定形機排氣濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

李鵬飛 ， 蘇澤斌 ， 景軍鋒 ， 趙永濤

（1.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048；

2.陜西省紡織印染自動化工程技術(shù)研究中心 陜西 西安 710048）

紡織印染行業(yè)中，織物的后整理對產(chǎn)品質(zhì)量的提高有著重要的影響，定形過程中合適的內(nèi)部濕度能使織物達到最佳的品質(zhì)，一般根據(jù)不同布料大約控制在50%～70%之間[1]，如果濕度控制不好，會導(dǎo)致生產(chǎn)布料出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問題，同時過烘會造成大量能源浪費[2]。為了更好地實現(xiàn)工藝要求，通過監(jiān)測排氣濕度來控制定形機內(nèi)部的水蒸氣含量。目前，不少企業(yè)仍然在采用較為簡單的手動調(diào)節(jié)方式，通過調(diào)節(jié)排氣管上閥門的開度來控制內(nèi)部的濕度。對此我們設(shè)計了一套排氣濕度監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r、在線地檢測排氣濕度，并加以控制，既能保證定形機的正常運行，又能最大地節(jié)省能源。本文通過采用參數(shù)自整定模糊PID控制的嵌入式系統(tǒng)對拉幅定形機的排氣濕度進行實時檢測與控制，利用專家的經(jīng)驗知識，模擬人的控制行為，實現(xiàn)一種專家式的非線性控制。

1 檢測方法

織物在定形過程中會產(chǎn)生大量的水蒸氣，同時也要帶走大量熱能，造成能源浪費。為了測量排氣中水分含量，在定形機排氣口安裝了二氧化鋯（ZrO2）測濕傳感器，通過檢測氣體中氧的比例進而得到水蒸氣的含量[3]，之后將采集到的濕度信號送入到處理器中計算出排氣風(fēng)扇的最佳轉(zhuǎn)速，達到廢氣最佳排濕量，以獲得更好的節(jié)能效果。

排氣濕度的預(yù)設(shè)值通過U盤讀到嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，根據(jù)不同織物對于定形機的工藝要求以及節(jié)能的指數(shù)，利用模糊PID算法求出排氣風(fēng)機的相應(yīng)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)的觸摸屏能夠顯示出當(dāng)前的排氣濕度信息，同時對運行數(shù)據(jù)進行記錄，以便后期對數(shù)據(jù)的進行分析和應(yīng)用。根據(jù)資料可知，在一定的排氣濕度范圍內(nèi)，所消耗的成本指數(shù)與織物的蒸發(fā)能力存在某種特定的關(guān)系，排氣濕度值為20%左右時，是成本指數(shù)和蒸發(fā)能力的平衡點。高于這個參數(shù)值時，對織物的蒸發(fā)效率影響很小，但是所需成本呈指數(shù)倍增長；雖然低于20%時，成本能有效減少，但同時也影響了蒸發(fā)效率，達不到所要求的織物所需品質(zhì)。

2 嵌入式ARM硬件系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)

定形機排氣濕度監(jiān)控系統(tǒng)，主要由測濕傳感器、現(xiàn)場控制設(shè)備、執(zhí)行電機3個部分組成。在系統(tǒng)中，以ARM芯片作為嵌入式微處理器，利用二氧化鋯傳感器采集濕度信息、觸摸屏設(shè)置參數(shù)和顯示定形機的排氣濕度和現(xiàn)場時間。設(shè)計采用三星公司的S3C2440作為主控芯片，該處理器采用ARM920T內(nèi)核，自帶8路10位的ADC和觸摸屏接口，同時集成了USB、UART、JTAG等接口，符合設(shè)計要求，完全能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的功能。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the control unit system

控制系統(tǒng)對采集回來的數(shù)據(jù)進行實時存儲和計算，可以控制排氣扇的轉(zhuǎn)速，以達到預(yù)期的控制效果。同時輸出的排氣濕度信息可以實時顯示在觸摸屏上，結(jié)合圖形應(yīng)用軟件，可以繪成相關(guān)曲線。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲部分采用U盤作為整個系統(tǒng)的存儲媒介，存儲的數(shù)據(jù)可以為以后研究提供最佳的控制曲線。

3 控制方式選擇

對于排氣濕度這樣具有滯后性、非線性、時變性的控制對象，理論研究和工程實踐都充分證明了單純采用PID控制和模糊控制都很難取得較好的控制效果。而采用Fuzzy_PID復(fù)合控制方式是一種最佳的解決方案。

常規(guī)離散PID控制算法為

其中，k為采樣序號，T為采樣時間。

在監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中，采用了模糊自適應(yīng)PID控制，實現(xiàn)了PID參數(shù)的在線自適應(yīng)功能，進一步完善了PID控制的最佳性能，在實際應(yīng)用中取得了較好地效果。模糊自適應(yīng)PID控制器以排氣濕度偏差e和偏差變化率ec為輸入，通過模糊控制規(guī)律對常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的P、I、D參數(shù)進行自整定[5]，其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 模糊自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the Fuzzy PID controller

