基于H∞濾波的異纖光電信號檢測

姚俊紅

(德州學院 機電工程系， 山東 德州 253023)

基于H∞濾波的異纖光電信號檢測

姚俊紅

(德州學院 機電工程系， 山東 德州 253023)

針對紡織企業異纖難以檢測的問題，提出一種采用單個綠色調制光源、3個硅光電池規則排列檢測異纖和紗疵的方案。通過對硅光電池接收的反射和透射信號進行對比，分析紗線顏色和直徑的變化，判斷紗線是否存在異纖和紗疵。同時建立了數學模型，基于H∞濾波方法采用MatLab軟件進行仿真實驗。結果證明，該算法對紗線表面亮度信號檢測和紗線直徑信號檢測的信號突變更加敏感，并可跟蹤異色百分比的變化，所設計的異纖和紗疵檢測方案切實可行，H∞濾波算法可有效提高異色疵點和粗細節疵點的檢測精度。

H∞濾波； 異纖； 光電信號檢測； 數學模型； 仿真

光電傳感器可以對物體的形狀和顏色進行檢測[1]，其在絡筒機上的紗疵和異纖檢測中得到了廣泛應用。新型的電子清紗器如瑞士Uster生產的QUANTUM型、Loepfe 公司生產的Yarnmaster Spectra型、日本Keisokki公司生產的Tri Chord型等都采用了光電傳感器[2-3]。國內電子清紗器局限于紗疵檢測，異纖檢測功能還沒有得到完全突破[4]，但仍有許多學者對異纖檢測方式進行了相關研究，吳家碚等[5]提出采用雙光源配置解決扁平紗疵和捻度的影響問題，董曉亮等[6]提出由1路光源和2路光電接收器按一定的角度放置, 形成固定的光路檢測異色紗疵的設計思路，并給出了前置放大電路，盛國俊[7]等提出一種采用2個藍光LED和3路光電池的結構方案，并采用改進的最小熵濾波器，通過σ的調整來提高局部特征信號的提取能力，獲得了更好的各級異纖特征表達能力。

本文提出一種采用單個綠色調制光源、3個硅光電池檢測異纖和紗疵的方案，并基于H∞濾波方法，進行仿真分析。

1 檢測方案

為了排除雜、散光的干擾，本文利用光調制技術[8]，考慮常見異纖色澤，選擇了綠色調制光源，如圖1所示。在紗線通道的正面安裝由綠色發光管和驅動電路構成的綠色調制檢測光源，通道的背面和2個側面安裝3個硅光電池作為光電接收器。光源發出的光照在紗線上，通道背面的光電池接收透射的紗線信號，當紗線存在粗細明顯變化的疵點時, 透射信號發生相應的幅度變化,若超過預先設定的工藝標準，則判斷為粗細節紗疵。在理想狀況下，透射信號反映的只是紗線沿光束方向的直徑信息。

圖1 光電信號檢測方案Fig.1 Solution of optical signal detection

通道2個側面的硅光電池接收反射紗線的信號，反射信號中包含紗線的顏色(灰度) 信息和紗線的直徑信息。將反射信號中的直徑信息與透射信號的直徑信息進行對比，經過數據處理、鑒別和判斷，從而可以全方位地判斷紗線上是否存在粗細節紗疵。將2個側面的硅光電池產生的反射信號與背面的硅光電池得到的透射信號進行對比，去除其中的直徑信息，可以得到單純的紗線顏色信息，將信號經過放大等處理，就可以實現檢測異纖的目的。

2 系統建模

根據經典故障檢測文獻[9],建立線性離散系統模型：

(1)

顯然，理想情況下di≡0，wi≡0，同時vi≡0，此時系統模型變為

(2)

由于異色疵點、粗節疵點、系統噪聲、外部擾動、建模誤差等不確定因素的影響，引入1個未知輸入向量di和2個噪聲向量wi和vi。

3 問題描述

考慮到di、wi和vi的隨機統計特性很難通過實際測量得到，本文采用擅長處理不確定性系統的H∞濾波方法。

(3)

4 H∞光電信號檢測設計

根據文獻[10-11]可將式(1)重新描述為

(4)

式中，若I∈Rn×n表示單位矩陣，則

(5)

若用zi表示待估計信號，則

zi=Lixi

(6)

式中Li=I。

采用格林空間線性估計理論[10-11]解決H∞光電信號檢測問題。根據文獻 [11]中定理1，可給出如下引理。

圖3 異色疵點1情形Fig.3 Cases of color defect 1. (a) Yarn diameter signal；(b) Yarn surface brightness signal；(c) Leis percentage change

