基于模糊PID的紡織整緯機運動控制方法

王婷 楊軍 王波 張鵬

摘?要：為了進一步優化紡織整緯機在多工況、大慣性下的精確作業能力，本文基于模糊PID控制算法研究其運動控制方法，包括數據采集、系統辨識、控制設計、軟件在環（SIL）測試及硬件在環（HIL）測試的五個步驟。控制設計中的核心技術是模糊控制算法，具體包括：模糊化、模糊規則、模糊推理、清晰化四步。軟件在環及硬件在環測試表明本文方法的適應性與穩定性更高。

關鍵詞：模糊PID;運動控制;紡織整緯機;SIL測試;HIL測試

紡織整緯機是紡織機械中用于糾正緯線的機器，具體而言：在加工布料時，整緯機能夠自動檢測緯紗的傾斜角度及方向，有效糾正織物在生產過程中產生的緯斜、緯弧，提高織物質量。整緯機的運動控制技術是其核心技術。傳統運動控制方法常采用PID控制算法，然而隨著整緯機結構系統復雜多變，在不同工況下具有不同的系統傳遞函數，所述不同工況指輥子的轉速變化以及布料的寬度、軟硬程度變化等不同工作狀況，以及整緯機的結構系統慣性較大，很難達到快速的響應，導致傳統的PID控制算法很難適應多工況、大慣性下的運動控制要求，仍然需要進一步改進。模糊PID控制作為一種非線性控制技術，無須精確知道系統模型，既有系統化的理論，又有實際應用案例，能夠根據外界的擾動變化實時優化PID控制參數，可應用于整緯機的實時運動控制。

1?紡織整緯機控制系統及原理

本文整緯機運動控制系統包括視覺采集器、控制器和執行機構，其中控制器包括圖像處理模塊和運動控制模塊;執行機構包括伺服電機和通過伺服電機驅動的機械結構;視覺采集器和伺服電機均與控制器電連接。執行機構的機械結構包括皮帶減速傳動機構、絲桿和通過螺紋連接套設在絲桿上的彎輥撥桿。皮帶減速傳動機構包括小帶輪、大帶輪和轉動皮帶。絲杠通過軸承與整緯機轉動連接，伺服電機固定安裝在控制箱中，其輸出軸與小帶輪固定連接，絲桿的一端大帶輪固定連接，小帶輪和大帶輪通過傳動皮帶連接，絲桿上的執行部件為整緯機的彎輥撥桿。

整緯機運動控制系統原理如圖1所示為：

圖1?整緯機運動控制系統硬件示意圖

（1）視覺采集器實時采集整緯機輸出端的布料圖像，并將采集的布料圖像發送給控制器的圖像處理模塊;

（2）圖像處理模塊對布料圖像進行圖像處理，得到布料的角度偏差信息作為運動控制對象，并傳送給運動控制模塊;

（3）運動控制模塊器接收到角度偏差信息后，計算得到角度偏差的變化率，基于模糊PID控制算法對角度偏差及其變化率進行閉環反饋控制，計算得到伺服電機轉動的方向、速度與位置信息，并通過內部集成的運動控制電路將計算得到的伺服電機轉動的方向、速度與位置信息發送至伺服電機;

（4）伺服電機開始轉動，并帶動機械結構運動，具體而言驅動絲桿轉動，帶動彎輥撥桿沿絲桿運動，進而控制布料的運動方向。通過設置小帶輪和大帶輪，起到減速的作用。

2?紡織整緯機控制方案

采取以下流程開發方法進行紡織機運動控制研究，包括數據采集、系統辨識、控制設計、虛擬測試及實機測試的五個步驟。具體而言：

（1）通過智能硬件對控制系統的數據進行獲取;

（2）依據獲得數據，采用系統辨識方法獲取系統的動態特性模型[1];

（3）根據系統的動態特性模型，采用模糊PID控制算法進行PID參數整定;

（4）采用軟件在環（SIL）的測試方法進行虛擬測試，本文采用Matlab/Simulink環境進行虛擬仿真[2];

（5）采用定制的負載設備來仿真實機負載，基于硬件在環（HIL）的測試方法進行深度測試[3]。

3?模糊PID控制原理

3.1?模糊控制

模糊控制是應對無法表達的復雜系統而產生的控制策略，它是根據專家的經驗總結出來的條件語句并制訂出相應的控制規則，目前在很多工業領域中應用廣泛。模糊控制器的結構圖如圖2所示，e表示實際值與系統設定值之間的偏差，作為模糊控制系統的輸入值，u表示經過模糊控制器控制之后的輸出值，此為一維模糊控制器，若將實際值與系統設定值偏差的變化率也作為系統輸入量，則為二維模糊控制器。本文采用二維模糊控制器。

模糊控制器主要包含四個步驟：模糊化、模糊規則庫、模糊推理以及清晰化[4]。首先，通過模糊化模塊將輸入值進行模糊化處理，轉換成系統可識別的模糊語言變量，根據實際情況選取合適的論域和相應的隸屬度函數。然后，根據專家的經驗建立模糊規則庫，編寫相應的模糊規則語句。進而，根據模糊控制規則對對模糊輸入值進行模糊推理，獲得模糊控制量。最后，進行清晰化步驟，即采用一系列的規則將模糊控制量變換成輸出量，又稱去模糊化。以上四步不斷循環，得到控制量優化值。

3.2?模糊PID控制原理

傳統PID控制算法的控制參數是恒定的，適用于穩定不變的控制系統，對時變、擾動系統控制效果不佳。模糊PID控制算法即在傳統PID控制的基礎上引入模糊算法，能夠根據現場情況對控制系統參數進行自適應實時調整，提高系統控制精度。該算法有效地利用了模糊控制和PID控制的優點，其結構包括模糊控制器和PID控制器兩部分，如圖3所示。

由圖3可以看出，模糊PID控制算法是將輸入量經過模糊化處理，并通過模糊控制器輸出PID控制器的參數變化量（ΔKp、ΔKi、ΔKd），與PID控制器的控制參數相加得到更新的PID控制參數，實現PID參數的實時調整優化。

4?模糊PID控制器設計

4.1?模糊語言變量

本文模糊PID控制器采用布料的角度偏差e及其變化率ec作為閉環反饋控制的輸入量來動態調整運動控制系統的PID參數，從而達到適應性強、穩定性高的目的。采用七個詞集對輸入量（e、ec）和控制輸出量（ΔKp、ΔKi、ΔKd）進行描述，分別是PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB，各子集中的元素依次代表正大、正中、正小、零、負小、負中、負大。