CN101845733B - 纺织印染织物防过烘多功能在线测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纺织生产控制技术，旨在提供一种纺织印染织物防过烘多功能在线测控系统。该系统包括用于湿度检测的测湿辊，所述测湿辊通过信号线连接至信号调理电路，信号调理电路与控制板处理器相连；控制板处理器还通过信号线连接至蒸汽阀门的电控装置，该蒸汽阀门位于烘干蒸汽的供汽管路上。由于本系统的有效使用，实现了精确控制、自动调节，最终达到织物的理想湿度。不会过度烘干，从而有效地节约了蒸汽，节约了能源，这是印染厂采用本系统得益最直接，也是受益数额最大的一部分。

Description

纺织印染织物防过烘多功能在线测控系统

技术领域

本发明涉及纺织印染生产控制技术，更具体地说，本发明涉及一种纺织印染织物防过烘多功能在线测控系统。

背景技术

在印染行业，用回潮率来表示纺织材料吸湿程度的指标，即以材料中所含水分重量占干燥材料重量的百分数表示。在个别情况下，也有用含水率表示纺织材料吸湿程度的，以材料中所含水分重量占材料未烘干重量的百分数表示。为了计重和核价的需要，必须对各种纺织材料的回潮率作出统一规定，称公定回潮率。回潮率的大小对纺织材料的物理机械性质，如强力、伸长率、电阻、比重，以及纺织工艺都有影响。

回潮率的测定方法有多种：直接测定法：先称取试样重量，然后去除其中水分，再称取试样干燥重量，计算实际回潮率。根据去除水分方法的不同，直接测定法有：烘箱法、红外线辐射法、高频电场加热法、真空干燥法和吸湿剂干燥法等。在工业生产中常采用的是烘箱法和红外线辐射法。烘箱法的优点是测定结果比较准确，缺点是速度慢、效率低。红外线辐射法的优点是速度快、效率高、节省能源，缺点是温度不易掌握、测定的结果有波动。间接测定法：是利用纤维的某些性质和回潮率之间的关系间接推算纤维的回潮率。这种方法的优点是速度快、效率高，但纤维有关性质和回潮率之间关系值的确定仍需要利用直接法。间接法可以分为电阻法、电容法、红外线吸收法和微波法等。

目前业内多用电阻法测定回潮率，其原理即利用欧姆定理：在浆纱上通上电(加上电压)，测其中通过的电流。由于电压是一定的，所以根据电流的大小，知道浆纱的电阻，从而知道浆纱的回潮率。但目前多采用采样分析方法，存在与连续生产不匹配、控制精度不高、无法实现实时的在线控制等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种纺织印染织物防过烘多功能在线测控系统。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种纺织印染织物防过烘多功能在线测控系统，包括用于湿度检测的测湿辊，所述测湿辊通过信号线连接至信号调理电路，信号调理电路与控制板处理器相连；控制板处理器还通过信号线连接至蒸汽阀门的电控装置，该蒸汽阀门位于烘干蒸汽的供汽管路上。

作为一种改进，所述信号调理电路包括调理放大电路和频道切换电路；所述频道切换电路是一个可变阻的分压电阻结构，即一个开关与百欧级电阻和兆欧级电阻的并联结构；控制板处理器通过用于传递分组控制信号的信号线连接至信号调理电路的频道切换电路。

作为一种改进，所述控制板处理器还通过信号线连接至液晶显示屏。

作为一种改进，所述控制板处理器还通过信号线经通讯接口连接至嵌入式终端。

本发明还进一步提供了一种基于前述在线测控系统的测控方法，包括：测湿辊进行湿度检测，并将检测信号经信号调理电路发送至控制板处理器，控制板处理器将控制信号发送至蒸汽阀门的电控装置；所述控制板处理器内置PID控制器、Fuzzy控制器、Fuzzy-PID双模控制器或Fuzzy PID控制器，然后分别和同一个指定的二阶控制以及延时环节共同构成的控制系统进行仿真；通过仿真，从控制精度、响应时间以及稳定性三个方面来评价四个控制器，从中寻找出适合于大滞后系统的控制器原型；然后在实际运行系统中进行应用测试，得到最佳控制方案。

作为一种改进，所述Fuzzy PID控制器由模糊参数整定器和可变参数PID控制器两部份组成，其中模糊参数整定器是一个二输入三输出的模糊控制器，该二输入为布匹湿度误差量e和误差的变化量ec；其三输出为与输入量存在模糊关系的PID参数K_p，K_i，K_d，其中Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

