CN102719990A - 智能经编多速电子送经系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能经编多速电子送经系统，包括连接有参数设定输入装置的数字PID主控制器、变频器、设置在主轴电机上的主轴转速编码器、设置在经轴电机上的经轴转速编码器；主控制器通过变频器与主轴电机驱动连接，主轴转速编码器输出端与主控制器的一个反馈输入端电信号连接，还包括数字经轴从控制器，从控制器是多组并联反馈连接的数字PID控制器，该从控制器包括PID模块、单神经元自适应算法模块和模糊免疫优化算法模块；从控制器的反馈输出端与主控制器的一个反馈输入端电信号连接，从控制器的输入端与主控制器的一个输出端电信号连接。整个控制系统智能性更高，能满足多速电子送经系统多速高精度高速频繁切换的系统控制要求。

Description

智能经编多速电子送经系统

技术领域

本发明属于针织机械技术领域，涉及经编机电子送经控制系统，特别是基于模糊免疫(Fuzzy Immune，FI)-单神经元自适应PID(Single Neuron Adaptive PID，SNAPID)控制算法的智能经编多速电子送经系统。

背景技术

送经系统是经编机中最重要的组成部分之一，送经系统按其控制形式不同，分为机械式送经系统(FAG)、单双速定长电子送经系统(EBA)、多速经编电子送经系统(EBC)等类型，送经系统控制性能优劣直接影响到经编产品的品质和可编织花型品种的多少。

多速EBC电子送经系统的特点和优势在于基于此的经编机具备生产复杂花纹织物的能力。多速经编生产过程中需要编织多种送经量(序列)，在每个序列切换的过程中经轴电机必须做出快速反应，以实现送经量的突变。如果电机的响应速度不够快或是不够平稳，将导致经纱张力波动，布面上就会留下明显的横条，影响了产品质量。

国内外机械式送经系统(FAG)及单双速电子送经系统(EBA)技术都已相当成熟。但目前对于多速经编电子送经系统(EBC)的研究仍处于探索阶段。

随着人们对经编产品质量和花色品种要求的提高，迫切需要经编机配置高性能的多速经编电子送经系统(EBC)。

因此，人们开发了一些多速经编电子送经系统(EBC)。

例如：申请号为CN200610039512.4，名为“经编机电子送经系统”的中国专利中，涉及一种经编机电子送经系统，它由主电机、主轴编码器、计算机系统、变频器、伺服控制器、伺服电机、送经箱体和机械传动系统组成，其计算机系统通过变频器实现对主电机的控制，在接收主轴编码器对主电机的实时转速检测信号基础上，结合输入的工艺参数，发出各种运行指令。该发明具备高速性能、送经量准确稳定、调整方便，可控制多根经轴，运行处理时间短，且采用多重速度和位置反馈，因此能实时可靠地作出最佳动态调整，在最短的时间内对故障作出响应，以保护设备和织造物。

采用这样的技术如是对产品的花色和质量要求不太高当然也可以正常使用，但对产品的花色和质量要求较高的经编产品，由于工艺特点要求系统具备高精度高速频繁切换响应的性能，而该技术仅是采用常规的数字PID控制系统，虽也能使用，但算法简单，智能化程度不够高，使用起来效果还不够理想。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种智能化程度高，控制效果更好，能适应多速经编机在送经速度快速频繁切换时具有优良控制性能的智能经编多速电子送经系统。

本发明为达到上述技术目的所采用的技术方案是：智能经编多速电子送经系统，包括连接有参数设定输入装置的数字PID主控制器、变频器、设置在主轴电机上的主轴转速编码器、设置在经轴电机上的经轴转速编码器；主控制器通过变频器与主轴电机驱动连接，主轴转速编码器输出端与主控制器的一个反馈输入端电信号连接，其特征在于：还包括数字经轴从控制器，所述的从控制器是多组并联反馈连接的数字PID控制器，该从控制器包括PID模块、单神经元自适应算法模块和模糊免疫优化算法模块；从控制器的反馈输出端与主控制器的一个反馈输入端电信号连接，从控制器的输入端与主控制器的一个输出端电信号连接。

所述的从控制器的输出端通过光电耦合器与智能功率模块的输入端电信号连接，智能功率模块的输出端与经轴电机连接，经轴转速编码器的输出端与从控制器的反馈输入端电信号连接。

