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基于n i o s 软核的经纱张力控制系统的研究 摘要 当前纺织行业对于低档织机的需求已经处于饱和状态，发展中高档 织机已经成为各织机生产厂家的当务之急。随着电子技术的发展，采 用电子卷取和电子送经是新型高性能织机的主要发展方向，研制一个 高性能的经纱张力控制系统具有实际意义。 本课题尝试运用s o p c 技术设计开发新型经纱张力控制系统，弥补 主流产品的不足，是s o p c 技术在纺织机械控制的一次有益的探索。 首先，本文简述了嵌入式系统和经纱张力控制系统的发展现状。 其次，提出了基于c m a c p i d 的系统控制方案和基于f i r 的张力信 号滤波方案，对两者均进行了m a t l a b 和c 语言仿真，为后续用硬件描 述语言实现打下基础。 最后，本文给出了系统各模块的软硬件实现方法，主要包括：双n i o s 软核的系统核心及核间数据交互，v e r i l o gh d l 实现的硬件控制器，信 号滤波器和数据采集接口，伺服电机驱动，删i 操作，网络通信等。 另外，还总结出一种m a t l a b 仿真一 c 语言仿真一 v e r i l o gh d l 实现 的硬件实现途径，对于熟悉c 语言但硬件描述语言经验相对不足的开 发人员具有一定的参考价值。 关键字：经纱张力控制， s o p c ， v e r i l o gh d l ，c m 6 l c p i d ， f i r t h es t u d yo fw a r pt e n s i o nco n t r o ls y s t e m b a s e do nn i o s a b s t r a c t i nm et e x t i l ei n d u s t r y l o w e n dl o o mi sn o tp o p u l a u ra n ym o r e w i t ht h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r 0 i l i ct e c h n 0 1 0 9 y u s i n gi n t e l l i g e n tw a 印 t e n s i o n c o n t r o ls y s t e mi st h ei n t e m a t i o n a l t r e n do fh i 曲一p e r f o r m a n c el o o m t h i s 山e s i sm e st od e v e l o pan e ww a 叩t e n s i o nc o n t r o ls y s t e mu s i n g s o p ct e c h n o l o g m f i r s t l y ；t h i st h e s i sa n a l y z e st h ec u n e n tc o n d i t i o no fe n l b e d d e ds y s t e 口q a n dw a 印t e n s i o nc o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y ；b d n g su pt h ec o n t r o lm e t h o db a s e do nc m a c - p i da n dt h e f i l t e rm e t h o db a s e do nf i r s i m u l a t e st h et w om e t h o d su s i n gm a t l a ba 1 1 dc ，p r e p a r e sf o rm en e x t s t 印o fr e a l i z i n gt h e mu s i n gh a r d w a r ed e s c r i p t i o n1 a n g u a g e f i n a l l y ，t h et h e s i sd e s c r i b e sm er e a l i z a t i o no ft h es y s t e mi nd e t a i l ， w h i c hi n c l u d e sd a t ae x c h 锄g i n gb e 帆e e nt h e 铆on i o sp r o c e s s o r s ，h 莉w a r e c o n t r o u e r s i g n a lf i l t e ra n dd a t a i n t e r f a c er e a l i z e du s i n g 、厂e r i l o gh d l ， b l d cd r i v e r ，h m io p e r a t i o na n de t h e m e tc o m 皿i u n i c a t i o n 、 m a t sm o r e ，am e t h o do fh a r d w a r ed e s i