基于本系统的有效使用，可在印染过程中实现精确控制、自动调节，最终达到织物的理想湿度。主要表现在以下三个方面：(1)由于织物湿度恰当，所以织物的质量可靠，直接提高了产品的卖价，获得了更多的利润；(2)由于本系统能自动调节蒸汽大小，从而减少人工成本，降低了误操作率，减少了不必要的损失；(3)由于湿度控制精确，不会过度烘干，从而有效地节约了蒸汽，节约了能源，这是印染厂采用本系统得益最直接，也是受益数额最大的一部分。

附图说明

图1为本发明实现的原理框图；

图2为本发明实现的结构框图；

图3为PID控制器系统结构图；

图4为Fuzzy控制器系统结构图；

图5为Fuzzy-PID双模控制器系统结构图；

图6为Fuzzy PID控制器工作流程图；

图7为Fuzzy PID控制器系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

本实施例中的纺织印染织物防过烘多功能在线测控系统，包括用于湿度检测的测湿辊，所述测湿辊通过信号线连接至信号调理电路，信号调理电路与控制板处理器相连；控制板处理器还通过信号线连接至蒸汽阀门的电控装置，该蒸汽阀门位于烘干蒸汽的供汽管路上。

本实施例中，控制板处理器选用TI公司

所提供一系列基于Cortex^TM-M3的LM3S1138控制板处理器。该控制板处理器具有强大的片上存储器、增强型电源管理和扩展I/O以及控制功能。包含丰富的外设模块，如ADC、DAC、串口、flash存储、通用IO、内置的温度传感器等，为了弥补存储上的不足，还扩展了SD卡接口和320x240液晶接口。

本实施例中的信号调理电路，以及信号调理电路中的调理放大电路、频道切换电路的实现方式可由本领域技术人员根据其熟知的方式实现；测湿辊的应用也是常见技术手段，故不再赘述。

回潮率的测量是根据被测物的含水量不同其导电性能有很大差异的原理，来测定它的电阻值。根据实际经验，在一定范围内，回潮率与电阻值之间符合如下关系：

W＝A+BlgR_x

该式中：W为被测物回潮率，R_x为被测物电阻值，A、B均为与品种、密度有关的常数。测试含潮两个电极所形成的电位差，确保织物和两个电极接触。这可以通过测湿辊达到要求。本实施例中，系统中的检测部分的测湿辊(检测传感器)可通过三罗拉测湿辊检测被测物的电流值。

三罗拉测湿辊的结构：三个固定的测湿辊一般放在左、中、右三个位置构成多点测量，使测量更加可靠真实。三个测湿辊(检测传感器)被聚四氟乙烯连接件与机架高度绝缘，在测湿辊(检测传感器)与导布辊之间加100V电压，随被测物不同和被测物含水量不同通过引出线输出的电流值也不同，此电流值再送到下一级调整放大。根据织物的门幅的宽窄，将测湿辊(检测传感器)设计成可移动的形式，可方便操作。

其次是信号调理与转换环节：这里的信号调理通过信号调理电路实现，信号调理电路包括调理放大电路和频道切换电路两部分；调理放大电路进行简单的调理放大，频道切换电路实现频道切换的功能。

由于布匹湿度对应的电阻变化太大，往往可以从几百欧到几兆欧。故分压电阻如果是一个固定值的电阻，势必会出现分压过小或者过大的情况。为了解决这个问题，频道切换电路采用一个可变阻的分压电阻结构，即用通过一个开关来控制百欧/兆欧级电阻的并联结构。控制板处理器通过用于传递分组控制信号的信号线连接至信号调理电路的频道切换电路。这样当布匹电阻较小时，系统会用百欧级电阻去与它分压，而当布匹电阻较大时，则系统用兆欧级电阻去与它分压。这样便可以把这一环节的功能归纳为将一段0～V_res的连续电压信号调理成为两段各带有1位频道信号的0～3v连续电压信号。信号通过分段放大后，由控制板处理器自带的A/D模块进行A/D转换，再将转换后的数字信号通过软件查表的方式进行线性化处理。随后将得到的线性化结果作为自动化控制算法的输入，通过确定的算法运算后，输出电流控制信号和可变阻结构的控制信号。输出的控制信号可以使设备作出预期的响应：控制蒸汽阀门的开启状况来控制布匹的加热程度，进而调节布匹的回潮率。