所述的从控制器是一个闭环反馈控制器，其主通道是PID模块，包括串接的单神经元权系数选择通道和增益选择通道；反馈通道包括单神经元自适应算法模块和模糊免疫优化算法模块；单神经元自适应算法模块的输出端与单神经元权系数选择通道输入端信号连接；模糊免疫优化算法模块的输出端与增益选择通道输入端信号连接。

所述的单神经元自适应算法模块和模糊免疫优化算法模块的算法为：

$u\left[k\right]=u[k-1]+K^{*}\left[k\right]w_1\left[k\right]x_1\left[k\right]+K\underset{i=2}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\widetilde{w_i}\left[k\right]x_i\left[k\right]$

算法的符号定义为：

K(k)的模糊控制规则为：

本发明的有益效果是：由于设置有数字经轴从控制器，该从控制器主通道是PID模块，反馈通道包括单神经元自适应算法模块和模糊免疫优化算法模块；单神经元自适应算法模块的输出端与单神经元权系数选择通道输入端信号连接；模糊免疫优化算法模块的输出端与增益选择通道输入端信号连接；将人工免疫反馈机理算法融入现有标准SNAPID算法，通过模糊逻辑规则实现系统增益系数的在线模糊非线性自适应调整：当序列切换时，可提高系统的快速反应能力；当序列切换完成进入恒速送经状态时，又可减小增益系数以增加系统的稳定性，从而满足多速电子送经系统多速高精度高速频繁切换的系统控制要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。其中：

图1是本发明的整体组成框图；

图2是本发明从控制器部分的组成框图。

附图中的标记编号说明如下：辅助功能模块1、主控制器2、变频器3、主轴转速编码器4、从控制器5、光电耦合器6、智能功率模块7、经轴转速编码器8、单神经元权系数选择通道9、增益选择通道10、单神经元自适应算法模块11、模糊免疫优化算法模块12

具体实施方式

本发明的实施例，如图1、图2所示，智能经编多速电子送经系统，包括连接有参数设定输入装置的数字PID主控制器2、变频器3、设置在主轴电机上的主轴转速编码器4、设置在经轴电机上的经轴转速编码器8；主控制器2通过变频器3与主轴电机驱动连接，主轴转速编码器4输出端与主控制器2的一个反馈输入端电信号连接，其特征在于：还包括数字经轴从控制器5，所述的从控制器5是多组并联反馈连接的数字PID控制器，该从控制器5包括PID模块、单神经元自适应算法模块11和模糊免疫优化算法模块12；从控制器5的反馈输出端与主控制器2的一个反馈输入端电信号连接，从控制器5的输入端与主控制器2的一个输出端电信号连接。

所述的从控制器5的输出端通过光电耦合器6与智能功率模块7的输入端电信号连接，智能功率模块7的输出端与经轴电机连接，经轴转速编码器8的输出端与从控制器5的反馈输入端电信号连接。

所述的从控制器5是一个闭环反馈控制器，其主通道是PID模块，包括串接的单神经元权系数选择通道9和增益选择通道10；反馈通道包括单神经元自适应算法模块11和模糊免疫优化算法模块12；单神经元自适应算法模块11的输出端与单神经元权系数选择通道9输入端信号连接；模糊免疫优化算法模块12的输出端与增益选择通道10输入端信号连接。

所述的单神经元自适应算法模块11和模糊免疫优化算法模块12的算法为：

$u\left[k\right]=u[k-1]+K^{*}\left[k\right]w_1\left[k\right]x_1\left[k\right]+K\underset{i=2}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\widetilde{w_i}\left[k\right]x_i\left[k\right]$

算法的符号定义为：

K(k)的模糊控制规则为：

本发明的硬件组成原理是：

多速EBC经编电子送经系统设计采用模块化设计，整体主要由主控制系统模块、从控制系统模块和辅助功能模块等三部分组成。

一、主控制系统部份：

主控制器以高性能嵌入式一体化工控机/触摸屏TPC70-62K为控制核心，搭载MCGS组态软件。主要实现的功能是根据工艺计算结果，在控制面板(触摸屏)输入主要参数，如经轴满轴外周长、内周长和送经量等工艺参数，控制单元对相关参数进行初始化并计算电动机的目标转速，作为一控制信号传送到经轴伺服控制系统。另外，主机通过以太网和USB两种方式与外界交换数据，也为多台编织机的网络化生产和管理提供基础。

