要包括下面五大部分： 开口机构：按织物的要求，将经纱上下分开，形成梭口； 引纬机构：用梭子或载纬器将纬纱引入梭口； 卷取机构：将织物引离织口，由卷布辊卷到织物轴上； 打纬机构：将引入梭口的纬纱推向织口； 送经机构：从织轴上均匀地送出经纱，以满足交织的需要； 剑杆织机的发展方向，其实都是围绕如何提高和改善这五大运动机构的性能 展开的，它们之间相互影响，也相互促进。从当前各国开发的新型剑杆织机分析， 其趋势可归纳如下： 高产优质：提高劳动生产率、降低生产成本。 扩大品种适应性：提高翻改花色品种能力，小批量多品种，适应市场需 求变化。 广泛采用自控技术：用于收集、储存、显示生产数据、控制生产过程、 监测生产质量和提高自动化程度。适应工厂现代化管理，降低劳动强度， 减少人为因素的生产误差。 送经和卷取机构作为通用性的织机运动机构部分，而且是剑杆织机五大机构 上海大学硕士研究生学位论文 中的关键部分，提高其控制系统性能，对提高织机的织造速度和运转效率，以及 改善织物质量，都具有重要意义1 1 小”。 1 2 送经和卷取系统简介 织物是由两组相互垂直的纱线交织而成的，沿织物级向排列的纱线叫经纱， 沿织物横向向排列的纱线叫纬纱。在织造过程中，织机为保证织造生产的连续进 行，就必须要不断地送出经纱与纬纱进行交织而形成织物，织物形成后，必须不 断地将这些织物引离织口，由卷布辊转动带动织物，最终将织物卷在织物轴上。 以上完成经纱放出和织物卷取的机构分别称为送经机构和卷取机构。所以织机必 须要装有合适的送经控制系统和卷取控制系统，在织布过程中才能控制好经纱和 纬纱的运动，从而织出符合要求的布。送经和卷取系统的结构简图如图1 1 所示， 主要由织轴、后梁、张紧装置和卷布辊等部分组成。 图1 1 送经和卷取系统的结构简圈 送经机构的作用，是根据织物的纬密大小，在织造过程中及时送出定量的一 定张力的经纱，以维持织造生产的连续进行。送经时，织轴转动放出经纱，织轴 从满轴到空轴的全过程中，送经机构都应能够根据纬密送出相应量的经纱，以保 证张力稳定获得纬密均匀和布面平整的织物，其送经量的调节，不仅要灵敏度 高，调节范围大，而且最好能无级调节。能否在织造过程中使经纱保持均衡一致 的经纱张力，是衡量送经机构性能的主要标志。织机的送经机构一般可分为三部 分：即经纱张力检测部分、测量信号处理和调节部分和经纱放出部分。送经机构 控制原理简图如图1 2 所示。 图1 2 送经机构控制原理简图 上海大学硕士研究生学位论文 织机的卷取机构在织造过程中与送经机构协同工作，保证实时、定长地将形 成的织物引离织1 3 ，以获得织布工艺规定的纬密。其运动过程应保持卷取量准确、 恒定，纬密调节快捷简便，最好纬密能无级调节和根据需要有织造过程中可变的 功能。 1 3 送经和卷取系统的类型及特点 历史上出现过多种形式的送经和卷取系统，了解这些不同种类的送经和卷取 系统的结构和控制方式，有助于取长补短，得出最优的结构和控制方式。送经和 卷取系统主要有根据机构工作特点和驱动方式两种分类，下面分别予以介绍一 下。 一按工作特点来分 为了寻求一个比较理想的、性能良好的送经机构，在织造生产的历史发展中， 出现过许多不同结构形式的送经机构，以至送经机构的种类是织机各机构中最复 杂的。从简单重锤加压制动、用经纱直接拖动织机轴送经的形式到具有自动调节 控制系统的送经形式，种类不下数十种。这种分类送经和卷取系统是各自分类的， 主要分为积极式和消极式结构两类。若按经纱的送出特点来分类，则各种送经机 构可归纳为下面几种类型。 1 消极式送经机构；在这种机构中，经纱从织轴上退绕是靠经纱的牵引， 而不是靠送经机构的推进。在主轴一回转的过程内，经纱张力随着开口、打纬、 卷取等运动周期性变化，当经纱张力作用与织轴上的拖动力矩超过施与织轴上的 制动力矩和轴筒上的摩擦阻力矩时，就会牵引织轴做微量转动，放出相应长度的 经纱。为了保证织造过程中所需的张力，对织轴要加以适当的制动力，而且制动 力应随着织轴上经纱卷取直径的减少相应减少。调节制动力的方式有两种：一种 是人工调节，一种是自动调节。