陳 存,路林吉

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

基于模糊PID算法的服裝送帶機控制系統(tǒng)

陳 存,路林吉

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

隨著通信技術(shù)、電子技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式控制系統(tǒng)在軍事、通信、工業(yè)、制造業(yè)以及人們生活的各個方面得到了廣泛應(yīng)用。在服裝生產(chǎn)設(shè)備行業(yè)中，對各種自動化設(shè)備的控制也提出了更高的要求。為滿足對松緊帶張力和對送料尺寸精度控制的要求，詳細分析了服裝送帶機的功能需求。硬件部分以dsPIC30F5015控制器為核心，以L298N來驅(qū)動直流電機。軟件部分分析了張力和給定輸入之間的關(guān)系，介紹了模糊PID算法的設(shè)計規(guī)則和思路，通過引入模糊控制策略，改善了普通PID算法無法很好適應(yīng)松緊帶變化的問題。根據(jù)軟硬件設(shè)計，制作了樣機并與整個設(shè)備聯(lián)機運行。該服裝送帶機展現(xiàn)了一個嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)過程，完全滿足控制精度和快速性要求，對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)具有很好的指導(dǎo)意義。

服裝送帶機； 閉環(huán)控制系統(tǒng)； 張力控制； 直流電機； 模糊PID； 參數(shù)整定

0 引言

服裝送帶機是一種應(yīng)用于縫制行業(yè)、與縫紉機配套的全自動化設(shè)備，主要用來控制松緊帶的張力和給料的尺寸。隨著縫制行業(yè)的發(fā)展，對服裝送帶機的張力控制穩(wěn)定性和送料尺寸精度控制要求越來越高；同時，還要求服裝送帶機能對不同的松緊帶有很好的自適應(yīng)能力[1]。

為了實現(xiàn)上述效果，在普通PID算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊策略，對服裝送帶控制器算法進行設(shè)計[2]。通過開發(fā)樣機，對算法進行測試，模糊PID控制策略確實可以改善張力控制的穩(wěn)定性和給料尺寸的精度。本文通過闡述服裝送帶機控制器的設(shè)計開發(fā)，介紹、分析了嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計方法和實現(xiàn)過程，為嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

服裝送帶機控制系統(tǒng)使用dsPIC30F5015芯片作為核心，通過芯片自帶的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換功能，采集松緊帶的張力[3]?？刂葡到y(tǒng)硬件框圖如圖 1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件框圖

通過使用芯片自帶的正交編碼器接口(quadrature encoder interface,QEI)模塊，連接霍爾傳感器，測量直流電機的轉(zhuǎn)速和位置[4]；使用外環(huán)張力負反饋和內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速負反饋的串級控制方法，作為服裝送帶機控制器的控制算法；使用L298N芯片作為直流電機控制電路的主器件，完成對電機電樞電壓的控制，從而達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的[5]。大部分的功能來自dsPIC30F芯片的外設(shè)，使控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計更簡便、快捷。

通過芯片自帶的通用同步/異步接收發(fā)送器(universal synchronous/asynchronous receiver transmitter，USART)外設(shè)功能，實現(xiàn)了與顯示屏的通信；通過合理的軟件設(shè)計，可以很好地監(jiān)控送帶機的運行過程[6]；同時，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)控制算法的參數(shù)，可以使設(shè)備具有通用性。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 L298N 驅(qū)動電路設(shè)計

電機驅(qū)動電路選用高電壓、大電流的雙全橋式驅(qū)動芯片L298N。電機驅(qū)動電路原理圖如圖2所示。

圖2 電機驅(qū)動電路原理圖

該芯片共有2 組H橋電路，每組由4個大功率晶閘管組成。最大直流驅(qū)動電壓可達40 V，可容納最高5 A的電流，可兼容標準的TTL電平來驅(qū)動感性負載[7]。VSS接控制邏輯電源，VS接驅(qū)動電機電源[2]。IN1～IN4輸入端為標準TTL邏輯電平信號，直接接到INAA、INBB端，通過調(diào)整IN1、IN2這2個輸入口上的高低電平組合，即可實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)控制[8]。ENA引腳為使能控制口，單片機發(fā)出的PWM 信號連接到TTL端，通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速[5]。4個二極管D3～D6起到保護L298N 芯片的作用。

2.2 串行通信

USART也稱為串行通信接口(serial communication interface，SCI)模塊，是dsPIC30F5015單片機與其他計算機及單片機外部擴展自立外設(shè)芯片之間實現(xiàn)串行通信的模塊[9]。其工作方式既包括可與PC或CRT終端等外圍模塊進行通信的全雙工異步方式，又包括可與A/D或D/A變換器、串行EEPROM存儲器等外圍模塊進行通信的半雙工同步通信方式[10]。

dsPIC30F5015單片機USART模塊需要的兩根外部引腳是和I/O端口模塊復(fù)用的RF2和RF3兩根線。在使用USART模塊時，RF端口模塊不僅必須放棄對RF2和RF3兩根線的使用權(quán)，而且還不能干擾這兩個引腳。在實際使用過程中，在RF模塊一側(cè)設(shè)置引腳為輸入模式(對外呈高阻態(tài))，令方向寄存器TRICF<3：2>= 11。

