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基于 DSP的智能電子送經(jīng)控制系統(tǒng)
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基于 DSP的智能電子送經(jīng)控制系統(tǒng)

 
 

發(fā)布時間: 2007/12/1           文章出處:  

 
 
 引言
   目前,國內(nèi)織機的送經(jīng)控制系統(tǒng)大部分為機械送經(jīng)控制系統(tǒng),即通過一系列的機械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)(杠桿、齒輪、彈簧、皮帶等)來控制送經(jīng)量。實踐表明,機械送經(jīng)控制系統(tǒng)使得織機結(jié)構(gòu)復(fù)雜,滯后嚴重,柔性差?棛C高強度的工作易造成一些機械結(jié)構(gòu)磨損,使控制精度降低。而且,機械送經(jīng)控
制系統(tǒng)不能滿足中高檔織機的速度要求。電子送經(jīng)控制系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能正逐步代替機械送經(jīng)
控制系統(tǒng)。
    國內(nèi)電子送經(jīng)控制系統(tǒng)一般都是采用PLC或單片機作為主控制器,電機采用力矩電機或步進電機,采用速度控制和開環(huán)控制方式,只能適應(yīng)低速織機。也有采用高檔 PLC或工業(yè)計算機作為主控制器來進行閉環(huán)控制的電子送經(jīng)控制系統(tǒng),但成本較高。國外的電子送經(jīng)控制系統(tǒng)一般集成在整個織機控制器中,電機采用步進電機或伺服電機,一般專用于織特定布的織機,柔性差,對用戶來講成本高,F(xiàn)著名的德國百格拉公司有單獨的電子送經(jīng)控制系統(tǒng)產(chǎn)品,采用的是步進電機控制,很難適應(yīng)高速、高精度的要求。

1 送經(jīng)控制系統(tǒng)原理分析
    織機織布時要對經(jīng)紗的張力進行有效控制,控制織機的送經(jīng)量,從而織出疏密均勻的布。如果織布時經(jīng)紗張力控制不均勻,則織出的布將疏密不均,光潔度差,并且容易造成斷經(jīng),嚴重影響生產(chǎn)效率。由于織布過程中送經(jīng)布軸的軸徑不斷變小,以及其他噪聲及干擾因素,所以該系統(tǒng)是一個時變的非線性的系統(tǒng),很難建立準確的數(shù)學(xué)模型,控制起來比較復(fù)雜。
    所以,織機送經(jīng)控制系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性以及響應(yīng)的快速性等,直接影響到織出布的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計
    2.1 技術(shù)方案
    系統(tǒng)采用高速的數(shù)字信號處理器(DSP)作主控制器。采用的核心算法為智能模糊PID算法?刂齐姍C采用交流伺服電機,保證了控制的準確性和快速性。在一個織布周期里的多個不同時刻實時地檢測經(jīng)紗的張力,實時地控制交流伺服電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,保證了各個織布周期張力的一致性,F(xiàn)就所采用方案說明如下:
    DSP(數(shù)字信號處理器)是適合于這種應(yīng)用場合的首選器件,由于它采用了多總線的哈佛結(jié)構(gòu)和流水線結(jié)構(gòu),內(nèi)部設(shè)置了專用硬件乘法器以及專用的DSP命令,所以使DSP實現(xiàn)了高速運算功能— 在1個周期內(nèi)就能完成乘法運算,這比通用微處理機快10一100倍。DSP是一種高速專用微處理器(MCU),其運算功能強大,能實現(xiàn)高速輸人和高速率傳輸數(shù)據(jù),它專門處理以運算為主不允許遲延的實時信號,高效進行快速傅立葉變換運算。它包含有靈活可變的1/0接口和片內(nèi)1/0管理,高速并行數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)化指令集。
    DSP的精度高、可靠性好,為電機控制提供高效可靠的平臺。
    目前,國內(nèi)推廣應(yīng)用最為廣泛的DSP器件是美國德州儀器 (TI)公司生產(chǎn)的TMS320系列。TMS320 LF2407 A控制器是為了滿足控制應(yīng)用而設(shè)計的。通過把一個高性能的DSP內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外圍設(shè)備集成為一個芯片的方案,非常適合于工業(yè)控制領(lǐng)域。它的指令周期為40ns,有高達32K字的FLASH程序存貯器,高達 1. 5K字的數(shù)據(jù)/程序 RAM, 544字雙口RAM, 2K字的單口RAM,兩個適合于電機控制的事件管理器模塊集成有10位A/D轉(zhuǎn)換器。所以控制系統(tǒng)選用 TMS320LF240FA作為系統(tǒng)主控制器。
    傳統(tǒng)PID控制算法在設(shè)計 PID控制器時,是依靠經(jīng)驗和試驗在系統(tǒng)調(diào)試時確定PID控制器的參數(shù)Kp, K1, KD。在以后的使用過程中,或者保持參數(shù)不變,或者在外部條件發(fā)生重大變化時,重新手動選擇參數(shù)。由前面分析可知,織機送經(jīng)控制系統(tǒng)是一個非線性、時變和分布參數(shù)系統(tǒng),這就要求 PID參數(shù)能夠在線調(diào)整,以適應(yīng)改變了的模型。
    而常規(guī) PID控制不能滿足這一要求,因此在設(shè)計控制器時,一個關(guān)鍵的問題就是 PID參數(shù)的實時整定。在選擇控制器算法時,轉(zhuǎn)向定量和定性相結(jié)合的方法— 模糊控制。模糊控制實際上是一種非線型控制,屬于智能控制的范疇。結(jié)合模糊控制和PID控制各自的優(yōu)點,在PID控制的基礎(chǔ)上采用模糊控制,將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來,充分發(fā)揮模糊控制靈活性、適應(yīng)性強的優(yōu)點和PID控制精度高的優(yōu)點。
    根據(jù)經(jīng)驗制定出PID參數(shù)的調(diào)整規(guī)則,在線進行模糊推理,分別調(diào)整PID的3個參數(shù),解決了控制系統(tǒng)中PID參數(shù)實時整定的問題?刂七^程中在線整定PID的3個參數(shù),集中了模糊控制和PID控制的優(yōu)點,使系統(tǒng)有很好的動態(tài),穩(wěn)態(tài)性能和適應(yīng)性,而且抗干擾能力強,有很好的魯棒性?刂浦胁捎梦恢每刂坪托∑钗⒘空{(diào)整控制方法?刂品绞綖橄扔沙跏紶顟B(tài) 自動算出一個控制量?刂七^程中,根據(jù)張力偏差通過智能模糊PID算法計算得出一個調(diào)整補償量,然后由這兩個量的代數(shù)和去控制交流伺服系統(tǒng),所以控制精準、平穩(wěn),不會出現(xiàn)大的波動。