因此，消极式送经机构又可分为人工调节和自动 调节两种形式。 2 积极式送经机构：在这种机构中，经纱送出不是靠经纱张力而是靠织机 的某一运动部分积极的传动织轴，送出经纱。在积极式送经机构中，经纱所受的 张力和变形要比消极式送经小。按照织轴运动性质的不同，积极式送经机构、又 可分为连续式和间歇式两种。 3 半积极半消极式送经机构：在这种机构中，织轴作强制回转送出经纱， 但送出长度是根据经纱张力的大小，通过经纱张力调节机构来控制。一般采用活 动后梁作为经纱张力大小的传感器，它的位置随经纱张力的变化而变化，并将这 一变量传递给送经机构，使织轴送出的经纱长度做相应的变化。当经纱张力大时， 调节机构使织轴送出经纱量增大：当经纱张力小时，调节机构使织轴送出经纱量 上海大学硕士研究生学位论文 减小，这样，可使经纱张力基本保持不变，有利于织机效率和产品质量的提高。 经纱张力调节机构的动作必须灵敏而准确，每次调节后织轴送出的经纱长度应能 满足织造的需要，保持经纱张力的稳定而且要有比较大的调速范围，以适应织造 多品种的需要。半积极半消极式送经机构按照调节功能的不同，可分为以下两种： a 单调节的半积极半消极式送经机构：不论是经纱张力的偶然变化或织轴 直径减小而引起的张力变化，均有经纱张力调节机构来控制。 b 双调节半积极半消极式送经机构：由张力调节机构来控制经纱张力的偶 然变化，由织轴直径检测机构控制织轴直径逐渐减小时引起的张力变化f 4 】。 卷取机构相对送经机构来说较为简单，它主要由纬密来确定卷取量的大小， 一般织机的卷取机构按其工作特点也可分为以下两类。 1 消极式卷取机构：消极式卷取机构是利用打纬瞬时经纱张力和卷取机构对 织物的拉力的差异卷取织物的。打纬时，筘对纬纱和织口的压力愈大时，织物的 张力愈小，织物的卷取量愈大。当织进的纬纱较粗时，织口所受压力就比较大， 卷取的织物就长些；若纬纱较细，卷取的织物就短些。当制织纬密小的织物时， 若纬纱和织口所受的压力不能满足上述条件时，卷取便不可能发生。因此，消极 式卷取机构只适用于在制织纬密较大的厚重织物。 2 积极式卷取机构：积极式卷取机构是由织机积极传动的，卷取量可以根 据工艺设计的纬密进行调节，而与打纬时筘对织1 3 和纬纱的压力无关。因此，可 以根据需要制织不同纬密的织物。积极式卷取机构分为间隙卷取机构及连续式卷 取机构两种。积极连续式卷取机构能在织机的整个工作周期中连续不断地卷取织 物，具有卷取运动平稳、机件磨损小、能适应织机高速运转要求的优点【6 】。 二按机构的驱动方式来分 按照送经和卷取系统的驱动方式来分，是把送经和卷取作为一个整体来分 的，这也是一种目前常用的一种分类。这种分类可分为以下三种。 1 机械送经和机械卷取系统：即通过一系列的机械结构( 杠杆，齿轮，弹 簧，皮带等) 进行经纱张力检测和张力自动调节，并由织机主轴带动织轴和卷布 辊协同运动，从而控制送经量和卷取量。实践表明，机械送经系统使得织机结构 复杂，滞后严重，柔性差，精度不高，不能够随时调整工艺参数，而且随着织机 高强度的工作造成一些机构磨损，易使精度降低，尤其是不能满足中高档织机的 速度要求。机械卷取系统不能满足无级调整需要，并且更改纬密时必须调换齿轮， 生产管理不便，且机构复杂，织机高速运转时，动态响应大。所以机械送经和卷 取控制系统无法满足新型剑杆织机的高速度、高质量、控制方便、可靠性好的要 求。 2 电子送经和电子卷取系统：在电子送经系统中，织轴的转动由送经执行 部分的送经电机单独传动控制，它受送经量控制部分的控制，送经量控制部分是 4 上海大学硕士研究生学位论文 根据纬密设定值和经纱张力检测的结果由计算机算出控制量并转换成相应的控 制信号，经驱动电路放大去驱动送经电动机进行控制的。通过对送经电机的转速 和转向的控制，送出所需的经纱并维持设定的经纱张力。卷取也是通过计算机根 据纬序( 变纬密时跟纬序也有关) 和纬密值计算出卷取量，并转换成相应的控制 信号，经驱动电路放大去驱动卷取电动机。卷取运动由卷取电机单独控制而不由 主电机协同控制，可容易实现纬密的更改操作。