2.3 其他電路

為了與送帶機控制系統(tǒng)進行交互，需要設(shè)計按鍵電路、顯示電路和電源電路。為了更新芯片的程序代碼，還需要設(shè)計下載電路。這些設(shè)計都可以很方便地利用單片機自帶的普通I/O實現(xiàn)，這里不再贅述。

3 給定輸入分析

3.1 輸入受力分析

對于服裝送帶機,松緊帶張力是一個非常重要的參數(shù)。在對送帶機進行受力分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)一定的控制方法來實現(xiàn)送帶機恒定張力的控制。壓力傳感器的受力分析如圖3所示。圖3中：f為作用在松緊帶上的拉力；F為作用在傳感器上的垂直向下的壓力，由松緊帶張力的垂直分量產(chǎn)生；α為松緊帶拉力方向與垂直方向的夾角。

圖3 壓力傳感器受力分析圖

本設(shè)計的控制目標是在不同設(shè)定值(set value，SV)下使得松緊帶的松緊程度一定，即松緊帶的張力一定。通過設(shè)置設(shè)定值SV，就可設(shè)定松緊帶的張力f。當(dāng)夾角α足夠小時，cos(α)=1，則F=2f；當(dāng)夾角α造成的影響不可忽略時，F(xiàn)=2kf ，k=cos(α)。SV與f 、F之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 SV與f、F的關(guān)系示意圖

圖4中：矩形框區(qū)域所示的張力f很小，故此區(qū)域為死區(qū)，沒有使用。如圖4虛線所示，當(dāng)SV<970cN時，F(xiàn)從15cN開始計算；當(dāng)SV>970cN時，F(xiàn)從-10cN開始計算。具體算法如下。

Feed<970

Target_F=(((int)SV-feed_0g)*(long)1000L)/(long)(feed_1000g-feed_0g)+15;

Feed>970

Ttarget_F=(((int)SV-feed_0g)*(long)1000L)/(long)(feed_1000g-feed_0g)-10;

以上算法中：

intfeed_0g=970;//要求FEED=970時候帶張力是0

intfeed_1000g=500;//要求FEED=500時候帶張力為500g

設(shè)定了SV值后即可知道目標壓力值，該壓力即作用在傳感器上垂直向下的壓力值F。該壓力值可通過模擬電路來獲取，通過A/D傳感器，將F轉(zhuǎn)換為A/D值，即可得出目標A/D值。

3.2 輸入量的具體計算

在實際使用過程中，使用不同的松緊帶會造成0g時A/D值的差異；傳感器經(jīng)過一段時間的使用后，0g時的A/D值也會發(fā)生變化。針對上面兩種情況，可以測試得到0g時的當(dāng)前A/D值，然后把計算使用的曲線平移，最后計算出和實際壓力F對應(yīng)的當(dāng)前目標A/D值,具體算法如下。

unsignedintpressure_to_ad(intpress)

{

intad_0g=list.weight_0g;//0g壓力情況對應(yīng)的AD值

intad_1000g=list.weight_1000g;//1000g壓力情況對應(yīng)的AD值

inttarget_ad;

inttarget_ad_act;

target_ad=ad_0g-((long)press*(long)(ad_0g-ad_1000g))/1000L;

target_ad_act=target_ad-(int)list.auto_com+(int)list.ad_com-100;

if(target_ad_act<10)target_ad_act=10;

return(target_ad_act);

}

4 算法設(shè)計

服裝送帶控制器系統(tǒng)框圖如圖5所示。該系統(tǒng)包括內(nèi)部直流電機的轉(zhuǎn)速控制環(huán)和外部送帶機的恒定張力控制環(huán)?？刂葡到y(tǒng)的輸入A/D值由上文分析給出。

圖5 控制系統(tǒng)框圖

模糊PID算法依據(jù)特定的模糊推理規(guī)則對PID調(diào)節(jié)的比例、微分、積分參數(shù)進行在線優(yōu)化，已取得比較理想的控制結(jié)果[11]。

模糊PID的控制包括參數(shù)模糊化、模糊規(guī)則推理、參數(shù)解模糊和PID控制器等幾個重要組成部分[12]。確定PID的三個參數(shù)KP、KI、KD與誤差e和誤差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運行中不斷監(jiān)測e和ec的變化[13]，根據(jù)模糊規(guī)則對三個參數(shù)進行實時修改，以滿足不同的e和ec對控制參數(shù)的不同要求[14]，使得被控制對象有良好的動態(tài)和靜態(tài)性能。模糊PID算法框圖如圖6所示。

