武藝泳,陳鐵軍,羅 勇,周亮杰
(鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院,河南鄭州 450001)
熱牽伸輥(以下簡(jiǎn)稱熱輥)廣泛應(yīng)用于紡織化纖行業(yè),是紡纖聯(lián)合機(jī)上的關(guān)鍵部件之一。熱輥主要由導(dǎo)絲盤、鉑電阻、加熱器、電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)溫度變送器(以下簡(jiǎn)稱旋變器)、溫度控制器組成[1]。熱輥導(dǎo)絲盤在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn),并通過(guò)熱輥內(nèi)部加熱器對(duì)導(dǎo)絲盤進(jìn)行加熱。從紡絲甬道下來(lái)的多條絲束纏繞在上下熱輥的導(dǎo)絲盤上均勻受熱,利用上下導(dǎo)絲盤的線速度差進(jìn)行牽伸、定型[2]。在紡絲牽伸工藝中,熱輥導(dǎo)絲盤表面同一位置的溫度穩(wěn)定性和橫向的溫度均勻性直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。不同溫度條件下?tīng)可斓慕z束品質(zhì)各異,對(duì)民用絲來(lái)說(shuō)影響染色均勻性,對(duì)工業(yè)絲來(lái)說(shuō)影響強(qiáng)力的一致性[3]。導(dǎo)絲盤表面溫度均勻性主要跟加熱器的種類和性能、輥體的材質(zhì)、勻熱方式有關(guān),而溫度穩(wěn)定性主要由溫控系統(tǒng)的控制性能決定。
近年來(lái)我國(guó)熱輥市場(chǎng)發(fā)展迅速,在2010年中國(guó)國(guó)際紡織機(jī)械展覽會(huì)上,日本TMT、德國(guó)巴馬格、瑞士溫特圖爾公司展示了最新的高速熱輥產(chǎn)品[4]。國(guó)內(nèi)多個(gè)企業(yè)在汲取國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)不斷研究改進(jìn),國(guó)產(chǎn)熱輥水平迅速提高,但是,大部分廠家產(chǎn)品還處于小批量、試生產(chǎn)階段。與國(guó)外熱輥產(chǎn)品相比,國(guó)產(chǎn)熱輥在運(yùn)行精度和速度、溫控性能、使用壽命方面還存在較大差距。
本文的熱牽伸輥溫控系統(tǒng)在旋變器、溫控器設(shè)計(jì)以及溫度控制策略上均具有一定的創(chuàng)新性。旋變器采用非接觸式供電技術(shù),為高速旋轉(zhuǎn)的測(cè)溫部件提供電能,并且其內(nèi)嵌高性能單片機(jī),使其同時(shí)具備了溫度采集發(fā)送、數(shù)據(jù)處理及故障診斷能力;溫控器設(shè)計(jì)主要以單片機(jī)為核心,功能完備且極易擴(kuò)展,與使用集成溫控器相比,大大降低了生產(chǎn)成本。為達(dá)到較好的溫度控制性能,將單神經(jīng)元PID控制算法應(yīng)用到熱輥溫控系統(tǒng),并對(duì)該算法中存在的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn),實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自適應(yīng)整定。使用結(jié)果表明,改進(jìn)型單神經(jīng)元PID控制算法提高了溫度控制性能。該系統(tǒng)溫度控制精度較高,超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間小,穩(wěn)定性和抗干擾能力強(qiáng),具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。
熱輥溫控系統(tǒng)主要完成溫度測(cè)量與變送、控制策略執(zhí)行、控制量輸出、加熱器加熱、數(shù)據(jù)通信等功能。鉑電阻(PT100)和旋變器完成溫度的測(cè)量與變送,溫控器完成控制策略執(zhí)行及控制量輸出,由交流調(diào)壓模塊對(duì)加熱器電壓進(jìn)行可調(diào)控制。溫控器同時(shí)接收2路熱輥的旋變器傳送的溫度數(shù)據(jù),并分別控制2個(gè)加熱器對(duì)這2路熱輥加熱。6個(gè)溫控器安裝在1個(gè)控制柜中,通過(guò)柜內(nèi)485總線與控制柜面板進(jìn)行數(shù)據(jù)交互??刂乒衩姘逋瑫r(shí)利用柜外485總線與遠(yuǎn)方PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。PC機(jī)利用上位機(jī)軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控管理。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall system structure diagram