g n i n gi sb r o u g h tu p ：m a t l a b s i i n u l a t i o n 专cs i m u l a t i o n 专v - e m o gh d lr e a l i z a t i o n k e y w o r d s ：w a j pt e n s i o nc o n t r o l ，s o p c ，、，r e ：r i l o gh d l ，c m a c p i d ，f i r 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：削禽试 日期：加d 厂年3 月6 日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 指导教师签名：崔呜瑾 日期：夕阳a 年弓月占日 基于n i 软核的经纱张力控制系统设计 第一章概述 1 1 经纱张力控制系统的发展现状 所谓织机经纱张力控制就是采用电器、电子元件及计算机对送经系统进行控 制，确保经纱稳定送出，通常由张力感应系统、控制系统和织轴驱动系统三大部分 组成。 当前，国产经纱张力控制系统主要采用以p l c 或8 位单片机为核心的控制方案， 基于d s p 或单嵌入式c p u ( 3 2 位微处理器) 的方案还处在起步阶段。 国外一些著名的织机生产厂商生产的织机在经纱张力控制性能上己经达到较 高的水平，例如意大利舒美特织机有限公司的天马系列织机、瑞士的苏尔寿系列织 机、日本津田驹系列织机、还有比利时必佳乐系列织机、法国工c b t 公司的p r o t o n 系列织机等等。这些织机都实现了电子卷取和电子送经控制，具有较高的智能化控 制水平，在国际织机市场上占据着重要的地位n _ 3 耵。 1 2 嵌入式系统的发展现状 所谓嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，具有高可靠、低成本、 低功耗等特性的专用计算机系统。 嵌入式系统由软件和硬件两大部分组成，软件部分由嵌入式操作系统和应用软 件组成。硬件方面，核心部件是嵌入式处理器。 嵌入式处理器一般可分为四类，即以单片机为代表的嵌入式微控制器；嵌入式 d s p 处理器；嵌入式微处理器；以及嵌入式片上系统s o c ( s y s t e mo nac h i p ) 。近年 来嵌入式处理器的主要发展方向是小体积，高性能，低功耗，专业分工也越来越明 显，s o c 是目前嵌入式应用领域的热门话题之一瓯6 7 钔。 1 2 1s o c 技术 通常所说的s 0 c 技术是在一块集成芯片上，将处理器和众多外设集成到一块芯 片上，构成强大的、完整的系统。 基于n i o s 软核的经纱张力控制系统设计 当前，在工业控制及消费电子领域，绝大部分的嵌入式应用都是基于s o c 的， 高端的如p l c ，从底层到上层的一般的构成是3 2 位s o c ( 基于a r m 内核) + r t o s ( w i n c e ， v x w o r k s 等) + p r o c o n o s ，其s o c 芯片往往集成了网络控制器，甚至l c d ，u s b 控制器 等众多外设；低端的有8 位、1 6 位m c u ，如a t m e l 公司的m e g a l 6 ，m e g a l 2 8 ，m i c r o c h i p 公司的p i c l 8 ，p i c 2 4 系列单片机，也无一不是集成了a d ，定时器，看门狗，串行通 信控制器等众多外设，很大程度上简化了电路设计。 但s o c 系统也有着与生俱来的一些缺点： 一是工作效率问题。微处理器和d s p 对指令的执行是串行的，从而其工作速度 和效率的提高也受限于该工作方式，d s p 及微处理器的速度不能满足不断出现的新 算法对数据处理的要求。为了达到高的处理速度，有时需要多个处理器协调工作， 一方面增加了电路的复杂程度，影响了可靠性，另一方面，多处理器的协调与工作 分配以及相应的软件开发也较复杂。 二是升级难度大。一旦需要硬件升级，尤其是微处理器的升级，必须硬件、 软件全部重新设计，尤其需要在线更改电路结构时更是无能为力。 三是通用性较差。每种不同系列的s o c 器件其寄存器，外设等访问方式往往不 同，在移植时需要顾及特定的硬件结构，外围接口和部分专用指令，降低了效率。 1 2 2s o p c 技术 s o p c ( s y s t e mo nap r o g r 锄a b l ec h i p ) 是一种灵活、高效的s o c 解决方案。它 具有双重含义：首先它是片上系统( s 0 c ) ，由单个芯片完成整个系统的的主要逻辑功 能；其次它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减，可扩充，可升级，并具 有软硬件在系统可编程的功能。 s o p c 是p l d 和a s i c 技术融合的结果。与传统的系统设计相比，s o p c 继承了s o c 的 优点，将处理器、存储器、i 0 口等功能模块集成到一个p l d 器件上，构成一个可编 程的片上系统，其内部一般还具有小容量高速l 础资源。