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

 
 

發(fā)布時間: 2007/12/1           文章出處:  

 
 
 引言
   目前,國內織機的送經控制系統(tǒng)大部分為機械送經控制系統(tǒng),即通過一系列的機械結構調節(jié)(杠桿、齒輪、彈簧、皮帶等)來控制送經量。實踐表明,機械送經控制系統(tǒng)使得織機結構復雜,滯后嚴重,柔性差?棛C高強度的工作易造成一些機械結構磨損,使控制精度降低。而且,機械送經控
制系統(tǒng)不能滿足中高檔織機的速度要求。電子送經控制系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能正逐步代替機械送經
控制系統(tǒng)。
    國內電子送經控制系統(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)控制的電子送經控制系統(tǒng),但成本較高。國外的電子送經控制系統(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著名的德國百格拉公司有單獨的電子送經控制系統(tǒng)產品,采用的是步進電機控制,很難適應高速、高精度的要求。

1 送經控制系統(tǒng)原理分析
    織機織布時要對經紗的張力進行有效控制,控制織機的送經量,從而織出疏密均勻的布。如果織布時經紗張力控制不均勻,則織出的布將疏密不均,光潔度差,并且容易造成斷經,嚴重影響生產效率。由于織布過程中送經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),很難建立準確的數學模型,控制起來比較復雜。
    所以,織機送經控制系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性以及響應的快速性等,直接影響到織出布的質量和生產效率。

2 控制系統(tǒng)的設計
    2.1 技術方案
    系統(tǒng)采用高速的數字信號處理器(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紗的張力,實時地控制交流伺服電機的轉速和轉向,保證了各個織布周期張力的一致性,F就所采用方案說明如下:
    DSP(數字信號處理器)是適合于這種應用場合的首選器件,由于它采用了多總線的哈佛結構和流水線結構,內部設置了專用硬件乘法器以及專用的DSP命令,所以使DSP實現了高速運算功能— 在1個周期內就能完成乘法運算,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,能實現高速輸人和高速率傳輸數據,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1/0管理,高速并行數據處理算法的優(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,國內推廣應用最為廣泛的DSP器件是美國德州儀器 (TI)公司生產的TMS320系列。TMS320 LF2407 A控制器是為了滿足控制應用而設計的。通過把一個高性能的DSP內核和微處理器的片內外圍設備集成為一個芯片的方案,非常適合于工業(yè)控制領域。它的指令周期為40ns,有高達32K字的FLASH程序存貯器,高達 1. 5K字的數據/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控制算法在設計 PID控制器時,是依靠經驗和試驗在系統(tǒng)調試時確定PID控制器的參數Kp, K1, KD。在以后的使用過程中,或者保持參數不變,或者在外部條件發(fā)生重大變化時,重新手動選擇參數。由前面分析可知,織機送經控制系統(tǒng)是一個非線性、時變和分布參數系統(tǒng),這就要求 PID參數能夠在線調整,以適應改變了的模型。
    而常規(guī) PID控制不能滿足這一要求,因此在設計控制器時,一個關鍵的問題就是 PID參數的實時整定。在選擇控制器算法時,轉向定量和定性相結合的方法— 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。結合模糊控制和PID控制各自的優(yōu)點,在PID控制的基礎上采用模糊控制,將模糊控制和PID控制兩者結合起來,充分發(fā)揮模糊控制靈活性、適應性強的優(yōu)點和PID控制精度高的優(yōu)點。
    根據經驗制定出PID參數的調整規(guī)則,在線進行模糊推理,分別調整PID的3個參數,解決了控制系統(tǒng)中PID參數實時整定的問題?刂七^程中在線整定PID的3個參數,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{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。控制過程中,根據張力偏差通過智能模糊PID算法計算得出一個調整補償量,然后由這兩個量的代數和去控制交流伺服系統(tǒng),所以控制精準、平穩(wěn),不會出現大的波動。

     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紗的張力。與設定值進行比較,再由主控制器DSP根據偏差通過智能模糊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據的處理,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生中斷以采樣張力信號。它的端口A,B,Z經電平轉換芯片 74LVTH245A 轉換 后,分別 與TMS320LF2407A的 QEPI, QEP2, CAPS相連。74LVTH245A完成碼盤5V電平到3.3V的轉換。TMS320LF2407A的事件管理模塊的計數器對碼盤脈沖進行計數。當計數脈沖數與設定值相同時,產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紗的張力。張力傳感器把張力轉化成電壓信號。該電壓信號經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。經過A/D轉換,轉換成數字信號,與設定值比較后,經由智能模糊 PID算 法處理。 外部數據 RAM主要用來進行外部仿真調 試,掉電保護 RAM主要用來存放掉電時系統(tǒng)一 些重要參數。
    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。鍵盤設定分別由TMS32OLF2407A的v0端口控制,軟件結構簡單,液晶和鍵盤相結合來完成經紗張力和故障顯示、故障診斷、張力設定,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動器的 PULSE和SIGN,即由PWM發(fā)出相應頻率和數量的脈沖控制伺服電機的轉速和轉的位置,I/O端口控制伺服電機的轉向。
    系統(tǒng)中,JTAG接口電路主要完成外部仿真調試和程序下載到芯片的FLASH中。

4 軟件構成
    系統(tǒng)軟件設計方案如圖3.


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




5 結束語
     運用該控制方案設計的控制系統(tǒng)實時性好、響應快,并具有自適應調節(jié)功能,各個織布周期張力的一致性好,且送經量精確,控制平穩(wěn),能滿足高檔織機的送經要求,具有較高性價比。中國是紡織行業(yè)大國,織機電子送經控制系統(tǒng)具有巨大市場,并且通過研制具有自己產權的高檔次電子送經控制系統(tǒng)提高了我國織機的檔次,對于人關后我國織機占領國內外市場具有重大意義。

 
 
 
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