圖6 模糊PID算法框圖

在服裝送帶機運行過程中，系統(tǒng)實時檢測偏差和偏差變化率兩個變量，并將其映射到相應(yīng)的論域，通過在控制規(guī)則表中尋找各參數(shù)的修正值，實現(xiàn)對PID各參數(shù)的實時調(diào)整[15]。同時，考慮到dsPIC30F的計算能力，執(zhí)行實時計算是不現(xiàn)實的，因此，要根據(jù)模糊控制規(guī)則，在PC計算機上生成參數(shù)修正表。在實際的算法實現(xiàn)中，通過查表來實現(xiàn)對PID參數(shù)的實時修正。

5 結(jié)束語

在硬件電路設(shè)計方面，系統(tǒng)選用了dsPIC30F5015作為控制芯片，充分利用芯片自帶的外設(shè)功能，使硬件電路的開發(fā)變得簡便、快捷、可控，而且大大地節(jié)省了硬件電路的調(diào)試時間。同時，詳細分析了給定輸入和松緊帶的張力之間的關(guān)系；展現(xiàn)了在解決實際問題中，如何把理論和實踐應(yīng)用相結(jié)合的過程。對于控制方法，在普通PID方法的基礎(chǔ)上，加入了模糊算法策略，提高了服裝送帶機張力控制的穩(wěn)定度。

對開發(fā)樣機進行驗證，樣機硬件、軟件設(shè)計都達到了服裝送帶機的設(shè)計要求。通過對實際開發(fā)過程的總結(jié)，描述了一個實際嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計過程。設(shè)計過程包括系統(tǒng)框架和功能、硬件設(shè)計、軟件分析和設(shè)計和制造樣機測試。通過以上具體過程的實現(xiàn)，對實際嵌入式控制系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

[1] 宋甲強.送帶機恒張力控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機電信息,2009,

25(36):49-52.

[2] 李曉鵬,劉建都.基于Smith算法的模糊PID控制器的設(shè)計[J].微計算機信息,2009,25(31):66-67.

[3] 李榮正,王誠杰,戴國銀.PIC單片機原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.

[4] 劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真[M].2版.北京:郵電工業(yè)出版社,2007.

[5] 林家泉,程緒宇.一種小型直流電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計方案[J].自動化與儀表,2014(11):73-76.

[6] 梁銀海.智能繡花機控制系統(tǒng)的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2008.

[7] 王葳,張永科.無刷直流電機模糊PID控制系統(tǒng)研究與仿真[J].計算機仿真,2012,29(4):196-199.

[8] 賀志軍.基于LM629 的電機伺服控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造,2009(2):40-42.

[9] 趙建偉.大型水庫燈光控制系統(tǒng)設(shè)計[J].科技信息，2009(36):66.

[10]劉和平.dsPIC通用數(shù)字信號控制器原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[11]趙常林.基于模糊自適應(yīng)PID的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電流控制器研究[J].邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2012(2):74-78.

[12]曹躍進,楊楊.基于模糊PID控制器的多電機控制系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2012(5):74-76.

[13]武彬.模糊自整定PID控制器的設(shè)計與開發(fā)[D].北京:華北電力大學(xué),2015.

[14]張菊艷.模糊自適應(yīng)PID控制器在SRD中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2008,18(20):5664-5667.

[15]靳文軍,劉伯鴻.優(yōu)化GA的模糊自適應(yīng)張力控制[J].自動化儀表,2013(7):82-85.

Control System Based on Fuzzy PID Algorithm for Elastic Band Feeder in Garment Production

CHEN Cun,LU Linji

(School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

Along with the rapid development of communication technology and electronics technology，the embedded systems have been widely used in military,communication,industry,manufacturing and other fields for people’s daily life.In industry of garment production equipment,higher control requirements for a variety of automation equipment have also to be put forward.In order to satisfy the control requirements for tension of the elastic bands,and the accurate control of the feeding sizes,the functional needs of the elastic band feeder are analyzed in detail.The hardware is developed based on dsPIC30F5015 controller,which uses L298N to drive DC motor.For the software,the relationship between the tension and the given input has been analyzed,and the design rule and concept of fuzzy PID control are introduced;through introducing the fuzzy control strategy,the problem of adapting the change of elastic band can be improved,while it cannot be solved by ordinary PID algorithm.In accordance with the design of software and hardware,the prototype is made and the whole equipment is put into operation.This feeder demonstrates the process of design and implementation of an embedded control system which meets the requirements of control accuracy and rapidity.It has very good guidance significance for the development of the embedded system in reality.

Elastic band feeder; Closed-loop control system; Tension control; DC motor; Fuzzy PID; Parameter tuning

陳存(1987—)，男，在讀碩士研究生，主要從事嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計和嵌入式控制算法的研究。E-mail：chencunjie2007@126.com。

TH-39;TP205

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201704009

修改稿收到日期：2016-11-14