在丰富的i p 核资源基础上， 用户可以构建各种符合设计需求的系统，并可以随时下载以验证其功能灵活性高， 对设计好的产品中，如果要对芯片中电路布局进行改动或增减功能，只需要重新下 载即可。 而从目前技术发展来看，s o p c 芯片在很多方面都有替代s o c 芯片的趋势： 2 基于n i o s 软核的经纱张力控制系统设计 1 可编程器件实际应用越来越广，技术取得重大进展，主要原因是f p g a 器件的逻辑 密度，性能和功能都得到极大提高： 2 i p 核设计应用飞速发展，f p g a 设计资源复用和开发手段全面升级： 3 软硬核齐头并进，在获得高性能的同时不失灵活性。 s o p c 是可编程技术发展到一定阶段的必然产物，作为s o c 和p l d f p g a 相结合的 一项技术，集合了两者的优点，适合于两者的应用领域。 1 2 3 舢t e r a 公司的s o p c 解决方案简述 2 0 0 0 年a l t e r a 发布了第一代嵌入于s o p c 的n i o s 软核处理器。第一代n i o s 嵌入式 处理器性能高达5 0 舭p s ，采用1 6 位指令集，1 6 3 2 位数据通道，5 级流水线技术，可在 一个时钟周期内完成一条指令的处理，它可以与各种外设、定制指令和硬件加速单 元相结合，构成一个定制的s o p c 。并于2 0 0 3 年3 月推出了n i o s 的升级版n i o s 3 0 版， 具有1 6 位和3 2 位两个版本。第一代的n i o s 已经体现出了嵌入式软核的强大优势，但 不具备软件开发的集成环境 2 0 0 4 年6 月，a 1 t e r a 公司在继全球范围内推出c y c l o n e i i 和s t r a t i x i i 器件系列 后又推出了支持这些新款f p g a 系列的n i o s i i 嵌入式处理器，它与2 0 0 0 年上市的原产 品n i o s 相比，处理器性能最大提高3 倍，c p u 内核部分的面积最大可缩小1 3 。n i o s i i 处理器系列包括了3 种内核：快速内核( n i o s i i f ) ，经济内核( n i o s i i e ) 和标准内核 ( n i o s i i s ) ，每种都针对不同的性能范围和成本。使用a 1 t e r a 的q u a r t u s i i 软 件，s o p cb u i l d e r 工具以及n i o s i i 集成开发环境( i d e ) ，用户可以轻松地将n i o s i i 处 理器嵌入到其系统中j 们。 与嵌入式硬核相比，软核主要具备以下优势： _ 硬核主要来自第三方公司，而f p g a 厂商自身拥有软核的知识产权，可以有 效控制成本。 - 软核可以根据设计需要进行剪裁，然后植入f p g a 中。 一一片f p g a 中可以植入多个软核。 其中，a 1 t e r a 公司的n i o s 处理器具有下述特点n ： 支持3 2 _ b i t 指令系统，数据通路和寻址空间 一3 2 个通用寄存器 3 基于n i o s 软核的经纱张力控制系统设计 3 2 个外部中断源 单指令3 2 b i t 乘法器和除法器，输出3 2 b i t 结果 _ 用于6 4 _ b i t 和1 2 8 _ b i t 运算的专用指令 _ 单精度浮点运算指令 - 单指令桶式移位器 _ 访问多种片内外设，提供片外存储器和外设接口 _ 硬件辅助d e b u g 模式，在i d e 中提供对处理器的启动，停止，单步和跟踪控 制 一基于g n uc c + + t 0 0 lc h a i n 和e c l i p s ei d e 软件开发环境 可与a l t e r as i g n a l t a pi i 逻辑分析集成 _ 指令集兼容所有n i o si i 系统 一提供高于2 5 0 d m i p s 的性能 当前，嵌入式系统进入全面应用的阶段，已经成为通信和消费类产品的共同发 展方向。在通信领域，数字技术己经全面取代模拟技术：在广播电视领域，也出现 了模拟电视向数字电视转换的趋势，这些都离不开嵌入式系统技术。在个人领域， 各种内置嵌入式系统的信息家电给人们的生活带来了更大的方便。 s o p c 作为嵌入式系统的一个分支，近年来表现出强劲的发展势头。以a l t e r a 公 司推出s o p c 解决方案为例，其核心的n i o si i 软核性能已经达到了2 5 0 d m i p s 以上， 并且s o p c 技术将系统绝大部分组件集中到一片f p g a 上，大大增强了系统的可靠性和 抗干扰性，同时由于s o p c 的可裁减、可编程和可重组特性，使系统软硬件的实现、 扩展和升级都十分方便。 1 3 课题的提出及其研究意义 目前国内纺织业对低档织机的需求己经处于饱和状态，发展中高档织机已经成 为各织机生产厂家的当务之急。高档织机的显著特征之一就是采用电子卷取和电子 送经控制。传统机械卷取和机械送经是依赖机械齿轮传动的卷布和送纱过程。