針織圓緯機(jī)牽拉張力閉環(huán)控制技術(shù)

彭來湖， 吳英剛, 王羅俊, 胡旭東

(1. 浙江理工大學(xué) 現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)教育部工程研究中心， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實驗室， 浙江 杭州 310018)

在針織圓緯機(jī)編織過程中，織物牽拉是整個編織過程的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到織物密度的均勻性和整體產(chǎn)品的質(zhì)量。根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，牽拉卷取裝置對織物產(chǎn)生的牽拉張力過小會使織物折疊變皺[1]，張力過大會使織物拉伸變形，損壞織物。目前國內(nèi)外研究的牽拉卷取裝置主要是機(jī)械傳動控制方式和開環(huán)電子式控制方式。其中，開環(huán)電子控制方式較為先進(jìn)[2]，福建泉州凹凸精密機(jī)械有限公司和意大利圣東尼公司都有直流電動機(jī)牽拉卷取裝置。機(jī)械傳動控制方式中雖然牽拉輥與針筒線速比穩(wěn)定，但在更換產(chǎn)品的種類時，需要工人停機(jī)后手動調(diào)節(jié)織物牽拉力度，機(jī)器調(diào)試效率低，重現(xiàn)性差，自動化程度低。開環(huán)電子式控制方式可實現(xiàn)牽拉參數(shù)在線不停車數(shù)字化調(diào)節(jié)，分為定線速比跟隨型和定扭力輸出控制型。定線速比跟隨型是指牽拉輥速度實時跟隨針筒轉(zhuǎn)速，需要使用編碼器實時采集針筒位置信號，由于編碼信號存在量化誤差，特別在機(jī)器加減速度、啟停過程中，速度跟隨的滯后問題凸顯，造成布面張力不穩(wěn)定；定扭力輸出控制型使用力矩電動機(jī)驅(qū)動牽拉輥，通過實時控制電動機(jī)輸出扭力實現(xiàn)對布面的牽引，在電網(wǎng)電壓波動時，電動機(jī)輸出力矩會跟隨波動，亦造成布面張力不穩(wěn)定，所以，開環(huán)電子式控制方式無法達(dá)到布面張力恒定控制的精細(xì)要求。

針對針織圓緯機(jī)牽拉卷取機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動控制方式和開環(huán)電子式控制方式的不足，本文提出了一種可以對織物進(jìn)行恒張力控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。系統(tǒng)以高性能ARM芯片為控制核心，集人機(jī)交互、張力采集處理、電動機(jī)驅(qū)動、通訊等模塊于一體，并結(jié)合模糊PID控制算法，實現(xiàn)了針織圓緯機(jī)在編織過程中布面張力恒定控制的要求。

1 牽拉張力閉環(huán)控制原理及機(jī)構(gòu)優(yōu)化

控制系統(tǒng)實時檢測并控制織物張力，是牽拉張力實現(xiàn)閉環(huán)控制的基本要求。設(shè)計方案通過橋式壓力傳感器間接檢測和反饋當(dāng)前織物張力，再由主控制器將反饋的張力和人機(jī)界面設(shè)定的張力進(jìn)行比較，若二者的差值超出誤差范圍，則主控制器根據(jù)模糊PID算法計算的電動機(jī)轉(zhuǎn)速來控制電動機(jī)速度，從而控制織物張力維持在設(shè)定的范圍內(nèi)，實現(xiàn)牽拉張力的閉環(huán)控制。

為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速傳動，原有牽拉輥組3根輥體間存在橫向作用力，中間輔牽拉輥下側(cè)雖包覆半圓周布面，但無法傳遞布面張力，為解決這一問題，本文在原有的牽拉卷取機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加張力檢測輥。改進(jìn)后的牽拉卷取機(jī)構(gòu)側(cè)面示意圖如圖1所示。主要包括主牽拉輥、輔牽拉輥、卷取輥、張力檢測輥、橋式壓力傳感器等。張力檢測輥安裝于主牽拉輥和輔牽拉輥下方，兩端通過安裝座固定于橋式壓力傳感器之上。主牽拉輥的旋轉(zhuǎn)牽引織物從2輔牽拉輥間隙中向下，繞過下方張力檢測輥后從主牽拉輥和一輔牽拉輥中間出來，最后繞到卷取輥上。主牽拉輥和卷取輥為主動旋轉(zhuǎn)輥，張力檢測輥和中間輔牽拉輥為被動旋轉(zhuǎn)輥，右側(cè)輔牽拉輥為自由輥，起壓扁布面的作用。當(dāng)布面牽拉張力發(fā)生變化時，會引起壓力傳感器所輸出的電模擬量信號發(fā)生相應(yīng)變化，這樣即可實現(xiàn)布面牽拉張力的實時檢測。