电子送经和电子卷取作为一个系 统同时开发，则可更好地消除稀密路，并织特定的变纬密等产品。 3 电子送经和机械卷取系统：即织轴的转动由送经执行部分的送经电机单 独传动控制，卷布辊由主轴带动协同运动。因为是机械卷取，送经和卷取运动有 时很难互相配合好，且卷取运动不能实现按要求的定量卷取，所以消除稀密路方 面有所欠缺，特别在高速情况下，布面质量难已保证。 从以上分析可知，属于半积极半消极式送经机构的电子送经和电子卷取系统 由于具有较多的优点，是当前送经和卷取系统的发展方向。 1 4 国内外现状 经过多年的发展，如按机构的工作特点分，国内外剑杆织机现有的送经和卷 取系统现主要是半积极和半消极式的，当然有些场合也存在消极式的。如按机构 的驱动方式来分，国内大部分剑杆织机的送经和卷取主要为机械送经和机械卷 取，小部分为电子送经和电子卷取，还有小部分就是电子送经和机械卷取，其中 电子送经和电子卷取系统进口的居多数。 国内大概在9 0 年代中后期展开了电子送经和电子卷取控制系统的应用研究， 但研制的产品在运行稳定性，高速化，批量商品化等方面还有所欠缺，没取得大 规模应用，基本还处于样机开发使用或小范围的使用阶段。国内自己研制的早期 电子送经和电子卷取控制系统一般都是采用p l c 或单片机作为主控制器，电机 采用力矩电机或步进电机，近来也有采用高档p l c 或工业计算机作为主控制器 来进行闭环控制的电子送经和电子卷取控制系统。 国外目前已经有比较成熟的电子送经和电子卷取控制系统。如日本的丰田， 滓田驹，德国的百格拉，意大利的舒美特等公司。它们的产品占据着我们高档织 机的大部分市场。但对中国的用户来讲，存在有价格昂贵、操作复杂和维修麻烦 等一系列问题。总的来说，我国由于起步晚，投入人力和财力有限，适用于高档 织机的电子送经和电子卷取控制系统技术离国外的先进技术还有一定差距。 1 5 研究内容 “基于d s p 的剑杆织机电子送经和电子卷取控制系统”是受中外合资无锡 上海大学硕士研究生学位论文 龙力机械有限公司委托开发的。系统的研制内容，主要包括控制系统的主控硬件 电路、人机接口终端电路和外围接口等电路的设计，以及系统控制算法和相关软 件设计。 本文所要研究的电子送经系统由经纱张力信号采集系统、信号处理和控制系 统、织轴驱动装置三部分组成。在纺织过程中，经纱张力通过传感器将信号送给 d s p 主控制器，d s p 主控制器经过处理和计算，根据张力等信号控制电机的转 速与转向，使经纱张力始终被稳定在设定的张力值，张力参数可通过人机接口终 端进行预调在停机时经纱能够放松，重新起动时，能立即恢复到预调的张力值， 并有相应的开车痕补偿参数供用户设定。 电子卷取系统由微处理器控制其纬密的大小，可在织造时由键盘输入纬密， 在生产中调节纬密只需在人机接口终端上输入，可快速准确地完成变换纬密的工 作，提高了生产效率。织造过程中，主电机以恒定的速度旋转，卷布辊根据一定 的织物纬密运转，织轴则根据卷布辊的速度，实时地送出相应的经纱，保持经纱 张力恒定，以织出符合要求的布。 基于d s p 的剑杆织机电子送经和电子卷取控制系统可以方便地实现电子送 经机构与电子卷取机构同步协调，最大程度地避免开车痕，获得高质量的织物。 与机械式的相比，机构简化，控制精度高，对经纱张力波动具有良好的响应特性， 能迅速地对经纱张力进行自动调节。 系统主要技术指标如下： 控制精度高，响应快，保证织布过程中张力稳定，织出符合要求的布。 有相应的开车痕补偿措施，开停车时不产生稀密路。 使用方便：界面友好，操作简单，用户不需要有很强的技术背景即可操 作。并有自诊断和自保护等功能。 1 6 研究意义 中国是纺织行业大国，织机电子送经和电子卷取控制系统具有巨大市场，然 而，我们国内目前的研究水平离这个需求还有一定的差距。研究具有自主知识产 权的电子送经和电子卷取控制系统，对于摆脱对国外的依赖，节省外汇，推进我 国纺机行业改造，提高我国纺机行业的水平很有必要。