模糊PID控制在自動光電整緯裝置中的應用
摘要：針對紡織品在運行過程中的變形是非線性、時變的特點，提出一種新型自動整緯裝置的設計方法。採用高性能的TMS320LF2407A芯片作爲主處理單元，軟件採用自適應模糊PID控制，着重介紹模糊PID控制器的設計方法。實踐表明，該儀器能對薄型、中厚型純棉或混紡織物及其染色織物的緯斜、緯彎進行自動檢測，並實現自動整緯，整緯精度達到國家標準優等品要求。
關鍵詞：光電整緯裝置；模糊PID；DSP
0. 引言
整緯裝置是糾正紡織品在染整過程中由於工藝因素產生的緯紗變形不可缺少的設備。紡織品染整工藝中，由於織物在運行過程中的變形是不確定的、非線性的、時變的，而且不同織物彈性、摩擦係數等性能不同，目前國內生產的整緯裝置存在穩定性差、品種適應性差等缺點，整緯精度不能完全滿足行業需求。現採用高性能的TMS320LF2407A芯片作爲主處理單元，軟件採用自適應模糊PlD控制，大大提高了整緯裝置的整緯精度和穩定性，取得了良好的效果。
1. 系統總體設計及工作原理
新型自動光電整緯裝置是集光、機、電一體化的技術含量較高的紡織儀器。該裝置能對薄型、中厚型純棉或混紡織物及其染色織物的緯斜、緯彎進行自動檢測．經計算機處理，實現自動整緯。
1.1 系統結構
自動光電整緯裝置由三大部分組成，系統結構框圖如圖l所示。圖1中，以DSP爲核心處理器的數據採集及處理部分主要包括DSP、輸出驅動電路、電機控制電路、光電檢測頭(四隻)、信號處理電路以及多路模擬開關等；以PC機處理顯示部分主要由PC機構成，完成參數設定、實時顯示織物運行狀態等；機械執行部分主要由直流伺服電動機及矯正裝置組成。
1.2 工作原理
光電檢測頭採用光電透射式檢測方式，將織物緯紗的影像通過光學系統成像到集成光電池上。四隻光電檢測頭內各有一隻集成硅光電池，每隻硅光電池集成13片長條形硅光電池，與水平成-6°~+6°排列。當緯紗像的斜度與某一光電池相等或相近時，光電池條輸出信號幅度最大，其它各路電池輸出信號較小，則輸出信號最大者，其對應角度即爲織物緯紗偏角大小。
當測速電機輸出電壓達到起始值(織物行進速度≥5 m/s)時，四隻檢測頭的52路(13×4)硅光電池上的光信號經光電轉換後得到電流信號，電流信號分別經過濾波、放大、整流等信號處理後，輸出適合ADC處理的電壓信號。這些信號在DSP發出的控制信號作用下，通過網個十六路模擬開關CD4067的輸出腳經過一個射極跟隨器後，依次分時送TMS320LF2407A自帶的A/D轉換器轉換爲數字信號。DSP按數值大小，先確定各檢測頭所反映的緯紗度數，一方面通過RS232通訊方式傳給PC機顯示，另一方面經“緯紗綜合處理程序”得到緯紗變形信號，即緯斜、緯彎量值大小。由於光電檢測頭檢測的是經過矯正裝置矯正後的緯紗變形數值，因而所得數值即爲偏差e。經過幾個採集週期後，獲得偏差變化率ec：以e和ec爲輸入量，經過TMS320LF2407A內模糊PID控制器運算，分別獲得緯斜、緯彎的控制輸出量。該量再經過驅動電路(74LS366、MCL413)、電機控制電路(多諧振盪器、可控硅驅動電路)，分別驅動緯斜、緯彎直流電動機，帶動緯斜、緯彎矯正裝置實施矯正。由於織物的狀態隨時改變，所以矯正裝置始終在做相應的轉動，保證剩餘緯紗偏差不大於2％。
2. 模糊PID控制器的設計
2.1 模糊PID控制結構圖