熱輥正常工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)(最高轉(zhuǎn)速為9 000 r/min),所以鉑電阻無(wú)法直接接觸導(dǎo)絲盤表面測(cè)量溫度。該系統(tǒng)將鉑電阻插在緊貼導(dǎo)絲盤內(nèi)壁的槽內(nèi)與其共同旋轉(zhuǎn),盡量減少測(cè)量點(diǎn)與導(dǎo)絲盤表面溫度的差值。鉑電阻與固定在電動(dòng)機(jī)主軸上的旋變器轉(zhuǎn)子相連,完成溫度采集。旋變器定子安裝在機(jī)座上,定子通過(guò)非接觸方式向轉(zhuǎn)子提供電能,轉(zhuǎn)子則通過(guò)紅外向定子回傳溫度數(shù)據(jù)。旋變器采集到的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為12 V數(shù)字電平信號(hào)傳送給溫控器。
加熱器是溫控系統(tǒng)的執(zhí)行器件。傳統(tǒng)的電阻絲加熱方式已被工頻或高頻電感應(yīng)加熱方式取代[2]。高頻感應(yīng)利用高頻渦流的趨膚效應(yīng),可以提高加熱效率,勻溫效果比工頻加熱好,但是需額外配備高頻發(fā)生裝置,增加成本投入。綜合考慮,本文選用工頻電感應(yīng)式加熱器。單相交流調(diào)壓模塊基于交流電力控制原理對(duì)加熱器電壓進(jìn)行可調(diào)控制。調(diào)壓模塊內(nèi)部反并聯(lián)2個(gè)晶閘管,通過(guò)改變調(diào)壓模塊控制端電壓,就可改變晶閘管在每半個(gè)周波內(nèi)輸出觸發(fā)相位角的大小,實(shí)現(xiàn)交流電壓的調(diào)節(jié)。加熱器供電為單相380 V,通過(guò)交流調(diào)壓模塊控制端輸入0~5 V的直流電壓對(duì)其進(jìn)行0~380 V線性調(diào)節(jié)。
旋變器測(cè)溫精度直接影響熱輥溫控系統(tǒng)的控制性能。旋變器包括轉(zhuǎn)子和定子2部分。由于轉(zhuǎn)子隨熱輥高速旋轉(zhuǎn),無(wú)法直接供電,所以定子采用非接觸供電方式向轉(zhuǎn)子提供電能。
非接觸式供電基于電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)[5]。非接觸式供電技術(shù)將傳統(tǒng)變壓器原副邊分離,以空氣為磁介質(zhì),形成松耦合進(jìn)行電能傳輸[6]。在定子端和轉(zhuǎn)子端分別對(duì)應(yīng)安置1組線圈,作為非接觸式供電的原副邊。定子電路由主控器提供12 V直流電源,12 V直流電源通過(guò)振蕩電路與驅(qū)動(dòng)電路逆變成2 MHz高頻交流電供給定子線圈,產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子線圈在高頻交變磁場(chǎng)中感應(yīng)產(chǎn)生同樣頻率的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),經(jīng)整流濾波為轉(zhuǎn)子負(fù)載提供電能。旋變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 旋變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Systeme structure of rotary temperature transmitter
轉(zhuǎn)子電路內(nèi)嵌高性能C8051F410單片機(jī),使其在進(jìn)行溫度采集的同時(shí),還具有數(shù)據(jù)處理與故障診斷能力。轉(zhuǎn)子采用高精度電壓基準(zhǔn)芯片MAX6191單獨(dú)為溫度測(cè)量電路提供高精度低紋波基準(zhǔn)電壓。單片機(jī)每隔固定周期控制片內(nèi)ADC采集1次溫度數(shù)據(jù),并利用軟件完成溫度數(shù)據(jù)的低通濾波和平滑濾波。最后,轉(zhuǎn)子得到的溫度數(shù)據(jù)和報(bào)警信息經(jīng)過(guò)編碼,由單片機(jī)控制紅外發(fā)射管發(fā)送給定子端。
控制柜中安裝6個(gè)溫控器,負(fù)責(zé)對(duì)12路熱輥進(jìn)行溫度控制。控制柜面板上的液晶屏實(shí)時(shí)顯示每路熱輥的溫度值和狀態(tài)信息,液晶屏采用LCD240×128,支持中文顯示,方便工人監(jiān)測(cè)。使用面板上的4×4矩陣鍵盤可對(duì)每路熱輥的溫度設(shè)定值和控制參數(shù)進(jìn)行修改。
控制柜面板采用柜內(nèi)485總線與控制柜中的溫控器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。面板以固定時(shí)間間隔輪詢每個(gè)溫控器,并向其發(fā)送信息幀,信息幀類型包括:數(shù)據(jù)請(qǐng)求、參數(shù)請(qǐng)求、參數(shù)修改。對(duì)應(yīng)地址的溫控器接收到面板發(fā)來(lái)的信息幀后,根據(jù)信息幀的類型進(jìn)行回應(yīng)。計(jì)算機(jī)通過(guò)柜外485總線輪詢每個(gè)控制柜面板進(jìn)行通信。柜外485網(wǎng)絡(luò)中,計(jì)算機(jī)與控制柜面板為主從關(guān)系。柜內(nèi)485網(wǎng)絡(luò)中,控制柜面板與溫控器亦為主從關(guān)系??