無縫內衣機紗線張力自整定PID 控制器設計

萬中魁，胡旭東，彭來湖

(浙江理工大學 教育部現代紡織裝備技術工程研究中心，浙江 杭州 310018)

0 引言

無縫針織內衣機是一種集約化控制的機電一體化針織設備，專門用于編織高檔無縫全成形針織內衣產品［1］。為了保證無縫內衣產品的彈性和舒適度，針織材料多采用高彈性紗線。彈性紗線輸送過程中，張力的變化直接影響編織成圈的均勻和整齊。所以，實現彈性紗線的恒張力輸送，是無縫內衣機準確成圈的關鍵?？煽糠€定的恒張力輸紗控制系統能大大提升無縫內衣機的編織效率和產品質量。

該設計通過對編織成圈過程中紗線張力變化進行研究，提出一種基于CAN 總線通訊和模糊規則自整定PID 方法的控制器，以解決無縫內衣機織造時的紗線張力實時變化和現有控制器抗干擾能力差、紗線張力控制精度低的問題。

本研究從總體設計、硬件設計和軟件設計3個方面進行闡述，并通過仿真測試，驗證方案的可行性。

1 總體設計概述

無縫內衣機中彈性紗線從紗架上的紗筒外圈繞下，穿過斷紗報警器的過孔，進入恒張力輸紗裝置后，經過編織成圈機構的成圈編織，形成無縫產品［2］。該設計是針對在輸紗過程中，對紗線張力進行實時檢測，運用模糊自整定的PID 控制方法，減小實際測量值與設定值之間的誤差，調整直流電機轉速，實現張力的恒定。

控制系統的結構圖如圖1 所示，主要包括主控模塊、恒張力控制模塊和斷紗報警模塊。①主控模塊采用32 位Cortex-M4 內核的ARM 芯片STM32F407 作為控制核心，最高工作頻率達168 MHz，芯片內資源豐富，含6 路UART和2 路CAN 控制器，最多提供140個I/O口。②恒張力控制模塊中主要包括與主控模塊通訊的DSP 芯片、驅動直流電機的驅動電路和張力檢測模塊。主控模塊與恒張力模塊之間通過CAN 總線通訊，主控模塊發送指令到恒張力控制模塊，實現張力設置和張力大小調節;恒張力控制模塊反饋當前張力值，并在張力變化過大時發出停止指令。③斷紗報警模塊由斷紗信號采集電路和斷紗報警器組成，能夠檢測輸紗過程中是否出現斷紗現象，一旦發生斷紗，則向主控模塊發出報警信號，主控模塊向恒張力控制模塊發送停機指令，直流電機停止轉動。

圖1 控制系統結構圖

2 硬件電路設計

2.1 紗線張力檢測模塊設計

2.1.1 紗線張力檢測原理

張力檢測機構簡圖如圖2 所示。紗線張力的檢測，采用應變電阻傳感器［3］。應變電阻片在受到拉力或壓力時會產生阻值變化，圖2 中:紗線2 在牽引力下向上貼緊基座1，導致基座1 受力發生形變，應變電阻片a3 受到壓力作用，應變電阻片b4 受到拉力作用，不同的紗線張力產生的形變不同，所以應變電阻片的阻值不同。

圖2 張力檢測機構簡圖

2.1.2 紗線張力檢測模塊電路設計

張力檢測模塊電路原理圖如圖3 所示。本研究通過橋式檢測電路將阻值變化轉換為電壓變化，經過差分放大電路將電壓值放大到ADC 模塊的電壓采集范圍內［4］，ADC 模塊將采集到的電壓信號轉換為數字信號，由DSP 進行處理。橋式檢測電路中，兩個電阻應變片為R1和R2，分別受到拉力和壓力，RV1 為調零電阻，R5為限流電阻，起保護電路的作用。當紗線狀態穩定時，R1、R2阻值穩定，調節RV1 使得電橋平衡，輸出電壓為0 V。當紗線張力變化時，引起R1、R2阻值的變化，從而導致輸出電壓的變化，根據壓力的變化得到紗線張力的變化情況。信號放大電路采用AD620B，該運放主要用于微弱信號的放大，增益范圍為1～10 000。AD705為電路提供模擬電壓，并為AD620B 提供模擬地。