并且通过研制具有自己产 权的高档的电子送经和电子卷取控制系统，提高我国织机的档次和技术水平，加 快高档织机国产化，尤其是抵制国外产品对我国织机市场的冲击都具有重大意 义。 6 上海大学硕士研究生学位论文 第二章控制系统方案论证及总体设计 2 1 硬件控制方案 目前电子送经和电子卷取控制系统使用的控制器主要有p l c ( p r o g r a m m i n g i o g i cc o n t r o l l e r ) ，工控计算机和单片机几种，它们的主要优缺点如下： 1 使用可编程控制器p l c 设计系统时，系统可靠性高，编程简单，调试、 维护方便。但p l c 价格昂贵，如对张力模拟量进行控制的a d 模块就非常昂贵。 并且普通p l c 的运算速度有限，适应高速织机对电子送经和电子卷取系统的要 求必须使用高档p l c ，无疑增加了成本。 2 采用工控计算机控制，并配上相关的板卡，系统速度快、资源丰富、开 发相对简单、人机界面友好，但也存在价格贵，体积大等缺点。 3 采用单片机开发控制系统成本低，算法以软件的形式也比较容易。但普 通单片机主要是为逻辑控制而设计的，如控制中采用复杂的算法，则有点力不从 心。所以普通的单片机限制了优良和复杂算法的采用，很难适应高档织机的对控 制的要求。 并且在本系统中，还要根据编码器信号等控制交流伺服电机，所以需要寻求 一种适宜电机控制和算法处理的高速微处理器，达到较高的性价比。 比较目前市场上相关的微处理器，发现d s p ( 数字信号处理器) 是适合于这种 应用场合的首选器件。由于它采用了多总线的哈佛结构和流水线结构，内部设置 了专用硬件乘法器以及专用的d s p 命令，所以使d s p 实现了高速运算功能一 在1 个周期内就能完成乘法运算，这比通用微处理器快1 0 1 0 0 倍。d s p 是一种 高速专用微处理器( m c u ) ，其运算功能强大，能实现高速输入和高速率传输数据， 它专门处理以运算为主不允许迟延的实时信号，高效进行快速博立叶变换运算。 它包含有灵活可变的i 0 接口和片内i o 管理，高速并行数据处理算法的优 化指令集。d s p 的精度高、可靠性好，为电机控制提供高效可靠的平台。 目前国内推广应用最为广泛的d s p 器件是美国德州仪器( t i ) 公司生产的 t m s 3 2 0 系列。其中t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 控制器是为了满足控制应用而设计的，它 通过把一个高性能的d s p 内核和微处理器的片内外围设备集成为一个芯片的方 案，非常适合于工业控制领域。它的指令周期为4 0 n s ，有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存贮器，5 4 4 字双口r a m ，2 k 字的单口r a m ，两个适合于电机控制的事件 管理器模块等功能模块。所以本系统选用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为系统主控制器， 并采用美国c y p r e s s 公司p s o c 片上系统( 8 位) 作为人机接口终端的控制器， 把单片机和d s p 的优势有机结合起来。 上海大学硕士研究生学位论文 2 2 算法方案 经纱张力控制是织机送经和卷取系统的重要功能之一，实时控制张力到目标 值和织造过程中保持经纱张力恒定对织机来说非常重要。在织机经纱张力控制系 统中，从伺服电机到织机织轴之间有复杂的传动机构，且卷取速度、拉伸弹簧刚 性、纱质以及后梁安装位置等对经纱张力均有影响，难以得到准确的数学模型。 另外，随着织机工作的进行，织轴越来越细。所以系统的模型也在不断变化，常 规控制难以达到预期效果。所以经纱张力系统是一个非线性，时变的系统，应寻 找一种能适应这些变化的算法进行张力控制。 传统的自动控制包括经典理论和现代控制理论，它们有一个共同的特点，即： 控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型( 如：微分方程、传递函 数或状态方程) 的基础上。