引理1：給定標量r>0，如果[FiGi]行滿秩，僅當下式成立時，滿足式(3)的H∞光電信號檢測器存在。

(7)

式中P0=∏0，Pj滿足如下的黎卡提方程

(8)

且

(9)

如果式(7)成立，則一個H∞光電信號檢測器可由下式給出

式中

(10)

且

(11)

5 仿真實驗

信號處理系統結構如圖2所示。光源發出的調制光經紗線透射或反射后，由硅光電池接收并轉換為相應的電信號；再由前置放大器和濾波器進行信號調理，放大檢測信號，抑制噪聲，提高信噪比；最后，經A/D轉換器轉換為數字信號，并送入微控制器進行處理[12]。

圖2 信號處理框圖Fig.2 Flow chart of signal processing

由于式(1)等同式(4)，為簡單起見，用式(4)進行仿真實驗。其中，矩陣Fi、Gi和Hi在式(5)中已給出，為常數矩陣；ui和vi假設為方差為1的白噪聲向量；系統測量輸出

而狀態信號

仿真部分采用美國Mathworks公司開發的MatLab軟件。利用引理1做仿真實驗，分別在CJ14.5 tex筒紗上截取2段帶有異色疵點和1段帶有粗節疵點的采樣紗線信號進行實驗，采用H∞濾波方法和不采用H∞濾波方法的對比結果如圖3～5所示(其中k為采樣時刻，T為采樣周期，仿真采樣周期為0.1 s)。

圖3、4分別針對2段帶異色疵點的紗線，對其采樣數據進行了檢測，從圖可看出，無論是紗線直徑信號檢測，還是紗線表面亮度信號檢測，所設計的算法對信號突變更加敏感，同時還可跟蹤異色百分比圖5為針的變化，大大提高異色疵點的檢測精度。對1段帶有粗節疵點的紗線，對其采樣數據進行檢測的結果。仿真結果進一步驗證了算法的有效性，特別是檢測器增加了粗節疵點處的信號突變幅度，使對粗節疵點的檢測更加容易。

圖4 異色疵點2情形Fig.4 Cases of color defect 2. (a) Yarn diameter signal；(b) Yarn surface brightness signal；(c) Leis percentage change

圖5 粗節疵點情形Fig.5 Cases of slub defect. (a) Yarn diameter signal；(b) Yarn surface brightness signal

6 結 論

采用單個綠色調制光源、將3個硅光電池分別配置在紗線通道的背面和2個側面進行檢測，獲得透射、反射信號，經過信號處理，實現了異纖和粗細節紗疵的檢測。在建立數學模型基礎上，基于H∞濾波方法對信號又進行了處理，并采用MatLab軟件進行了仿真實驗，得出如下結論。

1)采用單個綠色調制光源、3個硅光電池進行檢測異纖和紗疵的方案切實可行，為紗線質量檢測提供了參考。

2)基于H∞濾波算法對紗線表面亮度信號檢測和紗線直徑信號檢測的信號突變更加敏感，使檢測精度更高。

FZXB

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Optical signal detection of foreign fibers based on H∞ filter

YAO Junhong

(MechatronicEngineerDepartment,DezhouUniversity,Dezhou,Shandong253023,China)

To solve the problem of the difficulty in detecting foreign fibers in textile enterprises, a technical solution was put forward, in which a single green modulated light and three silicon photocells regularly arrayed were adopted. It can detect foreign fibers and yarn faults by means of contrasting the reflection and transmission signals

by the silicon photocells and analyzing the color and diameter changes of yarn. A mathematical model was established, and the simulation experiment was made based on H∞ filter using software MatLab. The results proved that the algorithm is more sensitive to signal singularity of the surface brightness signal and the diameter signal of yarn, and can also track the color change on a percentage scale. It is further confirmed that the scheme of detecting foreign fibers and yarn faults is feasible, and the H∞ filter algorithm can effectively improve the detection precision of yarn faults such as color change and heavy and thin fiber.

H∞ filter; foreign fiber; optical signal detection; mathematical model; simulation

0253- 9721(2013)09- 0125- 05

2012-07-29

2013-05-09

山東省科技攻關計劃項目(2011YD07007);德州市科技發展計劃項目(20080206)

姚俊紅(1968—)，女，副教授，碩士。主要研究方向為紡織機械設計。E-mail:yaojunhong-wlx@163.com。

TP 271.4

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