由于 机械传动所固有的带隙缺陷，织物的纬密很难达到高度均匀，而且无法消除织物开 车痕疵，织造的质量难以提高。另外，改变织物纬密或纱线张力时必需调整或更换 机械部件，生产效率大大降低。电子卷取和电子送经采用计算机控制，织造的精度 4 基于n i o s 软核的经纱张力控制系统设计 可以显著提高。电子送经控制系统通过开车前的张力补偿能够有效地解决织物开车 痕问题。当改变织物纬密或纱线张力时，只要改变相应的设置参数，无须调整或更 换机械部件。因此电子送经和卷取可以在织机允许的车速和纱线状况下保证高质量 的织造过程，并且使用灵活方便。 当前，国外一些著名的织机生产厂商生产的经纱张力控制系统在性能上己经达 到较高的水平，但也存在一些不足：一、某些电送电卷系统采用的是步进电机。由 于步进电机的运转是不连续的，在控制精度上具有先天缺陷，加上步进电机的输出 转矩在高速运转时将大大下降，所以还需要选择大输出扭矩的电机；二、进口的系 统价格昂贵，一个采用步进电机的进口系统其价格一般占整个织机电控系统的8 0 ，而某些采用伺服电机的进口系统其价格更为昂贵；三、这些独立的进口系统在 使用和设置上比较复杂，用户往往需要较长时间才能学会使用；四、进口系统一般 通过国内代理商进行销售，而代理商的技术支持能力相对比较薄弱，售后服务也不 容易保证。 国产系统在价格、操作便利性、技术支持等方面具有优势，但当前主要采用以 p l c 或8 位单片机为核心的控制方案，系统性能有限，因此开发一款高性能的经纱 张力控制系统对于提升我国的织机制造水平具有实际意义。 本课题尝试运用s o p c 技术设计开发新型经纱张力控制系统，弥补主流产品的 不足，是s o p c 技术在纺织机械控制的一次有益的探索。 s 基于n i o s 软核的经纱张力控制系统设计 第二章织机张力控制系统简述 2 1 经纱张力检测系统 国内外无梭织机所配备的电子送经装置大多采用后梁或张力探测辊检测经纱 张力，这些检测装置成本低，灵敏度较高，安装调节方便。检测经纱张力的传感器 分模拟量接近开关式和张力传感式两大类。 ( 1 ) 模拟量接近开关检测式 采用弹簧消极式活动后梁，模拟量接近开关作为经纱张力检测元件。在图2 一l 中，经纱的上机张力由弹簧3 和活动后梁1 所产生的作用力矩来决定。综平时，使经 纱张力达到设定张力，由此确定弹簧3 的压缩量和后梁位置，一旦经纱张力发生波 动，后梁及铁片4 ，5 的位置随之发生变化。当传感器6 被铁片4 遮挡时输出电信号， 织机控制系统在设定时刻对信号进行处理，根据模拟信号的大小控制送经电机的回 转。p i c a n o l 公司的g t m 剑杆织机、p a t a 喷气织机、苏吴纺机公司的g a 7 3 7 剑杆织机、 s u l z e rr u t i 公司的p 7 2 0 0 型片梭织机均采用这种送经张力检测系统。 图2 一l 模拟量接近开关式张力检测系统 卜活动后梁2 一固定后梁3 一弹簧4 ，5 一铁片6 ，7 一传感器 ( 2 ) 张力传感器检测式 图2 2 是丰田公司j a t 6 0 0 a 型喷气织机的后梁系统以拉力传感器作为张力检测 元件。刚性的积极式活动后梁2 放置在托架3 上，托架3 ，杆4 ，5 构成四连杆摆动系 6 基于n i o s 软核的经纱张力控制系统设计 统。杆5 绕a 点整周回转，杆3 绕0 点摆动。张力检测是利用杆3 摆动时，通过杆6 使悬 臂梁7 受力，悬臂梁7 上挂有应变片传感器，将杆7 的变化转换成与经纱张力相关的 电信号输出。微处理机一般在一个织造周期采集9 1 2 次张力信号，计算出平均张力 值作为下一纬送经的依据。增大采样密度可提高经纱张力控制灵敏度，适应性较好， 可织造各种轻薄型织物和对经纱控制要求高的产品。由于活动后梁主动平稳运动， 运动部件均为刚性件，为阻止因打纬和开口引起的振动传到送经机构造成送经不 稳，在j a t 6 0 0 型喷气织机的活动后梁的两端装有阻尼缓冲器。日本津田驹公司的 z a 2 0 x 、丰田公司的j a t 喷气织机、p i c a n o l 公司的d e l t ax 织机和新型g 锄剑杆织 机、s o m e t 天马l l e 织机、德国d o r n i e r 公司的喷气织机和l w 5 5 2 喷水织机都采用这种 类型的经纱张力感应装置n 幻。 图2 2 张力传感器式张力检测系统 卜经纱2 一活动后梁3 一托把4 ，5 ，6 一杆7 一悬臂梁 2 2 送经控制系统 送经控制系统是将传感器检测的经纱张力变化信息加以集中、储存和处理，并 按一定程序发出各种指令，指挥和控制整个织机运行，保持经纱张力基本恒定。 ( 1 ) 开关式控制系统 图2 3 为交流电机开关式控制系统的控制原理图，当微型机感测到张力传感器 7 基于n i o s 软核的经纱张力控制系统设计 6 、7 状态需要送出经纱时，通过可控硅双向开关控制送经电机通电时间，送出一定 长度的经纱，使上机弹性系统的张力降低，改变后梁的受力大小和传感器6 、7 的输 出状态。通过键盘可以直接对送经系统进行手动控制。比如，按送经按钮可以放松 经纱；按倒卷按钮可以张紧经纱，当经纱张力达到预定值时，倒卷将自动停止。送 经开始时间也可以通过键盘设定。