本实施例中的系统通过LCD液晶显示屏和按键实现便捷的人机交互，并可外接RS485通讯接口，通过Modbus协议与嵌入式终端进行通讯，实现功能更强大的人机对话。

本系统通过信号检测器即测湿辊给被测物加一定的测量电压(电压值100V，参照通用方法)，随着被测物电阻的变化，通过的电流亦产生变化(此电流为非标准信号值)，然后将这电流经变换放大及非线性处理后，产生一个稳定范围内的电压变化(如0～2V)，经A/D转换与设定的回潮率进行比较，经比较后人机界面会发出“正常、偏干、偏湿”的信号指示，同时，系统还将通过输出电路控制蒸汽流量的大小，从而达到自动调节、节约能耗和提高工艺质量的目的。

相关资料数据显示在织物含潮在一定范围里和电阻有一定的关系。当PH值在5～9之间这种关系将保持得很好。当织物含潮率在0-20％之间时，织物的厚度几乎不影响电阻和含潮的关系。但为了保险起见，还是设置织物选择功能。电阻和含潮的变化有对数关系。电阻测量的极限值在1K～10G。因此，几乎不可能测量范围低于或高于一定的含潮(3～20％)。例如，在这范围里棉织物的含潮率最大值是20％。烘干处理要求棉织物的含潮率一般在7％～8％左右。因此本系统要适应印染大部分机台上的织物含潮的显示和自动控制。

回潮率在线检测系统是以纺织印染后续整理为突破口，以提高布匹质量档次和节能减排为发展目标。在纺织、印染行业中为了生产出高质量的布匹，对布料的湿度有严格的要求，特别是在印染过程中，需对织物进行烘燥处理，通过控制织物的干湿度，以提高织物加工质量和改进手感度、光泽度。针对印染行业的这一环节，回潮率在线检测系统通过对织物湿度进行检测，控制蒸汽流量，将织物的湿度控制在限定范围内，使得后续流程能够生产出高质量的产品，因此回潮率在线检测系统是以实现节能减排与提高产品质量为目标，在清洁生产和节能生产方面具有重要而又深远的意义。

现以印花厂水洗机为例：

在没有使用回潮率在线检测系统之前，我们可以通过过烘的水分来分析：

车速：45米/分，幅宽1.6米，克重180g/m，灯芯绒，落布回潮率要求11％，实际只有6％，则过烘额外烘干水分为：

M＝45×60×1.6×180×(11％-6％)＝38880(g.h)＝38.9kg.h

以每烘干1kg水需要蒸汽1.5kg，每年开工8000小时(参考24小时×28天×12个月＝8064小时)，蒸汽按180元/吨(2008年杭州市价)计算，则每年直接浪费蒸汽的直接经济损失：38.9×1.5×8000×180/1000＝84024元。这是一台烘缸一年由于过烘带来的直接经济损失，按全国2000台烘缸计算，则每年直接浪费的蒸汽价值约为16000万元。实际上过烘后即使再多使用能量，回潮率变化不大，可以说实际浪费的能量一般超过理论计算数据。

在上述计算过程中，未涉及或考虑由于过烘造成产品不合格带来的损失、人工操作成本、产品质量下降造成售价下浮的损失等。

本发明中，系统的控制模型方案是选择PID控制器、Fuzzy控制器、Fuzzy-PID双模控制器、Fuzzy PID控制器，分别和同一个指定的二阶控制以及延时环节共同构成的控制系统进行仿真。通过仿真，从控制精度、响应时间以及稳定性三个方面来评价四个控制器，从中寻找出适合于大滞后系统的控制器原型。然后在实际的系统中进行应用测试，找出最佳控制方案。

实际回潮率在线控制的对象是大型蒸汽机阀门。它的反应比较迟缓，加之当蒸汽量改变后布匹的干湿程度随环境而变有一定的滞后，所以仿真PID控制系统建模如图3所示，采用了二阶系统

作为被控对象，其后串联一个延时控件，以逼近实际情况。

Fuzzy控制器测试使用的模型系统结构图如图4所示。控制系统的核心是模糊控制器。该模糊控制器有两个输入，其中一个输入为反馈值与输入值的差值；另一输入为该差值的差分求导以表现其变化情况。为简化修改FIS模型的工作，故在输入前分别添加了Gain1和Gain，在输出前添加了Gain2，以便根据仿真曲线来调节它们，使系统响应达到最佳状态。