从前面分析可知，对于织机经纱张力控制系统，用准 确的数学解析式表示其特性十分困难。因此。对织机张力控制系统用定量数学方 法实施控制有其局限性。在选择控制器算法时，转向定量和定性相结合的方法。 在工业控制中，p i d ( 即：比例、积分、微分控制) 控制器具有原理简单、 使用方便、结构简单、控制性能好、鲁棒性强等优点。它在很多领域都取得了良 好的控制效果。因此在控制理论和技术飞跃发展的今天，它在工业控制领域仍具 有强大的生命力，在工业生产过程中是最普遍采用的控制方法。 在设计控制器时，传统的做法是依靠经验和试验在系统调试时确定p i d 控 制器的参数k ，、k ，和芷。，在以后的使用过程中，或者保持参数不变，或者在 外部条件发生重大变化时，重新手动选择参数。由前面分析可知，固定不变的 p i d 参数很难适应本系统张力控制的要求。这就要求p i d 参数能够在线调整，以 适应改变了的模型。而常规p i d 控制不能满足这一要求。所以在设计控制器时， 一个关键的问题就是对p i d 参数的实时整定。 建立于人脑思维的模糊控制理论对那些参数未知、模型不断变化的系统控制 有着独到的优势。模糊控制不需要建立精确的数学模型，根据实际系统的输入、 输出的结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统进行实时精确控制。 模糊控制实际上是一种非线型控制，属于智能控制的范畴。模糊控制系统的鲁棒 性强，干扰和参数变化对控制效果的影响会大大减弱，尤其适合非线性、时变及 滞后性系统的控制。它具有以下三个突出的优点： 1 模糊控制是基于规则的控制，模糊逻辑是由许多相互独立的规则组成， 它的输出是各条规则的合并结果，因而即使某一条规则出问题，其他规则经常可 对它进行补偿，获得较好的控制效果。有效地防止了系统的误操作对织机织造过 程造成的混乱。它直接采用语言型控制规则，根据现场操作人员的经验或相关专 家的知识，控制机理和策略易于接受和理解。 8 上海大学硕士研究生学位论文 2 由工业过程的认识出发，比较容易建立语言控制规则，因此，模糊控制 对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。 3 基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同， 容易导致较大差异，但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，控制效果优 于常规控制方法。 所以，根据织机经纱张力控制特点，结合模糊控制和p i d 控制各自的优点， 在p i d 控制的基础上采用模糊控制，将模糊控制和p i d 控制两者有机地结合起 来，充分发挥模糊控制灵活性、适应性强的优点和p i d 控制精度高的优点，最 终确定了模糊控制与常规p i d 方法相结合的模糊自整定p i d 控制算法来控制经 纱张力。根据经验制定出p i d 参数的调整规则，在线进行模糊推理，分别调整 p i d 的三个参数，解决了控制系统中p i d 参数实时整定的问题。 2 3 系统经纱张力控制原理 选定模糊p i d 算法方案以后，先简要讲讲该算法控制织机经纱张力的原理。 采用本方案的织机经纱张力控制原理简图如图2 1 所示。 图2 1 织机经纱张力控制原理简图 由图2 1 可知，经纱张力控制原理方法为：中断采样时根据张力传感器实时 检测出的经纱张力值，然后与设定值进行比较，再由主控制器d s p 根据偏差和 偏差变化率由模糊算法整定p i d 参数，根据整定好的p i d 参数再由p i d 算法算 出控制量，实时地控制驱动织轴的交流伺服电机，送出相对应量的的经纱，以使 经纱张力恒定。其中送经量是以保持经纱张力稳定为原则，它主要由织物卷取量 和织轴径确定的，其控制过程为：经纱张力增加一后梁下降( 张力增大) 一送经 电机加速( 送经量增加1 _ 经纱张力减小( 后梁上升) 一后梁恢复正常位置( 张力 恢复正常) 。