对于非连续式送经系统，其每纬的送经量由系统 根据每个织造循环中送经时间的长短来调节，。打纬时停止送经，保证经纱处于张 紧状态。一般送经开始时间设定值在织机主轴转角为2 0 到4 0 度，送经结束时间由张 力传感器的输出控制。送经运动的最高控制频率可根据织机转速和织物纬密来选 择，使送经机械工作在每一纬送经一次( 1 1 ) 或每两纬送经一次( 1 2 ) 的状态。当工 作在l 2 送经方式时，最大送经量受到限制，而工作在l 1 送经方式时，由于送经电 机启、停速度极高，易导致电机发热。实际中根据不同织物尽量选择l 2 的控制方 式。 图2 3 中显示屏可显示送经机构的状态和各种有关送经运动的运行信息，如送 经电机过热、送经装置故障、经纱张力太大、经纱张力太小、经纱张力正常等。由 于配置了完善的信息显示功能，极大地方便了送经机构的调节和维修。 键盘 送经电机 温度传感器 卷取机构及开 口，打纬机构 ( 2 ) 伺服式控制系统 信息终端显示器 微型计算机u 控制系统 - 陌磊磊磊 h i - - - o p l l 1m i r r ：p 张力检测机构 后梁阻尼器和挡铁 送经电机减 速器织轴 上机弹性系统 经纱及织轴 图2 3p a t 系列喷气织机控制原理框图 8 基于n i o s 软核的经纱张力控制系统设计 织袖传动h 经纱系绕h 话动后集 警婴钒婴码器陋翩。j j w v ，o t w 伺暇电执 饲虢骏犬鬻n ， c 7 1 n 二 经修系统 丌 黼 经控制麓“ 1 6 饱c p ui 于 送经枧j 勾保ii 智跪控捌键 护捡岗襞跫li 盈1 6 位c r u 送经量( 卷墩 最 给定值 鳜祝主控诗u 上轴角庹 茧饥1 3 2 位) li 编码器 图2 4j a t 喷气织机电子送经控制原理 丰田j a t 6 0 0 型和z a 2 0 5 型喷气织机送经机构均采用交流伺服式送经机构，控制 原理如图2 4 所示，采用了三重负反馈闭环控制。 第一反馈环为伺服电机速度控制。送经控制装置输出的伺服电机转速设定值n ， 与测速发电机测得的电机实际转速n f 进行比较，其差值信号n 控制伺服放大器调 整电机转速偏差，确保伺服电机按照设定的转速运转。 第二反馈闭环为送经量控制。轴编码器检测伺服电机的实际回转角度o ，经送 经量换算后，折合成实际的送经量值l r ( 送经计算机根据电机转角和织轴当前直径 及传动比折算) ，与根据织物密度计算所得的给定送经量l f 进行比较，根据偏差 l 控制送经电机的启停。 第三反馈闭环为经纱张力控制经纱张力传感器输出与全幅经纱张力相对应的 信号f r ，与预先设定的张力给定值f 进行比较，根据张力偏差f 调节送经电机的转 速设定值或启停，保持经纱张力恒定。 装在织机主轴上的主轴角度编码器向送经计算机传递织机主轴转角信号，作为 送经采样时间参考。送经机构保护检测装置能够检测送经驱动系统过热、经纱张力 过大( 设定值的1 2 倍) 、经纱张力过低( 设定值的o 5 倍) 、电器故障及机构运转 故障等信息，提供机构保护及方便维修。 织机主控计算机通过光导纤维电缆向送经机构计算机提供各种织机现场控制 9 基于n i o s 软核的经纱张力控制系统设计 信息，协调送经机构与织机其他机构时间配合。智能控制键盘计算机也可以和送经 计算机通信，通过键盘可输入织物纬密，织轴直径，经纱张力设定值，织机停机再 开车时经纱补偿量，以及送经电机启动方式及其他信息。 ( 3 ) 两种控制系统的比较 开关式控制系统根据传感器检测到的后梁位置信号的有无，控制送经电机在规 定的时间开始转动或者不转动来保证经纱张力的基本稳定，其经纱张力的变化属于 有级调节，送经是间歇的。生产实践表明，在织机速度6 0 0 r m 以下时，基本能满足 织造工艺的要求；如果速度提高，其送经量受到限制。伺服式控制系统能够实现精 密的张力控制，能对经纱张力的变化作出迅速的反应，并进行无级调节，实现连续 性送经，同时还能根据给定张力值自动完成送经参数的设置。 伺服式控制系统由于配置了送经量检测和控制功能，可以对织机停机开车时的 送经量进行精确的调整和补偿，而开关式控制系统所控制的是经纱张力，在消除横 档织疵的问题上有待改进n 3 1 劓。 1 0 基于n i o s 软核的经纱张力控制系统设计 第三章主要功能模块的设计与仿真 3 1 拟采用的滤波方案 在反馈控制系统中，反馈信号的精确采集是系统稳定工作的前提，经纱张力控 制系统中的经纱张力反馈信号，可能含有各类干扰和噪音，必须采用滤波器滤除。 按实现方式，滤波器可分为数字和模拟两种，对比两者，数字滤波器具有以下 优点： _ 数字滤波是可以采用软件程序实现的，不需要增加外围硬件器件； - 对温度变化、元器件老化及容许偏差不敏感； 一通过应用不同的算法，数字滤波可以对各种信号实现滤波，使用灵活，与传统 的模拟滤波器相比，方便了系统升级。 一在滤波器的多通道共享方面，虽然模拟滤波器也可以通过多路模拟开关选择实 现，但数字滤波实现更为方便，硬件成本较低。 因此，本设计采用数字滤波方案，数字滤波器总体上分为经典滤波器和现代滤 波器： 经典滤波器根据功能可分为：低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器、带阻滤 波器等。 