圖3 張力檢測模塊電路

2.2 直流電機驅動電路

直流電機驅動電路如圖4 所示。電機采用無刷直流電機，通過無刷直流電機控制器專用芯片MC33035驅動，芯片內部含有邏輯轉換電路，能夠直接將霍爾傳感器的信號轉換為驅動信號。同時，系統利用MC33039 閉環無刷直流電機適配器進行頻率電壓轉換，將反饋電壓反饋到MC33035 的反相輸入端，構成閉環速度可調系統。圖4 中，端口SensorA、SenserB和SenserC 為電機轉子霍爾傳感器采集到的位置信號，端口A、B、C 為供給電機的三相交流信號。工作時，MC33035 根據電機轉子位置信號，結合方向控制端、制動輸入端、電流檢測端等信號狀態，產生逆變橋三相上、下橋臂開關器件的6 路控制信號分別為AB、BB、CB、At、Bt和Ct。AB、BB、CB 信號是脈寬調制PWM 信號，通過改變MC33035 的誤差放大器同相輸入端的電壓可實現占空比的調節。6 路控制信號經過放大后，接逆變橋橋臂，產生供電機運轉的三相方波交流電流信號。

圖4 直流電機驅動電路

2.3 CAN 總線接口電路設計

CAN 總線接口電路實現主控模塊和恒張力控制模塊之間的數據通訊，接口電路如圖5 所示。該電路采用TJA1050 作為CAN 收發器［5］，波特率最高可達1 Mbps，使用TLP113 高速光耦實現電源隔離，減少信號滯后，提高傳輸效率。圖5 中:上拉電阻R12和R14可以提高CAN總線的傳輸速度，R11和R15為限流電阻，防止流進芯片和光耦的電流過大，終端電阻R10，可以消除通訊電纜中的信號反射，使收發器和電纜之間阻抗相匹配［6-8］。

2.4 斷紗報警模塊電路設計

圖5 CAN 總線接口電路

圖6 斷紗報警電路

斷紗報警電路是為了當報警信號產生時，將斷紗報警器產生的報警信號傳輸到DSP 中。斷紗報警電路原理圖如圖6 所示。圖6 中:MBR10100CT 為高壓肖特基整流器，內部為兩個共陰極二極管，發生報警時，斷紗報警器A 中的開關閉合時，U2和U3 中二極管兩端產生壓差，二極管導通，12 V 經過兩次二極管壓降，是的X 點電位為10.6 V 左右，PNP 型三極管Q1的VEB=12 V－10.6 V=1.4 V ＞0，使得Q1工作在飽和區［9］，從而使得光耦OP3 中發光二級管導通，ALARM信號發生“1”到“0”的跳變。當沒有報警時，X 點電位為12 V，Q1工作在截止區，光耦中發光二級管截止，ALARM信號為“1”。

3 軟件設計

3.1 主控模塊軟件設計

主控模塊程序流程圖如圖7 所示。CAN 發送命令通過CAN 總線發送到恒張力控制模塊，CAN接收中斷接收來自恒張力控制模塊反饋來的當前張力值。當斷紗報警器報警或當前值偏離設定值過大，由主控模塊發送停機指令。若張力系數更改，系統配置張力系數后，發送調節張力系數指令。

圖7 主控模塊程序流程圖

3.2 恒張力控制模塊軟件設計

恒張力控制模塊程序流程圖如圖8 所示。系統在CAN接收中斷中接收來自主控模塊的指令，進行命令解析，如果收到斷紗報警或張力偏離過大指令，則關閉直流電機，停止輸送紗線。如果收到張力系數調節指令，則通過改變電機轉速，調整紗線張力與設定值相符。在紗線傳輸過程中，通過張力檢測模塊中實時檢測到的張力值，與主控模塊發送過來的張力系數進行對比，改變直流電機轉速，使測量值與設定值盡可能接近，且將測量到的當前張力值反饋給主控模塊。

3.3 恒張力模糊自整定PID 算法的實現

3.3.1 恒張力模糊自整定PID 控制原理

模糊自整定PID 屬于一種智能PID 控制，根據誤差e和誤差的變化ec 來自動調節PID 的參數。這種控制方法利用模糊規則，找出PID 中比例系數kp、積分系數ki、微分系數kd與e和ec 間的模糊關系，實時地對3個參數進行修改，以滿足不同的輸入對控制參數的要求［10-11］。模糊自整定PID 控制原理框圖如圖9 所示。

圖8 恒張力控制模塊程序流程圖

圖9 模糊自整定PID 控制原理框圖

該設計中模糊自整定PID 算法由恒張力控制模塊中的DSP 實現，通過橋式電路采集應變電阻傳感器上的電壓變化，經放大后，由DSP 中的ADC 模塊轉換為數字信號，并換算成對應的張力值。將檢測到的張力值與所設定張力值進行比較，得到e和ec，DSP 中構建的模糊控制器根據兩參數值進行模糊推理，得到新的kp、ki和kd，輸入PID 調節器，調整直流電機轉速，調節紗線供給快慢，從而改變紗線張力大小。