刂乒衩姘鍖?2路熱輥溫度數(shù)據(jù)和參數(shù)暫存在其RAM中,當(dāng)回應(yīng)計(jì)算機(jī)時(shí)將所有數(shù)據(jù)和參數(shù)上傳給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)修改某一溫控器參數(shù)需首先將修改參數(shù)傳遞給對(duì)應(yīng)的控制柜面板,再由控制柜面板將修改參數(shù)傳遞給對(duì)應(yīng)溫控器。由于控制柜面板處在2個(gè)不同的485總線中,所以控制柜面板的主控芯片選用具有2個(gè)串口的C8051F340單片機(jī),串口0用作與溫控器進(jìn)行柜內(nèi)485通信,串口1用做與計(jì)算機(jī)進(jìn)行柜外485通信。
溫控器是整個(gè)熱輥溫控系統(tǒng)的控制核心,主要功能包括:接收由旋變器傳送的溫度和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)、執(zhí)行溫度控制算法、輸出控制量、與控制柜進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、報(bào)警控制。溫控器硬件主要由穩(wěn)壓電路、主控芯片、光耦隔離、運(yùn)放電路、485通信電路等組成。溫控器總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
每個(gè)溫控器配備1個(gè)雙路隔離輸出變壓器,一路輸出12 V提供給旋變器,另一路輸出9 V提供給溫控器。485通信電路選用MAX1487進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,并采用外部獨(dú)立的開(kāi)關(guān)電源提供5 V電壓,以提高其抗干擾能力和安全性。主控芯片選用C8051F410單片機(jī),其自帶2路12位電流輸出型DAC將運(yùn)算產(chǎn)生的數(shù)字控制量轉(zhuǎn)化為0~2 mA電流。運(yùn)放電路采用LM358將DAC輸出的0~2 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)控制交流調(diào)壓模塊。9 V供電電源一部分經(jīng)LM7805穩(wěn)壓成5 V提供給單片機(jī)及外圍電路,另一部分則直接為L(zhǎng)M358供電。由于溫控器供電電源、旋變器電源和485通信電源均相互獨(dú)立,所以溫度、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的接收以及485通信信號(hào)均需要采用光耦隔離。
熱輥?zhàn)鳛闇囟瓤刂茖?duì)象,具有大慣性時(shí)間常數(shù)和明顯的純滯后,并具有復(fù)雜的非線性和時(shí)變特性。熱輥受工作條件和環(huán)境影響造成的變參數(shù)、變結(jié)構(gòu)等不確定性同樣使控制器參數(shù)整定困難,傳統(tǒng)的PID控制方法難以滿足閉環(huán)優(yōu)化控制的要求。
熱輥正常工作條件下設(shè)定溫度為50~220℃,轉(zhuǎn)速為0~9 000 r/min,在不同工作條件下,均要求溫控系統(tǒng)具有良好的溫度控制性能。傳統(tǒng)PID控制參數(shù)一經(jīng)確定就不會(huì)改變,所以傳統(tǒng)PID控制只能在特定的工作條件下滿足控制要求。工作條件發(fā)生變化后(例如:設(shè)定溫度、轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度改變,掛絲、斷絲等)控制性能將會(huì)變差。單神經(jīng)元PID控制器控制參數(shù)可以通過(guò)神經(jīng)元的自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力進(jìn)行調(diào)整,對(duì)熱輥在不同工作條件下引起的變參數(shù)、變結(jié)構(gòu)都能達(dá)到良好的控制效果。
在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制中,將神經(jīng)元作為最基本的控制元件,結(jié)合常規(guī)PID控制,用誤差的比例、積分和微分作為單個(gè)神經(jīng)元的輸入量,構(gòu)成神經(jīng)元PID控制器[7],其控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。
圖中,狀態(tài)轉(zhuǎn)換器的輸入反映被控過(guò)程及控制系統(tǒng)設(shè)定狀態(tài),yr(k)為系統(tǒng)設(shè)定值,y(k)為系統(tǒng)的實(shí)際輸出值,經(jīng)過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換器變換成神經(jīng)元的3個(gè)輸入量,x1、x2、x3分別為
圖4 單神經(jīng)元PID控制器系統(tǒng)框圖Fig.4 Single-neuron PID controller system block diagram