模糊PID控制器建立主要是根據(jù)專家經(jīng)驗進行模糊規(guī)則的建立，模糊PID控制子程序流程圖如圖3所示。利用Matlab的Simulink模塊對常規(guī)PID算法和模糊PID算法進行比較分析，初始濕度值設(shè)置為0%，目標(biāo)濕度值設(shè)置為20%，最后得到的系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖4所示。

通過MATLAB仿真實驗分析兩種控制方法的效果對比來看，模糊自適應(yīng)PID控制器具有超調(diào)量小、響應(yīng)時間短，但是調(diào)節(jié)時間改善不明顯。模糊自適應(yīng)PID控制器不僅保持了常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理簡單、使用方便、魯棒性較強、控制精度高等優(yōu)點，而且具有模糊控制的靈活性、適應(yīng)性強等優(yōu)點。

圖3 模糊PID子程序流程圖Fig.3 Flow chart of the fuzzy PID

圖4 仿真結(jié)果圖Fig.4 Graph of the simulation result

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

軟件系統(tǒng)設(shè)計主要包括Linux操作系統(tǒng)的配置、移植，ARM控制程序的設(shè)計，基于QT的人機交互界面設(shè)計，以及硬件驅(qū)動的設(shè)計和加載，由于最后要在ARM中實現(xiàn)，需要構(gòu)建交叉編譯環(huán)境。我們采取的方案是在Windows平臺下對QT應(yīng)用程序進行開發(fā)，之后將程序源代碼復(fù)制到Linux操作系統(tǒng)中，利用QT的跨平臺特性，對程序進行重新構(gòu)建。QT應(yīng)用程序利用多種進程間通信的方法，實現(xiàn)調(diào)用控制程序的功能。軟件系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖5。

圖5 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Schematic diagram of the software system

4.1 操作系統(tǒng)和驅(qū)動的移植

嵌入式Linux操作系統(tǒng)可移植、實時性強、同時適用于不同的硬件平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計要求[7]。系統(tǒng)需要多個設(shè)備驅(qū)動程序，包括ADC數(shù)據(jù)采集驅(qū)動、觸摸屏驅(qū)動以及PWM驅(qū)動。操作系統(tǒng)內(nèi)核移植的主要過程就是對于內(nèi)核代碼的正確修改，然后對內(nèi)核進行配置以設(shè)置目標(biāo)平臺和指定交叉編譯器路徑[8]，最后進行編譯，以生成內(nèi)核映像文件。其中主要是對Linux的內(nèi)核的配置，包括對支持驅(qū)動的模塊加載[9]，支持的S3C2440硬件平臺、網(wǎng)口、觸摸屏、U盤等，以上Linux內(nèi)核配置已經(jīng)能基本滿足本控制系統(tǒng)的要求，然后運行make dep，make clean，make zImage編譯指令則可生成新的內(nèi)核映像文件，拷貝到目標(biāo)板上即可運行。

4.2 控制程序設(shè)計

定形機控制程序主要實現(xiàn)初始化和讀取系統(tǒng)內(nèi)預(yù)存儲值，即給排氣扇電機一個初始轉(zhuǎn)速，然后啟動排氣濕度采集，傳感器將檢測到信號送入到A/D采集電路中，經(jīng)放大變換后，將信號送入S3C2440微處理器進行處理，S3C2440微處理器根據(jù)設(shè)定值和檢測值做比較運算后，將采集到的工藝參數(shù)顯示在人機界面上，同時調(diào)用模糊PID控制算法，輸出控制信號給執(zhí)行裝置。主程序流程圖如圖6。

圖6 控制程序流程圖Fig.6 Flow chart of the controller

5 系統(tǒng)實際運行效果

系統(tǒng)采用QT進行實時人機界面開發(fā)，它是挪威Trolltech公司針對不同平臺開發(fā)的GUI的一款設(shè)計軟件，只需在一種平臺上進行開發(fā)，然后在其他平臺直接構(gòu)建就可以直接運行，開發(fā)的應(yīng)用程序清晰美觀，易于移植，非常適用于嵌入式開發(fā)。在界面中實現(xiàn)對底層傳感器的操作，需要使用C++和C的混合編程。在設(shè)計的主程序中，C程序主要出現(xiàn)在某些功能函數(shù)段中，使用主函數(shù)調(diào)用初始化函數(shù)，進行硬件初始化，并打開A/D設(shè)備，調(diào)用讀取函數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。在ARM上的實際運行效果如圖7。

圖7 人機界面效果圖Fig.7 Interface chart of the test system

6 結(jié) 論

本課題將模糊控制和PID控制結(jié)合起來，充分利用模糊控制和PID控制的優(yōu)勢，滿足不同時刻e和ec對參數(shù)自適應(yīng)的要求，對定形機各項工藝參數(shù)具有良好的控制效果。

嵌入式Linux系統(tǒng)能很好地支持?jǐn)?shù)據(jù)采集的多樣性和實時性，各功能模塊的并行使用和友好的人機界面又代表了產(chǎn)品的智能化。利用QT設(shè)計的人機界面友好，能夠清晰方便地顯示定形機運行的參數(shù)，方便了設(shè)備的監(jiān)控和管理。

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