針織圓緯機牽拉張力閉環(huán)控制技術

彭來湖， 吳英剛, 王羅俊, 胡旭東

(1. 浙江理工大學 現代紡織裝備技術教育部工程研究中心， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江理工大學 浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

在針織圓緯機編織過程中，織物牽拉是整個編織過程的重要環(huán)節(jié)，直接關系到織物密度的均勻性和整體產品的質量。根據實際生產經驗，牽拉卷取裝置對織物產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。目前國內外研究的牽拉卷取裝置主要是機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[2]，福建泉州凹凸精密機械有限公司和意大利圣東尼公司都有直流電動機牽拉卷取裝置。機械傳動控制方式中雖然牽拉輥與針筒線速比穩(wěn)定，但在更換產品的種類時，需要工人停機后手動調節(jié)織物牽拉力度，機器調試效率低，重現性差，自動化程度低。開環(huán)電子式控制方式可實現牽拉參數在線不停車數字化調節(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驅動牽拉輥，通過實時控制電動機輸出扭力實現對布面的牽引，在電網電壓波動時，電動機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到布面張力恒定控制的精細要求。

針對針織圓緯機牽拉卷取機構的機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行恒張力控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計方案。系統(tǒng)以高性能ARM芯片為控制核心，集人機交互、張力采集處理、電動機驅動、通訊等模塊于一體，并結合模糊PID控制算法，實現了針織圓緯機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)控制原理及機構優(yōu)化

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

為實現轉速傳動，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構的基礎上增加張力檢測輥。改進后的牽拉卷取機構側面示意圖如圖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輥，張力檢測輥和中間輔牽拉輥為被動旋轉輥，右側輔牽拉輥為自由輥，起壓扁布面的作用。當布面牽拉張力發(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)生相應變化，這樣即可實現布面牽拉張力的實時檢測。

圖1 牽拉卷取機構側面示意圖Fig.1 Sketch map of drawing and rolling-up device

2 硬件電路設計

2.1 總體硬件設計方案

根據牽拉卷取機構的控制要求，系統(tǒng)選擇ARM為控制器核心，通過編程實現復雜的算法來提高控制精度[3-4]。硬件驅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內核的ARM芯片STM32F407；液晶驅動模塊配液晶屏和觸摸屏實現數據交互和顯示；張力檢測模塊對壓力傳感器所測的微弱信號進行放大和濾波，并送入MCU的模數轉換器(ADC)通道；電動機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；通信模塊為可擴展模塊，包括RS485和CAN。

圖2 電路總體結構圖Fig.2 Block diagram of hardware circult

2.2 織物張力實時檢測電路

設計方案選擇橋式應變片式電阻傳感器進行張力檢測，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行ADC采樣，設計方案選用三運放儀表電路對微弱信號進行放大，再送入MCU的ADC通道。儀表放大電路擁有差分式結構，對共模噪聲抑制強，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量，放大電路的增益設定為1 000。

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

2.3 電動機驅動電路

根據實際牽拉卷取過程，驅動主牽拉輥的電動機速度和方向都要方便調節(jié)，驅動卷取輥的電動機要能在一定負載范圍內保持被卷物張力均勻。通過對各類電動機的機械特性比較，本系統(tǒng)采用步進電動機來驅動主牽拉輥，采用卷繞特性的交流力矩電動機來驅動卷取輥。

對于步進電動機的驅動，MCU將控制步進電動機驅動器的方向、脈沖管腳引出，接到雙通道高速光耦TLP2116的前端，以實現信號隔離。同時由于步進電動機驅動器對步進電動機采用差分控制[6]，所以光耦TLP2116后端的控制信號先經過差分芯片AM26LS31CD轉化為差分信號，再連接到步進電動機驅動器上。

力矩電動機驅動電路簡圖如圖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的供電電壓。

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

3 控制程序設計

3.1 基于多任務調度的軟件設計方案

uC/OS-II是一個實時性強、任務多的內核，提供任務管理機制[8]。本系統(tǒng)通過移植uC/OS-II，將不同的工作分成多任務進行處理，主要任務如圖5所示。包括LCD刷新顯示任務、張力檢測及處理任務和電動機驅動任務，MCU初始化后，各任務間通過消息郵箱進行數據傳輸。

圖5 力矩電動機驅動電路簡圖Fig.5 Simple driving circuit of torque motor

3.2 LCD刷新顯示任務程序

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進行人機界面設計，可實現參數的輸入和數據的顯示，如進行布面張力大小、浮動范圍的設置，以及張力檢測值的顯示等。

3.3 張力檢測及處理任務程序

方案設計目標是實現牽拉張力閉環(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，刷新顯示任務和電動機驅動任務。

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

3.4 電動機驅動任務程序

電動機驅動任務主要是通過調節(jié)步進電動機的轉速來維持牽拉張力的恒定。電動機驅動任務流程如圖7所示。MCU將LCD屏上設置的張力值和張力檢測及處理任務發(fā)送的織物實時張力值進行對比，判斷二者差值是否在浮動的范圍內，而后決定是否需要執(zhí)行電動機動作。若超出浮動范圍，則結合恒張力閉環(huán)控制算法調節(jié)步進電動機轉速。

圖7 電動機驅動任務流程圖Fig.7 Flow-process diagram of motor drive

4 恒張力閉環(huán)控制算法實現

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定的張力值進行比較，計算出誤差e和誤差的變化c，并通過模糊控制器進行模糊推理[2]，得到一組新的調節(jié)參數kp、ki和kd，再用此參數調節(jié)電動機速度，從而逐步改變織物張力達到設定值。

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

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

表1 3個參數模糊規(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行去模糊化處理，采用的是工控中應用廣泛的重心法，以比例系數為例，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確性起很大的作用，為驗證放大電路增益和ADC采樣的準確性，本文實驗為壓力傳感器加載不同質量的物體，然后將壓力傳感器轉換的模擬量送入放大電路，放大后的信號由MCU采集和換算，得到加載物體的質量。實驗結果如表2所示。可看出，放大電路的增益與上文確定的值相符，MCU所測質量與實際加載質量接近，從而驗證了本系統(tǒng)張力檢測的準確性。

表2 壓力采集統(tǒng)計表

5.2 步進電動機驅動測試

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

圖9 步進電動機控制波形圖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 結束語

本文針對圓型緯編針織機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，深入分析現有機械式牽拉卷取機構和開環(huán)電子式牽拉卷取機構的優(yōu)劣，采用張力閉環(huán)控制理論，優(yōu)化設計牽拉卷取機構，提出一種針織圓緯機動態(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、實時控制和人機交互于一體的牽拉張力閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現了布面張力的恒穩(wěn)控制，解決了圓型緯編針織機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)設計方案的合理性和可靠性，具有良好的工程應用前景。