现代滤波器的主要实现方法是从含有噪声的采集数据列( 又称时间序列) 中估 计出信号的某些特征或信号本身。现代滤波器把信号和噪声都视为随机信号，利用 它们的统计特征( 如自相关函数、功率谱等) 导出一套最佳估值算法，然后用硬件 或软件实现。 现代滤波器的滤波效果理论上要优于经典滤波器，但实现较为复杂。由于课题 时间所限，决定采用经典低通滤波器滤除张力信号采集中可能出现的各种干扰信 号。 最为常用的数字滤波器是线性时不变( “n e rt h e 面v 撕a n t ，l t i ) 滤波器。l t i 的 传递函数为线性卷积关系，可表示为j ，= 厂毛其中是滤波器的脉冲相应，z 是输 入信号，而y 是滤波器输出。 l t i 数字滤波器通常分为有限冲击响应( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ，f i r ) 和无 限冲击回应( i n f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ，i i r ) 两大类。从离散时间域来看，若系 基于n i o s 软核的经纱张力控制系统设计 统的单位取样响应延伸至无穷，称之为i i r 系，若系统的单位取样响应是一个有限 长序列，则为f i r 系。相对于ii r 滤波器，f i r 滤波器在保证满足滤波器幅频响应要 求的同时还可获得严格的线性相位特性，从而保持稳定n 5 16 1 7 j 射。所以f i r 滤波器获 得了更广泛的应用。正因如此，本文最终选用f i r 滤波器进行相关研究。 3 2 拟采用的控制策略 控制理论的发展主要经历了经典控制理论、现代控制理论以及非线性智能控制 理论三个发展阶段。经典控制理论主要处理单变量常系数线性系统的控制问题，其 典型特征是用传递函数来描述系统，在频域内进行分析和综合。第二阶段是现代控 制理论。现代控制理论利用状态空间建模理论，克服了经典控制理论仅能分析s i s o 系统的局限性，同时，为满足从理论到应用、在高水平上解决实际工程控制问题的 需要，还发展了自适应控制、辩识与估计理论、卡尔曼滤波、鲁棒控制等学科分支。 现代控制理论从6 0 年代初期发展以来，已取得了很大进步。但随着生产的迅速发展， 对复杂和不确定系统实行自动控制的要求不断提高，使得现代控制理论的局限性日 益明显。这主要表现在以下两个方面： ( 1 ) 现代控制理论的基础是被控对象精确的数学模型。而在工业环境下，其精确 的数学模型很难建立，即使一些被控对象能够建立起数学模型，但其结构十分复 杂，难于设计并实现有效控制。 ( 2 ) 系统实际运行时可能由于各种原因要发生一些参数变化，而且生产环境和外来 扰动的影响给系统带来很大的不确定性，这使得按理想模型得到的最优控制失去最 优性并使控制品质严重下降。 上述原因阻碍了现代控制理论在工业过程中的有效应用。上世纪7 0 年代以来， 人们除了加强对生产过程的建模、系统辩识、自适应控制、鲁棒控制等的研究之外， 开始打破传统控制思想的束缚，试图面向工业工程的特点，寻找各种对模型要求低、 在线计算方便，控制综合效果好的控制方法和算法。与此同时，计算机技术的飞速 发展，使得高速、大容量、低成本的计算机应用越来越广泛，这也为新算法提供了 可实现的重要物质基础。神经网络控制就是在这种背景下发展起来的一类新型计算 机控制算法。 1 2 基于n i o s 软核的经纱张力控制系统设计 3 2 1 神经网络概述 人工神经网络基于对人脑组织结构、活动机制的初步认识，通过模仿脑神经系 统的组织结构以及某些活动机理，使其呈现出人脑的部分特征，并具有人脑的一些 基本功能。 人工神经网络以一种简单信息处理单元( 即人工神经元) 为节点，采用某种网络 拓扑结构构成的活性网络。信息处理由处理单元之间的相互作用来实现，是通过把 问题表达成处理单元之间的连接权来处理的一种架构。决定其性能的主要有三大要 素：人工神经元特性，网络拓扑结构和学习规则。 神经元是以生物神经系统的神经细胞为基础的生物模型。把神经元数学化，便 产生神经元数学模型。神经元是一个多输入、单输出的非线性信息处理单元。 与生物神经元模型( 如图3 1 所示) 相比，人工神经元( 如图3 2 所示) 要简单很 多。： x l 屯 图3 1 生物神经元模型 = l 图3 2 人工神经元模型 在图3 2 中，x 是输入信号，w 为权系数，秒为神经元的阀值，f 为神经元激励 1 3 基于n i o s 软核的经纱张力控制系统设计 函数。神经元模型的数学表达式为 s j = w j t x i 一8 j i = i yj = ，婿j 、 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 激发函数觖定了单元输出y ，其主要可分为阀值型，饱和型，激发型等。 多个神经元模型组合在一起构成了神经网络。按其函数逼近功能分，神经网络主要 可分为全局逼近网络和局部逼近网络。 _ 全局逼近网络：当神经网络的一个或多个可调参数在输入空间的每一点对任何 一个输出都有影响，则称该神经网络为全局逼近网络。