反之亦然，最终使送经量与卷取量一致，保持经纱张力稳定。 9 上海大学硕士研究生学位论文 2 4电子送经与电子卷取控制系统总体结构 选定上述的硬件方案和经纱张力控制算法方案后，得出采取这套方案的剑杆 织机电子送经和电子卷取控制系统总体结构简图如图2 2 所示。 断经检棕框 图2 2 电子送经与电子卷取控制系统总体结构图 从图2 2 可看出，本控制系统主要由送经和卷取控制柜，人机接口终端，张 力检测装置，以及交流伺服电机和减速器构成的驱动装置构成，织轴和卷布辊分 别由单独的伺服电机驱动控制。系统在织布过程中根据织布工艺在人机接口终端 上设定纬密和经纱张力，然后根据设定的纬密和经纱张力控制送经伺服电机和卷 取伺服电机的准确运动。在开停车或慢车运动时，按照织造工艺特点，系统能根 据设定的补偿参数控制两路伺服电机进行特定的运动，从而解决开车痕等缺陷。 1 0 上海大学硕士研究生学位论文 第三章控制系统硬件部分设计 控制系统硬件主要由系统主控制板，p s o c 人机接口终端，相关接口电路， 张力传感器，伺服驱动装置和编码器等组成。下面就系统的一些关键部分予以说 明。 3 1 主控制板硬件设计 3 1 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片简介 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片拥有1 4 4 个引脚，而且许多引脚是多功能复用的，根 据实际需要设置引脚为相应的功能，所以实现的功能相当强大。d s p 控制器是一 个单片系统，除了中央处理单元，还有片内程序存贮器，数据存贮器以及片内外 设，下面简要介绍一下本系统要用到的一些功能模块。 可扩展的外部存贮器总共有1 9 2 k 字空间：6 4 k 字程序存贮器空间，6 4 k 字数 据存贮器空间，6 4 k 字i l o 寻址空间，根据需要，可扩展相应的空间。 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个事件管理器模块包括：两个1 6 位通用 定时器、8 个1 6 位的脉冲脉宽调制( p w m ) 通道、三个捕获单元和正交编码脉冲 电路( q e p ) 等。脉冲脉宽调制( p w m ) 通道为实现各种要求的波形控制电机提供了 极大的方便。捕获单元是一种输入设备，用于捕获引脚上电平的变化并记录它发 生的时刻。d s p 的捕获单元不需要占用c p u 的资源，与c p u 并行工作。内置的正 交编码脉冲电路可自动识别由外部引脚上输入的正交脉冲的方向，记录脉冲的个 数，这为运动控制、伺服控制的实现提供了方便。 有高达4 1 个通用、双向的数字i o ( g p i o ) 引脚，其中大多数都是基本功能 和一般i o 复用引脚，大多数i o 引脚都可用来实现其他功能。数字i l o 端口采 用了一种灵活的方法，以控制专用i o 和复用i o 引脚的功能，所有i o 和复用 引脚的功能可通过9 个1 6 位控制寄存器来设置。 串行通信接d ( s c i ) 提供了通用全双工的异步接受发送( u a r t ) 通信模式，可 与p c 机串口、打印机等标准器件通信，可采用r s 2 3 2 一c 协议。通过一个1 6 位 波特率选择寄存器可获得多种不同的波特率。 看门狗定时器( w d ) 是一个8 位增量计数器，主要是为系统抗干扰设计的。 在正常工作情况下，程序对定时器进行周期性清零。如程序出错、飞出或死机， 则定时器溢出，产生复位信号。 时钟源模块采用锁相环( p l l ) 技术，可以对外部振荡频率进行倍频，得到 非常稳定的内部时钟。 上海大学硕士研究生学位论文 中断管理模块由多个外部引脚中断和内部事件中断，为程序的实时有效和灵 活控制提供了极大的方便。 除了以上介绍的一些模块之外，d s p 控制器还有a d 、s p i 和控制器局域网 络( c a n 总线) 等模块，可根据实际需要进行相应设置使用其功能”。 