圖1 牽拉卷取機(jī)構(gòu)側(cè)面示意圖Fig.1 Sketch map of drawing and rolling-up device

2 硬件電路設(shè)計

2.1 總體硬件設(shè)計方案

根據(jù)牽拉卷取機(jī)構(gòu)的控制要求，系統(tǒng)選擇ARM為控制器核心，通過編程實現(xiàn)復(fù)雜的算法來提高控制精度[3-4]。硬件驅(qū)動電路的整體框圖如圖2所示。其中：微控制單元(MCU)采用Cortex-M4內(nèi)核的ARM芯片STM32F407；液晶驅(qū)動模塊配液晶屏和觸摸屏實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和顯示；張力檢測模塊對壓力傳感器所測的微弱信號進(jìn)行放大和濾波，并送入MCU的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)通道；電動機(jī)控制模塊主要控制主牽拉輥和卷取輥的速度；電源模塊為其他模塊提供所需的電源；通信模塊為可擴(kuò)展模塊，包括RS485和CAN。

圖2 電路總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Block diagram of hardware circult

2.2 織物張力實時檢測電路

設(shè)計方案選擇橋式應(yīng)變片式電阻傳感器進(jìn)行張力檢測，其靈敏度為(2±0.1)mV/V，量程為10 kg，供電電壓采用5 V，所以每1 g質(zhì)量的變化會引起壓力傳感器1 μV的電壓變化。張力檢測電路簡圖如圖3所示。為方便MCU對傳感器微弱信號進(jìn)行ADC采樣，設(shè)計方案選用三運(yùn)放儀表電路對微弱信號進(jìn)行放大，再送入MCU的ADC通道。儀表放大電路擁有差分式結(jié)構(gòu)，對共模噪聲抑制強(qiáng)，適合對微弱信號的放大[5]。考慮到MCU的采樣信號電壓為0～3.3 V，以及織物張力大小和張力檢測輥的質(zhì)量，放大電路的增益設(shè)定為1 000。

圖3 張力檢測電路簡圖Fig.3 Simple circult of tension detection

2.3 電動機(jī)驅(qū)動電路

根據(jù)實際牽拉卷取過程，驅(qū)動主牽拉輥的電動機(jī)速度和方向都要方便調(diào)節(jié)，驅(qū)動卷取輥的電動機(jī)要能在一定負(fù)載范圍內(nèi)保持被卷物張力均勻。通過對各類電動機(jī)的機(jī)械特性比較，本系統(tǒng)采用步進(jìn)電動機(jī)來驅(qū)動主牽拉輥，采用卷繞特性的交流力矩電動機(jī)來驅(qū)動卷取輥。

對于步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動，MCU將控制步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的方向、脈沖管腳引出，接到雙通道高速光耦TLP2116的前端，以實現(xiàn)信號隔離。同時由于步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器對步進(jìn)電動機(jī)采用差分控制[6]，所以光耦TLP2116后端的控制信號先經(jīng)過差分芯片AM26LS31CD轉(zhuǎn)化為差分信號，再連接到步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器上。

力矩電動機(jī)驅(qū)動電路簡圖如圖4所示。該電路原理是通過改變力矩電動機(jī)的供電電壓來改變輸出力矩大小。MCU首先通過交流電過零檢測電路[7]來捕獲交流電過零點(diǎn)時刻，然后輸出同步控制信號到雙向可控硅電路，從而控制力矩電動機(jī)的供電電壓。

圖4 任務(wù)交互流程圖Fig.4 Flow-process diagram of task interactions

3 控制程序設(shè)計

3.1 基于多任務(wù)調(diào)度的軟件設(shè)計方案

uC/OS-II是一個實時性強(qiáng)、任務(wù)多的內(nèi)核，提供任務(wù)管理機(jī)制[8]。本系統(tǒng)通過移植uC/OS-II，將不同的工作分成多任務(wù)進(jìn)行處理，主要任務(wù)如圖5所示。包括LCD刷新顯示任務(wù)、張力檢測及處理任務(wù)和電動機(jī)驅(qū)動任務(wù)，MCU初始化后，各任務(wù)間通過消息郵箱進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 力矩電動機(jī)驅(qū)動電路簡圖Fig.5 Simple driving circuit of torque motor

3.2 LCD刷新顯示任務(wù)程序

emWin是由SEGGER公司研發(fā)的圖形化軟件，適用于各種嵌入系統(tǒng)[9]。本系統(tǒng)移植emWin進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計，可實現(xiàn)參數(shù)的輸入和數(shù)據(jù)的顯示，如進(jìn)行布面張力大小、浮動范圍的設(shè)置，以及張力檢測值的顯示等。

3.3 張力檢測及處理任務(wù)程序

方案設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)牽拉張力閉環(huán)控制，因此織物張力需要實時檢測。張力檢測及處理任務(wù)流程如圖6所示。MCU將ADC通道采集的傳感器放大信號換算成織物的實時張力，并通過消息郵箱的通信方式發(fā)送給LCD，刷新顯示任務(wù)和電動機(jī)驅(qū)動任務(wù)。