由于对于每个输入输出 数据对，网络的每个连接权值均需进行调整，从而导致全局逼近网络学习速度 很慢，对于有实时性要求的应用来说，是极为严重的缺陷。 _ 局部逼近网络：如果网络输入空间的某个局部区域只有少数几个连接权值影响 网络的输出，则称该网络为局部逼近网络。对于每个输入输出数据对，只有少 量的连接权值需要调整，从而使局部逼近网络具有学习速度快的优点。该网络 用于大多数工业复杂控制具有实时性要求时，可得到很好的效果。其典型网络 有小脑模型神经网络( c m a c ) 、径向基函数网络( r b f ) 等n 引。 3 2 2c m a c 概述 c 姒c ( c e r e b e l l a rm o d e la r t i c u l a t i o nc o n t r o l l e r ，小脑模型神经网络) 是仿 照小脑控制肢体运动的原理建立的，是一种表达复杂非线性函数的表格查询型自适 应神经网络，其基本结构包括输入层、中间层和输出层三部分，如图3 3 所示。 1 4 基于n i o s 软核的经纱张力控制系统设计 联巷空 弼 投彳 腊 空 矽 囊 际 输 出 图3 3 例魄c 的基本结构模型 c m a c 网络在工作时，把系统的输入状态作为一个指针，把相关的信息分布式地 存入一组存储单元。它本质上是一种用于映像复杂非线性函数的查表技术。c m a c 网络的基本思想是在输入空间中给出一个状态，从存储单元中找到对应于该状态的 地址，将这些存储单元中的内容求和得到c m a c 的输出，并将实际输出值与期望的输 出值进行比较，根据学习算法修改这些己启动的存储单元的内容。存储单元数通常 比所考虑问题的最大可能输入空间的分块数少得多，故实现的是多对一的映射，即 多个分块映像到同样一个内存地址上。 c m a c 算法可有效地用于非线性函数逼近、动态建模、控制系统设计等。c 姒c 较 其它神经网络的优越性体现在： ( 1 ) 它是基于局部学习的神经网络，它把信息存储在局部结构上，使每次需要修正 的权值很少，在保证函数非线性逼近性能的前提下，学习速度快，适合于实时控制。 ( 2 ) 具有一定的泛化能力，即所谓相近输入产生相近输出，不同输入给出不同输出。 ( 3 ) 连续( 模拟) 输入、输出能力。 ( 4 ) 寻址编程方式，在利用串行计算机仿真时，它可使回想速度加快。 ( 5 ) 作为非线性逼近器，它对学习数据出现的次序不敏感。 相对于其它神经网络，c m a c 具有更好的非线性逼近能力，更快的响应时间，因 此更适合于复杂动态环境下的非线性实时控制。 常规p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和 1 5 基于n i o s 软核的经纱张力控制系统设计 可靠性高，至今仍被广泛应用于工业生产程控当中，如果将c m a c 与p i d 控制相结合， 控制系统对模型的精确性要求将得以降低，并能保证一定的实时性n 9 纠。 3 3v e r o gh d l 硬件描述语言 若以常规软件方式实现3 1 和3 2 节所描述的滤波方案和控制策略，将增加数据 处理的负担。嵌入式系统的性能往往受处理器的能力所限，特别是在无操作系统的 情况下。若某些软件模块占用太多处理时间，会造成其它模块、特别是与外部有一 定时序同步要求的模块( 如嵌入式t c p 仰协议栈等) 工作不稳定。用硬件描述语言 在s 0 p c 系统中实现硬件数字滤波器和控制器具则可有效解决以上问题。 硬件描述语言h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl 卸g u a g e ) 是一种用形式化方法来描 述数字电路的语言模式1 2 4 1 。数字系统的设计人员可以利用h d l 描述自己的设计思 想，然后利用e d a 工具进行仿真验证，再把其中需要变为具体物理电路的模块组 合经由自动综合工具转换到门级电路网表，利用专用集成电路( a s i c ) 或现场可编程 门阵列( f p g a ) 的自动布线工具把网表转换为具体电路的布线结构。 l o gh d l 和d l 是当前两种i e e e 标准的硬件描述语言。与d l 相比， v c 时l o gh d l 的最大优点是与c 语言相似，在有c 语言基础的情况下，相对容易掌 握。另外，由于v 耐l o g 在其门级描述的底层、即晶体管开关的描述方面比d l 具有更强的功能，所以d l 的设计环境底层实质上也是由v c 蛹l o gh d l 描述的 器件库所支持的。在亚微米a s i c 和高密度f p g a 已成为电子设计主流的今天， l o gh d l 具有广阔的发展前景。 本文在后续工作中将先对先对上述滤波器和控制器进行m a t l a b 和c 语言的模 拟仿真，最后在m t e r a 公司的q l 】a r t l 坞i i 开发环境总以斑l o gh d l 实现电路模块。 