模糊PID控制器結構如圖2所示。.緯紗信息輸入量經過緯紗綜合處理程序，將緯斜、緯彎偏差分離。本裝置實際需要設計緯斜、緯彎兩個模糊PID控制器。爲了克服模糊推理時實時計算量大的缺點，圖2中緯斜模糊控制器、緯彎模糊控制器已將一系列模糊控制規則離線轉化爲相應查詢表，利用緯斜、緯彎偏差和偏差變化率對參數KP、KI、KD三個參數進行在線調整，經增量式PID控制算式計算獲得控制量u，控制矯正裝置對織物實施矯正。兩個模糊PID控制器設計方法相同，下面僅以緯斜模糊PID控制器爲例加以說明。
2.2 變量的模糊化
把輸入變量值e和ec經過模糊化處理而變化成模糊量論域上的值，將輸入數據轉換化成合適的語言值，這種過程稱爲“模糊化”。這裏就是把e、ec分別乘以量化比例因子k1、k2。e、ec的實際變化範圍、模糊子集、量化因子等如表1所示。e、ec模糊語言值取 “負大”(NB)、“負中”(NM)、“負小” (NS)、“零” (ZE)、“正小” (PS)、“正中” (PM)、“正大”(PB)共七個值，隸屬函數採用三角形，如圖3所示。
同樣，對輸出變量KP、KI、KD模糊語言值取NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB共七個值，模糊量論域：[-5，-3，-1，0，+1，+3，+5]，其隸屬函數採用三角形，如圖4所示。根據以往數據經驗，KP量化到(10，30)內，K1量化到(0，7)內，KD量化到(0，4)內。
2.3 模糊規則及模糊推理
模糊控制規則主要基於操作人員長期積累的經驗，針對KP、KI、KD三個參數分別整定的模糊控制表如表2所示。
2.4 清晰化計算
通過模糊推理得到的是模糊量，而對於實際的控制則必須爲清晰量，網此需要將模糊量轉化爲清晰量，這就是清晰化計算所要完成的任務。清晰化計算的方法有最大隸屬度法、中位數法和加權平均法。本設計採用加權平均法，這種方法取μc(z)的加權平均值爲z的清晰值，即：
據此，可算出不同e、ec組合時KP0、KI0、KD0清晰量的實時查詢表，經過尺度變換後得到實際控制量KP、KI、KD，再用常規PID公式計算，即可獲得緯斜、緯彎裝置的實際控制量。
3. 測試結果
爲評定自動光電整緯裝置的整緯效果，現場從PC機顯示屏觀測，每隔5 s紀錄一次各光電檢測頭緯斜數據，連續檢測18次，如表3所示。
按國家標準《機織物與針織物緯斜和弓緯試驗方法》及《棉印染布》技術要求規定，一般織物的花斜或緯斜不大於4％，條格織物花斜或緯斜不大於3％即爲優等品，電腦光電整緯裝置企業標準也是現在市場上普遍認可的標準，花斜或緯斜不大於2％即緯斜量和緯彎量中最大者不大於1.15°。
從表3的18次檢測結果來看，18次檢測均合格，即合格率爲100％。並且，緯斜不大於1.5％的概率爲94.4％；緯斜不大於1％的概率爲88.89％，遠遠高於國家標準要求。採用傳統控制方式時，整緯裝置只能保證平均85.1％時間內緯斜小於2％；91.48％時間內小於3％。採用模糊PID控制方式後，產品整緯精度得到了明顯提高。
4. 結語
由於織物緯紗變形是不確定的、非線性的、時變的，對於不同織物常規PID控制器的參數往往整定不良、性能欠佳。將模糊算法和PID控制相結合，設計了基於工業級PC機和高性能TMS320LF2407A芯片爲硬件基礎，軟件採用模糊HD控制的自動光電整緯裝置，適用織物品種廣，整緯精度達到國家標準優等品要求，具有良好的應用前景。