ωi(k)(i=1,2,3)為神經(jīng)元權(quán)系數(shù),神經(jīng)元的輸入-輸出關(guān)系描述為
式中,取f(I)為線性截?cái)嗪瘮?shù);K為神經(jīng)元比例系數(shù),K>0。單神經(jīng)元控制器輸出可寫成
增量式數(shù)字PID控制算法為
比較式(6)和式(8)可見(jiàn)其形式完全相同,所不同的只是式(6)中的系數(shù)ωi(k)(i=1,2,3)可以通過(guò)神經(jīng)元的自學(xué)習(xí)功能進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,而式(8)中的參數(shù)Kp、Ki、Kd是預(yù)先整定好且不變的。神經(jīng)元的學(xué)習(xí)算法是用來(lái)調(diào)整ωi(k)的規(guī)則,它是神經(jīng)元控制的核心,反映了學(xué)習(xí)方式與學(xué)習(xí)功能。本文采用一種單神經(jīng)元PID的有監(jiān)督Hebb學(xué)習(xí)算法[8],按照有監(jiān)督Hebb學(xué)習(xí)算法,權(quán)系數(shù)ωi(k)的修正學(xué)習(xí)規(guī)則如下:
式中 ηp、ηi、ηd分別為比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率。為了保證學(xué)習(xí)算法的收斂性和控制的魯棒性,對(duì)上述權(quán)系數(shù)修正值進(jìn)行規(guī)范化處理得到如下單神經(jīng)元PID控制算法:
由以上公式可知,單神經(jīng)元PID控制算法結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單,物理意義明確,數(shù)據(jù)運(yùn)算量小,適合于數(shù)據(jù)處理能力不強(qiáng)的單片機(jī)控制系統(tǒng)。
熱輥溫控系統(tǒng)要求上升時(shí)間短,超調(diào)量小,調(diào)整時(shí)間短,達(dá)到穩(wěn)態(tài)后具有較強(qiáng)的魯棒性。實(shí)際調(diào)試應(yīng)用中,單神經(jīng)元PID算法的控制性能和比例系數(shù)K,比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率 ηp、ηi、ηd的選取均有關(guān)系,但K是最敏感的參數(shù),它的取值與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性有密切的關(guān)系。K取值較大時(shí),系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程上升快,但超調(diào)量大,可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定;K取值較小時(shí),超調(diào)量減小,但系統(tǒng)響應(yīng)變慢[9]。為得到綜合性能較好的系統(tǒng),可使K值根據(jù)系統(tǒng)誤差大小進(jìn)行在線調(diào)整[10]。
采用下面的改進(jìn)方法對(duì)熱輥溫控系統(tǒng)單神經(jīng)元PID中的比例系數(shù)K進(jìn)行分段調(diào)整:
式(14)中,KA>KB。熱輥剛開(kāi)始加熱時(shí),溫度偏差值較大,應(yīng)取較大的KA值,以提高升溫速度。當(dāng)溫度逐漸接近設(shè)定值,到達(dá)一定的范圍時(shí),K值以非線性變化逐漸減小到一個(gè)合適的設(shè)定值KB;最后,在一個(gè)較小的溫差范圍內(nèi)保持KB值,使得熱輥穩(wěn)定運(yùn)行。這樣,既保證升溫的快速性,又具有平穩(wěn)的升溫過(guò)程,不產(chǎn)生大的超調(diào),調(diào)節(jié)時(shí)間較短。
熱輥在正常工作情況下置于1個(gè)半封閉工作柜中,防止外界環(huán)境影響溫度穩(wěn)定性。在室溫為20℃、設(shè)定溫度為140℃、熱滾轉(zhuǎn)速為6 000 r/min的工作條件下,利用改進(jìn)型單神經(jīng)元PID和傳統(tǒng)PID對(duì)上述對(duì)象進(jìn)行控制,反復(fù)整定取得最優(yōu)控制效果,得到單神經(jīng)元PID控制參數(shù)為:nA=50,nB=15,KA=2.1,KB=27.4,ω1(0)= ω2(0)= ω3(0)=0.1,ηp=0.13,ηi=0.002 6,ηd=0.07;傳統(tǒng) PID 控制參數(shù)為:P=110,I=2,D=25。圖 5 示出6 000 r/min下的溫度控制曲線。
圖5 6 000 r/min轉(zhuǎn)速下溫度控制曲線Fig.5 Temperature control curve at 6 000 r/min