3 4f i r 滤波器模拟与仿真 l 阶f i r 输出对应于输入时间序列x n 的关系由下式给出： 一l h 刀】- 缸刀】幸九刀】= 缸j | 】九刀一七】 ( 3 - 3 ) 上= o 氕o 】至衍l 1 】为滤波器的l 阶系数，对于l t i 系统可以更方便地将( 3 3 ) 表达成z 域 内的形式： 1 6 基于n i o s 软核的经纱张力控制系统设计 y i 阼】= 研z 】x z 】 其中f z 】是f 瓜的传递函数，其z 域定义为 工一l 研z 】厂 七】z 吐 ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 图3 4 是l 阶直接型f i r 滤波器的结构，也称为抽头延迟线结构或横向滤波器结 构。从图3 4 可见，沿着输入链每一抽头的信号被相应阶的脉冲响应系数加权，然 后将各阶乘积项相加就得到输出y n n 6 1 明。 图3 4 直接型f i r 滤波器 3 4 1f i r 滤波器的m a t l a b 设计 y f j l l f i r 滤波器的输入信号为频率极低的经纱张力采样信号，所以滤波器类型的选 择为低通、采样频率选择与张力检测a d 转换频率相同。为了有效滤除干扰信号，同 时在张力调节时快速响应，系统的截止频率应选择小于干扰信号频率。f i r 滤波器 的阶数越高，性能越理想，但会增加运算量和占用更多的存储空间，所以需要在性 能和开销上取得平衡。根据张力采集信号的特性，f i r 滤波器的设计指标定为： 采样频率：8i ( h z 截止频率：1 2k h z 类型：低通 阶数：1 5 阶 采样频率和截止频率的具体选择依据在5 2 节中分析。由于数字滤波器的调整 升级十分方便，在具体应用中，可能还需根据实际情况对f i r 滤波器的参数进行调 整。 1 7 蚺i n 轼核的# 纱m 州十制最缱k “ 通过m a t l a b 7os l m u l in k 工具箱中s i g n a lp r o c e s s l n gb l o c k s e t 中的滤波器 实现向甘，取得此f i r 低通滤波器的系数如式36 所示。 f 0 = f ：l5 = 0 0 2 8 2 1 9 1 0 0 2 6 7 6 2 7 1 6 7( ：j6 ) f _ lj = “1 4j = _ o0 0 7 3 1 ；9 0 ；8 6 3 4 9 8 i 6 f 瞳 = f _ 13 = ( ) ( h 9 8 9 9 2 9 8 2 2 2 8 6 2 9 4 j f 3 1f 1 2 o0 6j 6 5 7 9 2 1 6 6 8 2 1 0 6 7 9 f d = f 1 1 = o0 1 4 0 3 9 8 3 4 5 9 7 6 6 7 4 3 9 f 5 = f 1 0 = 00 8 9 4 2 6 2 1 0 7 9 7 5 4 1 5 8 f 6 j = “9 = o2 0 9 0 8 6 0 2 5 2 6 1 6 3 4 4 2 f 7 jf 8 = o2 8 8 帆1 4 j 9 4 2 5 5 4 0 8 9 滤波器的特性曲线如图：卜j 圈36 所示。 、 、 厂、瓜f 、 厂、，、 、 y 、 鬻缢女菱蘩曩蠢澎菇鬣鼗缀鬣滋滏龋幽鞘黼幽鳗融豳豳8 o 图35f i r 滤波器的幅频特性 夕 ， 一 弋 j、弋 目日日日g g 口衄一 图3 6f i r 滤波器的相频特性 毕fn l o s 软棱的经纱张山控制统设h 图37i 【r 滤波器的冲击响应特性 图3 8f i r 滤波器的阶跃响应特性 3 4 2f l r 滤波器的c 语言仿真 仿真通过的r i 滤波器蛙终需要被以v e r l l o gl d l 实现硬件模块的形式加入系统 中，山干作者对c 语言相对熟悉，面c 语言与v e r i l o gh d l 比较接近，且易于在p c 平 台卜仿真调试，故先采用c 语占根据姒t 【。a b 计算所得的参数实现滤波器，并得 ；其 冲击呐应和阶跃响应曲线，验证效果后，再翻译为v e r “o gh d l ，以加快设计进度。 c 语言开发环境为m l c r o s o f tv is u a ls t u d l o2 0 0 5 。 前述f t r 滤波器的c 语言实现如f ： s ，1 1 1 1 rf 1r 1 5 f 】l 叮( u | 1 s lv 州c j 瑚u c 【n d a t a ) ，7 # 波# 系数 基于n i o s 软核的经纱张力控制系统设计 c o n s td o u b l ef = ( 0 0 2 8 2 1 9 1 0 0 2 6 7 6 2 7 1 6 7 。 一0 0 0 7 3 1 5 9 0 5 8 6 3 4 9 8 1 6 l l ， 一0 0 4 9 8 9 9 2 9 8 2 2 2 8 6 2 9 4 5 。 一0 0 6 1 6 5 7 9 2 1 6 6 8 2 1 0 6 7 9 一0 01 4 0 3 9 8 3 4 5 9 7 6 6 7 4 3 9 。 0 0 8 9 4 2 6 2 1 0 7 9 7 5 4 1 5 8 ， o 2 0 9 0 8 6 0 2 5 2 6 1 6 3 4 4 2 ， o 2 8 8 9 4 1 4 5 9 4 2 5 5 4 0 8 9 1 6 时t e f i f o ，v s 2 0 0