Fuzzy控制器与PID控制器各有优点，也各有不足。尝试将两种控制方法组合起来，各取其优点，互补不足，力求更佳的控制效果。

Fuzzy-PID双模控制器是一种在Fuzzy和PID模型间进行互相切换的控制器。将Fuzzy控制器和PID控制器并联，通过几个判断来选择适合当前的控制内核。当输入误差有明显变化时，如果误差较大，采用PID控制做出快速反应；误差较小，控制内核切换到Fuzzy控制，以避开PID控制超调大的不足；而当输入趋于稳定时，再切回PID控制，获得较小的稳态误差。针对控制的不同阶段，选用不同的控制方法，从而既保证动态响应效果，又能改善稳态控制精度。

如图5所示，Switch1根据误差e的变化率区分稳态和变化态。当变化率小于门槛值时，认为足够接近设定值，接通输入3，即加上增益Gain2的PID控制，获得减小稳态误差；当变化率高于门槛值时，接通输入1，这时要看Switch的判断结果。

Switch根据误差e的绝对值做判断。当偏差较大时，接通输入1，此时控制内核采用PID控制；逐渐逼近至偏差小于门槛值时，改用Fuzzy控制器。

由于双模系统中，PID控制和Fuzzy控制是相当独立的，因此可使用针对该被控对象的简单PID控制模型和Fuzzy控制模型分别得到的PID的三个参数和模糊推理规则，再调整各自增益Gain2、Gain3及两个Switch判断的门槛值。

Fuzzy PID控制器是结合PID控制和Fuzzy控制的另一种思路。与双模控制在两种控制方法之间切换不同，Fuzzy PID控制器通过模糊集的概念去控制Kp，Ki，Kd三个PID变量。根据不同时刻的误差和误差的变化对PID控制器的参数进行在线调整，即Fuzzy PID控制。在实际使用中，K_d(ΔK_d)输入信号经模糊化后作为模糊控制器的输入，输出量为K_p(ΔK_p)、K_i(ΔK_i)和构成了一个二输入、二输出的二维模糊控制系统。模糊控制器根据系统的不同工作状况，进行模糊推理和运算，对K_p(ΔK_p)、K_i(ΔK_i)和K_d(ΔK_d)进行修改，通过利用Switch选择控制器模块，交替运用Fuzzy和PID两种控制方法，尽量使其速度快，稳态误差小，超调量小，到达稳态所需的时间少，从而进一步完善了PID控制的性能(如图6-12所示)。

模糊控制器的输出为模拟量，经反模拟化后得到精确控制量。这里以加权平均法进行模糊判决，输出值的精确量为：

$\mathrm{\Δ}{K}_j=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ji}}(e,\mathrm{ec})\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{ji}}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ji}}(e,\mathrm{ec})}---(6-2)$

式中：ΔK_j分别代表ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d。

常规PID控制器的作用用离散控制规律表示为：

$u\left(k\right)=K_p[e\left(k\right)+\frac{T}{T_I}\underset{t=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}e\left(t\right)+\frac{T_D}{T}(e\left(k\right)-e(k-1))]---(6-3)$

$=K_{p}e\left(k\right)+K_i\underset{t=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}e\left(t\right)+K_d(e\left(k\right)-e(k-1))$

式中：e(k)：采样时刻k时的偏差值；

Kp：比例系数；

Ki＝Kp*T/Ti为积分系数；

Kd＝Kp*Td/T为微分系数

从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面考虑，根据K_p、K_i和K_d对系统输出特性的影响，以及已有的设计经验和传统PID控制理论，在不同的E和EC时，K_p、K_i和K_d的设计参数调整如下：

(1)当|e|较大时，应取较大K_p和较小K_d，同时为避免积分饱和，取K_i＝0。

(2)当|e|和|ec|中等大时，应取较小K_i、K_p、K_d取值要适中，以保证系统的响应速度。

(3)当|e|较小时，应取较大的K_p和K_i值，以提高系统的稳态精度，K_d取值要适中，避免产生震荡。

Fuzzy-PID控制器兼有Fuzzy模糊控制和PID控制的优点，具有良好的工程应用前景。与单一的Fuzzy模糊控制或PID控制相比，具有以下优点：

(1)具有良好的静态性能，震荡小，没有静态误差。

(2)具有良好的动态响应性能，超调量小。

(3)系统参数或结构变化时，Fuzzy-PID控制器具有良好的自适应能力和鲁棒性。

Fuzzy PID模型(如图7)主要有两部份组成：

■模糊参数整定器：由一个二输入三输出的模糊控制器构成。二输入为：布匹湿度误差量(e)和误差的变化量(ec)。三输出为与输入量存在模糊关系的PID参数K_p，K_i，K_d。