     2.2 控制系統(tǒng)原理
    系統(tǒng)控制原理框圖如圖1。電子送經(jīng)系統(tǒng)工作原理為:在一個織布周期里多個不同時刻通過張力傳感器實時地檢測經(jīng)紗的張力。與設(shè)定值進行比較,再由主控制器DSP根據(jù)偏差通過智能模糊PID算法計算得出一控制量,實時地控制交流伺服系統(tǒng)。



3 硬件構(gòu)成
    控制系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2。圖中,系統(tǒng)主控制器為TMS320LF2407A,實時完成對各種輸人輸出數(shù)據(jù)的處理,以及模糊PID算法的運算。

 


    光電碼盤用來在程序執(zhí)行過程中特定位置產(chǎn)生中斷以采樣張力信號。它的端口A,B,Z經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片 74LVTH245A 轉(zhuǎn)換 后,分別 與TMS320LF2407A的 QEPI, QEP2, CAPS相連。74LVTH245A完成碼盤5V電平到3.3V的轉(zhuǎn)換。TMS320LF2407A的事件管理模塊的計數(shù)器對碼盤脈沖進行計數(shù)。當計數(shù)脈沖數(shù)與設(shè)定值相同時,產(chǎn)生中斷進行對張力采樣。
   系統(tǒng)由安裝在織機上的張力傳感器實時測得經(jīng)紗的張力。張力傳感器把張力轉(zhuǎn)化成電壓信號。該電壓信號經(jīng)模擬處理電路處理得到 DSP 芯片的A/D模塊可處理的與張力傳感器輸出電 壓成比例的電壓信號。張力傳感器經(jīng)模擬處理電 路處理過的電壓,由DSP芯片的 A/D模塊的 ADCIN00通道接受。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,與設(shè)定值比較后,經(jīng)由智能模糊 PID算 法處理。 外部數(shù)據(jù) RAM主要用來進行外部仿真調(diào) 試,掉電保護 RAM主要用來存放掉電時系統(tǒng)一 些重要參數(shù)。
    液 晶 模 塊 采 用 間 接 控 制 方 式 與 TMS32OLF2407A相連,用 TMS320LF2407A的 I/0 端口控制,用軟件模擬操作時序。鍵盤設(shè)定分別由TMS32OLF2407A的v0端口控制,軟件結(jié)構(gòu)簡單,液晶和鍵盤相結(jié)合來完成經(jīng)紗張力和故障顯示、故障診斷、張力設(shè)定,自動、手動控制等功能。
     系統(tǒng)所采用電機為交流伺服電機,采用位置控制模式,由TMS320LF2407A的PWM端口I/O端口分別控制交流伺服驅(qū)動器的 PULSE和SIGN,即由PWM發(fā)出相應(yīng)頻率和數(shù)量的脈沖控制伺服電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)的位置,I/O端口控制伺服電機的轉(zhuǎn)向。
    系統(tǒng)中,JTAG接口電路主要完成外部仿真調(diào)試和程序下載到芯片的FLASH中。

4 軟件構(gòu)成
    系統(tǒng)軟件設(shè)計方案如圖3.


        .系統(tǒng)管理程序:負責(zé)對所有子程序模塊的管理。
        .人機界面交互接口程序:負責(zé)對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整,以及故意診斷的顯示和查詢。
        .開停機處理程序:負責(zé)開停機時對一些參數(shù)的處理和優(yōu)化補償。
        .模糊算法:負責(zé)對系統(tǒng)PID參數(shù)的在線模糊整定。
         PID算法:負責(zé)用 PID算法計算出輸出量控制電機。
        .故障診斷給保護程序:負責(zé)對系統(tǒng)故障的診斷和保護。
        .掉電數(shù)據(jù)保護程序:負責(zé)對系統(tǒng)掉電時對數(shù)據(jù)的保護以及再次操作時對數(shù)據(jù)的恢復(fù)。
    總程序框圖如圖4,碼盤中斷程序框圖如圖 5.




5 結(jié)束語
     運用該控制方案設(shè)計的控制系統(tǒng)實時性好、響應(yīng)快,并具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能,各個織布周期張力的一致性好,且送經(jīng)量精確,控制平穩(wěn),能滿足高檔織機的送經(jīng)要求,具有較高性價比。中國是紡織行業(yè)大國,織機電子送經(jīng)控制系統(tǒng)具有巨大市場,并且通過研制具有自己產(chǎn)權(quán)的高檔次電子送經(jīng)控制系統(tǒng)提高了我國織機的檔次,對于人關(guān)后我國織機占領(lǐng)國內(nèi)外市場具有重大意義。

 
 
 
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