3 1 2 主控制板硬件电路原理框图 在前面确定的硬件方案和软件方案的基础上，以及根据实现系统功能所需要 的硬件资源，设计出主控制板硬件电路原理框图如图3 1 所示。 p s o c 人机接 口终端 按钮输入电路 张 力 传 感 器 编 码 器 模拟 信号 处理 电路 电 平 转 换 s c i 模块 p 删模块 i ，o 模块 l ，o 模块 l f 2 4 0 7 a 捕捉计数 r a m 接口 模块， r a m 接口 o e p 模块 臣毒 中断保 护模块 j t a g 接口 图3 1 主控制板硬件电路原理框图 3 1 3 主控制板硬件电路连接及功能说明 驱 动 放 大 电 路 交 流 伺 服 系 统 掉电保护r a m 外部数据r a m 故障诊断及保 护电路 3 t a g 接口电路 复位电路 在图3 1 中，系统主控制器l f 2 4 0 7 a 实时完成对各种输入输出数据和信号的 处理，以及模糊p i d 算法的运算。 p s o c 人机接口终端通过d s p 主控制器的s c i 模块与d s p 主控制器的相接， 采用c y p r e s s 公司的p s o c 单片机作为控制器，型号为c y 8 c 2 6 6 4 3 ，这样便于对 按键和液晶显示器控制，减轻了d s p 主控制器的负担，同时也解决了高速d s p 主控制器对慢速液晶显示控制器操作的矛盾，避免了程序中的延时处理影响实时 控制，也省去了扩展d s p 引脚电路和增加驱动电路。p s o c 单片机c y 8 c 2 6 6 4 3 可 以根据需要同时配置两个以上串口，这样人机接口终端方便与织机其它控制系统 南 上海大学硕士研究生学位论文 相互交换数据。，以利产品的升级。p s o c 人机接口终端单独做成一块电路板，通 过r s 2 3 2 通信与d s p 主控制器传递数据。通过p s o c 人机接口终端上的液晶显示 器和按键操作者可以输入、修改和显示p i d 参数、织轴和卷布辊的真径、纬密和 经纱张力等参数，该终端也显示检测到的报警及织机状态等信息。 按钮输入电路通过d s p 主控制器的i 0 端口与d s p 主控制器相接，按钮信号 作为辅助信号和编码器信号综合起来决定织机的工作状态，以及手动完成经纱张 力放松和收紧等操作。按钮信号通过光隔电路( 本系统所用光隔器件型号为 t l p 5 2 1 4 ) 输入到d s p 控制器，起到光电隔离和电平转换作用。 系统由安装在织机上的张力传感器实时测得经纱的张力，由张力传感器把张 力转化成电压信号，该电压信号经模拟处理电路( 主要由电压放大和v f 转换电 路构成) 处理得到与张力传感器输出电压成比例的对应频率的脉冲信号，该对应 频率的脉冲信号由d s p 芯片的捕捉计数模块的c a p 4 通道进行计数，中断时间到 后与设定值比较后得一差值。系统根据差值由智能模糊p i d 算法处理，算出相应 数目和频率的脉冲来实时改变送经电机的转速和转向。 编码器用来检测主轴位置信号，它的端口a 、b 、z 经电平转换芯片7 4 l v t h 2 4 5 a 转换后分别与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的q e p i 、q e p 2 、c a p 3 相接，芯片7 4 l v t h 2 4 5 a 完成 码盘5 v 电平到3 。3 v 的转换，以便d s p 主控制器处理。d s p 主控制器的事件管理 模块的计数器对编码器脉冲进行计数，当计数脉冲数与设定值相同时，产生中断 进行中断程序处理。 d s p 主控制器的p f b f 模块和部分r 0 端口完成对两路交流伺服系统的控制， 在接到交流伺服系统前，要设计相应的驱动电路对信号进行放大，由 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的p w m 端口和i o 端口分别控制交流伺服驱动器的转速和转向。 即由p w m 发出相应频率和数量的脉冲控