■可变参数PID控制器

模型的设置调试部分主要在于模糊参数整定器的输入隶属函数及论域、输出隶属函数及论域、模糊规则矩阵、反模糊化，以及模糊参数整定器后面所跟随的三个增益放大器(以便于调节输出论域)。

由于在仿真前无法知道输出量Kp，Ki，Kd的论域取得是否恰当，所以在仿真过程中要根据调节Kp，Ki，Kd后的增益来适当修正。这个过程比较漫长，需要根据仿真图形反复调试。

此外，本发明还通过下述技术手段以提高系统的综合效果：

1、针对当前的回潮率控制器响应时间长、滞后大的特点，创新设计了基于条件判决的模糊PID控制算法，解决了由于滞后时间长，控制不稳定引起的蒸汽阀门频繁误动作问题，提高了控制精度，缩短了响应时间，延长了阀门的使用寿命。

2、采用传感器自适应调整机构，通过自动调整传感器与织物面料接触角度，改善了传感器与织物之间接触偶合度，提高了传感器信号输出的稳定性，避免了传感器传统安装方式线形运行不平稳经常性导致布面出现大量斜纹走条，从而出现次布的问题。

3、采取了基于超前检测回潮率预估方法，通过烘缸表面红外遥感测温，控制倒数第二组烘缸表面温度，解决了薄织物严重过烘的问题，节约了蒸汽用量，提高了薄织物烘干成品率。

4、采取了背压式疏水系统，解决烘缸温度过低产生大量冷凝水的问题，通过有效回收冷凝水，达到生产过程水资源回用目的。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种纺织印染织物防过烘多功能在线测控系统，包括用于湿度检测的测湿辊，其特征在于，所述测湿辊通过信号线连接至信号调理电路，信号调理电路与控制板处理器相连；控制板处理器还通过信号线连接至蒸汽阀门的电控装置，该蒸汽阀门位于烘干蒸汽的供汽管路上；

所述信号调理电路包括调理放大电路和频道切换电路两部分；调理放大电路进行简单的调理放大，频道切换电路实现频道切换的功能；

所述控制板处理器自带A/D模块，能够将来自信号调理电路的信号转换为数字信号后进行线性化处理，并经自动化控制算法的运算后输出控制信号，控制蒸汽阀门的开启状况来控制布匹的加热程度，进而调节布匹的回潮率。

2.根据权利要求1所述的在线测控系统，其特征在于，所述频道切换电路是一个可变阻的分压电阻结构，即一个开关与百欧级电阻和兆欧级电阻的并联结构；控制板处理器通过用于传递分组控制信号的信号线连接至信号调理电路的频道切换电路。

3.根据权利要求1或2任意一项中所述的在线测控系统，其特征在于，所述控制板处理器还通过信号线连接至液晶显示屏。

4.根据权利要求1或2任意一项中所述的在线测控系统，其特征在于，所述控制板处理器还通过信号线经通讯接口连接至嵌入式终端。

5.一种基于权利要求1或2的在线测控系统的测控方法，包括：测湿辊进行湿度检测，并将检测信号经信号调理电路发送至控制板处理器，控制板处理器将控制信号发送至蒸汽阀门的电控装置；所述控制板处理器内置PID控制器、Fuzzy控制器、Fuzzy-PID双模控制器或Fuzzy PID控制器，然后分别和同一个指定的二阶控制以及延时环节共同构成的控制系统进行仿真；通过仿真，从控制精度、响应时间以及稳定性三个方面来评价四个控制器，从中寻找出适合于大滞后系统的控制器原型；然后在实际运行系统中进行应用测试，得到最佳控制方案。

6.根据权利要求5所述的测控方法，其特征在于，所述Fuzzy PID控制器由模糊参数整定器和可变参数PID控制器两部份组成，其中模糊参数整定器是一个二输入三输出的模糊控制器，该二输入为布匹湿度误差量e和误差的变化量ec；其三输出为与输入量存在模糊关系的PID参数K_p，K_i，K_d，其中Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。

Images