根據kp、ki、kd對系統性能的影響，并結合紗線張力的自身特性，得到張力模糊控制推理規則。張力調節過程中，先保持kp大小適中、ki稍小、kd稍大，這樣既能使系統有一定響應速度，又能避免引起過分微分飽和;然后逐漸加大kp和ki，提高響應速度，減少穩態誤差，kd保持不變;當張力逐漸穩定后，減小kp，降低響應速度，逐漸加大ki并減小kd，維持系統穩定，避免系統振蕩。

3.3.2 恒張力模糊自整定PID 算法

模糊控制器采用模糊推理中常用的CRI 算法，將語言變量的論域從連續域轉換成有限整數的離散論域［12］。該設計中，筆者采用三角隸屬函數，語言變量在量化域中取值均為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，分別為負大、負中、負小、零、正小、正中和正大。依據上述模糊規則，本研究建立的Δkp、Δki、Δkd的模糊規則表如表1 所示。

表1 Δkp、Δki、Δkd的模糊規則表

下面運用重心法將模糊量清晰化，以比例系數kp為例，重心法計算公式如下:

4 仿真測試

根據所述控制系統，本研究在Simulink 下進行仿真，設置模糊參數的初值為0.3，相應階躍響應曲線圖如圖10 所示。

圖10 模糊自整定PID 階躍響應曲線圖

由曲線圖可知，系統的超調量δ=12%，響應時間t=1.6 s，表明該模糊自整定PID 控制系統的超調量較小、響應速度較快。

5 結束語

本研究通過對恒張力輸紗控制系統的整體結構、硬件與軟件設計進行分析，給出了一種基于CAN 總線通訊和模糊參數自整定PID 方法的控制器。該設計采用自整定PID 控制方法，針織過程中自動調整PID 參數，能夠實現紗線的恒張力傳輸。恒張力模塊與主控模塊間采用CAN 總線通訊方式，增強抗干擾能力和系統穩定性。本研究通過Simulink 仿真驗證了控制器的準確性。

研究結果表明，該控制器的超調量小、響應速度快，能夠有效解決無縫內衣機中紗線張力的實時變化的問題，實現紗線的恒張力輸送，具有良好應用前景。

［1］曹 斌.無縫針織內衣機成圈機構原理與工藝的研究與分析［D］.杭州:浙江理工大學機械與自動控制學院，2010.

［2］陳 堃.無縫針織內衣機紗線智能輸送系統的研究［D］.武漢:武漢理工大學自控化學院，2010.

［3］張磊磊，張秋菊.紗線張力傳感器彈性有限元分析及優化設計［J］.工程設計學報，2007，14(5):392-394.

［4］李巧真，李 剛，韓欽澤.電阻應變片的實驗與應用［J］.實驗室研究與探索，2011，30(4):34-137.

［5］胡旭東，黃肖華，彭來湖.內嵌驅動針織機械密度調節裝置研制［J］.紡織學報，2015，36(7):131-135.

［6］杜洪亮，張培仁，王 亮，等.CAN 總線遠程傳輸可靠性的設計方法［J］.電子技術，2009(3):1-3.

［7］樊郭秋，崔希君.基于CAN 總線的泥漿泵故障診斷研究［J］.機械，2013(6):77-81.

［8］盤 龍，林光春，任德均，等.基于CAN 總線的設備監控系統設計［J］.機電工程技術，2014(3):56-58.

［9］童詩白，華成英.模擬電子技術基礎［M］.4 版.北京:高等教育出版社，2006.

［10］王 強，王自勝.參數自學習PID 算法在電動負載模擬器中的應用［J］.兵工自動化，2013(5):64-66，71.

［11］李 革，梅 靖，趙 勻.復貼機張力的模糊自整定PID控制［J］.紡織學報，2006，27(6):41-43.

［12］于文鳳，杜京義.自適應整定PID 在張力控制系統中的應用［J］.工業控制與應用，2007，26(4):26-28.

［13］呂 俊.基于OPC 的PLC 在線PID 模糊自整定系統［J］.輕工機械，2013，31(2):35-39.

［14］王 安，楊青青，閆文宇.模糊自整定PID 控制器的設計與仿真［J］.計算機仿真，2012(12):224-228.