由圖5可看出,在升溫起始階段,單神經(jīng)元PID慢于傳統(tǒng)PID,是因其控制參數(shù)需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)過(guò)程逐漸增加。大約90 s以后,二者的控制量均達(dá)到最大值,升溫速率基本相同。單神經(jīng)元PID控制溫度上升平穩(wěn),幾乎沒(méi)有超調(diào),調(diào)節(jié)時(shí)間為490 s;傳統(tǒng)PID控制超調(diào)3.5%,調(diào)節(jié)時(shí)間為870 s。單神經(jīng)元PID控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。
當(dāng)熱輥轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,控制參數(shù)不變,其他工作條件不變,溫度控制曲線如圖6所示。由圖可看出,當(dāng)工作條件發(fā)生變化,傳統(tǒng)PID控制效果變差,超調(diào)量增大到10.6%,出現(xiàn)多次震蕩,調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。而單神經(jīng)元PID控制能夠進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間均較短,超調(diào)量小。
圖6 2 000 r/min轉(zhuǎn)速下溫度控制曲線Fig.6 Temperature control curve at 2 000 r/min
當(dāng)溫度控制達(dá)到穩(wěn)定以后,在2 000 s打開(kāi)工作柜柜門15 s,響應(yīng)曲線如圖7所示??梢钥闯觯瑔紊窠?jīng)元PID控制在235 s后恢復(fù)穩(wěn)態(tài),而傳統(tǒng)PID控制在316 s后恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。單神經(jīng)元PID控制抗干擾性能優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。
圖7 打開(kāi)工作柜柜門15 s溫度曲線Fig.7 Temprature curve after openning cabinet door for 15 s
本文研制的熱牽伸輥溫控系統(tǒng)經(jīng)企業(yè)試用發(fā)現(xiàn),旋變器在強(qiáng)油污、強(qiáng)電磁干擾情況下長(zhǎng)期運(yùn)行無(wú)故障出現(xiàn),測(cè)溫精度達(dá)到0.1℃。溫控器操作方便,控制穩(wěn)定,控制效果良好。旋變器轉(zhuǎn)子和定子非接觸供電線圈采用PCB線路板布線的方式,覆銅成螺旋狀分布在1個(gè)PCB圓形平面上。這種形式既能減少生產(chǎn)成本,還便于安裝。轉(zhuǎn)子和定子主電路安裝在模具中,采用環(huán)氧樹脂灌裝。轉(zhuǎn)子通過(guò)螺釘固定在1個(gè)金屬材質(zhì)的軸套上,并利用軸套與電動(dòng)機(jī)軸相連。由于轉(zhuǎn)子在正常工作中高速旋轉(zhuǎn),所以在使用之前需要做動(dòng)平衡處理,以保證熱輥運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。
溫控柜在應(yīng)用中主要考慮穩(wěn)定性和易操作性。在控制柜外部安裝電壓表和電流表便于觀測(cè)和記錄工作過(guò)程中電壓、電流變化??刂乒裆线€安裝有總電源開(kāi)關(guān)、手動(dòng)控制加熱器開(kāi)關(guān),本地/遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)、報(bào)警指示燈等。溫控柜內(nèi)部安裝有電源、溫控器、調(diào)壓模塊、繼電器等。
將改進(jìn)型單神經(jīng)元PID控制算法應(yīng)用于熱輥溫控系統(tǒng),通過(guò)神經(jīng)元的自學(xué)習(xí)功能,實(shí)現(xiàn)了熱輥溫度在不同工作條件下的自適應(yīng)控制。改進(jìn)型單神經(jīng)元PID控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。該熱輥溫控系統(tǒng)在連云港樂(lè)美加特種纖維有限公司試用運(yùn)行良好,具有較高的測(cè)溫精度,良好的人機(jī)交互界面,完善的報(bào)警處理功能。產(chǎn)品封裝設(shè)計(jì)保證了在工作現(xiàn)場(chǎng)高溫、強(qiáng)油污、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境條件下,系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性能和耐用性,使得系統(tǒng)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行安全可靠。該系統(tǒng)即將進(jìn)入量產(chǎn)階段,期望能給我國(guó)紡織化纖行業(yè)帶來(lái)較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
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