圖6 張力檢測及處理任務(wù)流程圖Fig.6 Flow-process diagram of tension detection and handle

3.4 電動機(jī)驅(qū)動任務(wù)程序

電動機(jī)驅(qū)動任務(wù)主要是通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來維持牽拉張力的恒定。電動機(jī)驅(qū)動任務(wù)流程如圖7所示。MCU將LCD屏上設(shè)置的張力值和張力檢測及處理任務(wù)發(fā)送的織物實時張力值進(jìn)行對比，判斷二者差值是否在浮動的范圍內(nèi)，而后決定是否需要執(zhí)行電動機(jī)動作。若超出浮動范圍，則結(jié)合恒張力閉環(huán)控制算法調(diào)節(jié)步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖7 電動機(jī)驅(qū)動任務(wù)流程圖Fig.7 Flow-process diagram of motor drive

4 恒張力閉環(huán)控制算法實現(xiàn)

4.1 模糊PID算法的引入

對于非線性且時變系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID算法無法滿足系統(tǒng)的控制需要，所以在設(shè)計張力閉環(huán)控制系統(tǒng)時引入了模糊PID控制算法[10]。模糊PID控制流程如圖8所示。傳感器實時測量織物張力并反饋給MCU，MCU將檢測到的張力值和設(shè)定的張力值進(jìn)行比較，計算出誤差e和誤差的變化c，并通過模糊控制器進(jìn)行模糊推理[2]，得到一組新的調(diào)節(jié)參數(shù)kp、ki和kd，再用此參數(shù)調(diào)節(jié)電動機(jī)速度，從而逐步改變織物張力達(dá)到設(shè)定值。

圖8 模糊PID控制流程框圖Fig.8 Flow-process diagram of fuzzy PID control

4.2 模糊PID的自整定實現(xiàn)

模糊控制器選取e和c為輸入變量，kp、ki、kd為輸出變量，各變量的隸屬函數(shù)選取計算簡單的三角形隸屬函數(shù)，論域設(shè)定為[-3,3]，模糊子集語言變量取值為{NEB, NEM, NES, ZO, POS, POM, POB}，依次代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大[11]。根據(jù)模糊控制的基本規(guī)則，kp、ki、kd3個參數(shù)對系統(tǒng)的影響，以及織物張力的自身特性，得出3個參數(shù)模糊規(guī)則表，如表1所示。

表1 3個參數(shù)模糊規(guī)則表Tab.1 Fuzzy ruleTable of three parameters

在模糊規(guī)則建立后，要想精確地得到輸出值需要進(jìn)行去模糊化處理，采用的是工控中應(yīng)用廣泛的重心法，以比例系數(shù)為例，重心法的計算公式為

5 實驗測試和仿真測試

5.1 壓力采集測試

信號放大電路的性能和ADC采樣精度對張力檢測的準(zhǔn)確性起很大的作用，為驗證放大電路增益和ADC采樣的準(zhǔn)確性，本文實驗為壓力傳感器加載不同質(zhì)量的物體，然后將壓力傳感器轉(zhuǎn)換的模擬量送入放大電路，放大后的信號由MCU采集和換算，得到加載物體的質(zhì)量。實驗結(jié)果如表2所示。可看出，放大電路的增益與上文確定的值相符，MCU所測質(zhì)量與實際加載質(zhì)量接近，從而驗證了本系統(tǒng)張力檢測的準(zhǔn)確性。

表2 壓力采集統(tǒng)計表

5.2 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動測試

系統(tǒng)采用差分的方式控制步進(jìn)電動機(jī)的速度和方向，圖9示出控制步進(jìn)電動機(jī)的差分波形。經(jīng)實驗測試，在改變控制脈沖的頻率時，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速會相應(yīng)改變。

圖9 步進(jìn)電動機(jī)控制波形圖Fig.9 Waveform of step motor contral

5.3 恒張力閉環(huán)控制算法仿真測試

從圖10可看出，織物實際張力對于界面設(shè)定的張力具有良好的跟隨性能，說明系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)好，使用模糊自整定PID控制算法能滿足張力閉環(huán)控制的要求。

6 結(jié)束語

本文針對圓型緯編針織機(jī)在編織高端織物時牽拉力不穩(wěn)定造成布面密度不均的工程問題，深入分析現(xiàn)有機(jī)械式牽拉卷取機(jī)構(gòu)和開環(huán)電子式牽拉卷取機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣，采用張力閉環(huán)控制理論，優(yōu)化設(shè)計牽拉卷取機(jī)構(gòu)，提出一種針織圓緯機(jī)動態(tài)牽拉力恒定控制方法，研發(fā)了一整套包括張力檢測、信號處理、實時控制和人機(jī)交互于一體的牽拉張力閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了布面張力的恒穩(wěn)控制，解決了圓型緯編針織機(jī)牽拉時布面張力波動的問題。通過算法仿真和實驗測試，驗證了控制系統(tǒng)設(shè)計方案的合理性和可靠性，具有良好的工程應(yīng)用前景。