二、从控制系统部份：

从控制器5是六个相互独立且并联反馈连接的经轴从伺服驱动系统，采用ATmega16高性能单片机为控制核心，采用FI-SNAPID控制算法，根据主控系统发出的控制信号，输出PWM控制信号到智能功率模块7以驱动直流电机经减速齿轮箱带动经轴转动，使盘头送出要求的送纱量，实现高精度多速送经。

在设计中采用的智能功率模块7为日本东芝的MIG20J106L，其主要特点是将输出功率组件和驱动电路、多种保护电路集成在同一模块内，并可将监测到的过压、过热等故障信号送给控制电路，即使发生过载或使用不当，也可保证自身不受损坏，大幅提高了设计效率和增加了直流伺服系统的可靠性。

三、辅助功能系统部份：

辅助功能模块1通过主轴转速编码器4和经轴转速编码器8测速、抗干扰设计以及在机台上安装多种传感器，实现掉电、过热等智能保护，自动故障检测、报警等功能。其中最为重要的是掉电保护功能。这是因为在实际的经编生产过程中，如出现意外停电，主机由于惯性较大会继续工作3至5秒，但是伺服系统已停止工作，这样就会出现经编机还在运行却经轴却已停止送纱的情况，极易出现崩纱，造成较大损失。

其次，故障检测也尤为重要。一种情况是当检测到主控制器2已发出对从控制器5的控制信号，但是伺服电机由于故障未响应，也就是机器已工作，但是经轴却没有送经，此时需要立即发出故障反馈信号到主机，以控制机器停止工作，并发出报警信号；还有一种情况是由于伺服控制系统故障，不能精确跟踪主轴，导致运行一段时间后送经量会出现较大偏差，影响产品质量。因此需要设定偏差上限，过限后需要停机报警。

本发明基于模糊免疫-单神经元自适应PID(FI-SNAPID)控制的原理是：

一、多速经编生产工艺控制原理

按经编生产工艺要求，多速电子送经系统可以编制多种不同的序列，并要求从一个送经序列向另一个送经序列变化时，不得在布面上留下明显横条，即这个过程必须在一个横列内完成。因此，在设计控制程序时，一般将多速送经过程分解为序列切换和在每个序列内的恒速送经这两个过程。

恒速送经过程：假设经轴每退绕一圈，经轴外周长的减少量是一个常量；经轴电动机转速与送经量和主轴电动机转速之间的运算关系推导如下：

经轴现时周长：L_i＝L₁-(L₁-L₂)Z_i/Z    (式1)

(式1)中：L_i为经轴的现时周长(mm)；L₁为经轴的满卷周长(mm)；L₂为经轴的空轴周长(mm)；Z为经轴满卷时的卷绕圈数；Z_i为从经轴满卷至现时经轴退绕总圈数。

经轴电动机的目标转速：N₁＝FN₂T/480L_i    (式2)

(式2)中：N₁为经轴电机的转速(r/s^-1)，F为送经量，1转为480横列；N₂为主轴转速(r/s^-1)，T为经轴和电机之间的转速比，L_i为经轴外周长(mm)。

序列切换控制

对于多速送经系统，在一个循环中，存在多个序列，每个序列又有多个横列(恒速过程)，并对应相应的送经量。当产品类型确定下来，即一个花型循环中的序列数q(每个序列包含h_i个横列)和横列总数H也就相应的确定下来，即：H＝h₁+h₂+...h_q                            (式3)

因此在开机后，主控系统通过记录主轴编码器在一个循环中已发送的脉冲个数，确定当前已织横列数，进而判断出所处的序列。当判断当前序列所要求的横列都已编织完，需要转入下一序列，则结束恒速送经过程，根据工艺要求，在下个横列内快速调整好经轴电机的转速，平稳的进入下一序列。

二、现有技术标准SNAPID控制算法控制原理

标准的离散SNAPID控制算法描述如下：

w₁[k]＝w₁[k-1]+η_Pe[k]u[k]x₂[k]                (式6)

w₂[k]＝w₁[k-1]+η_Ie[k]u[k]x₁[k]                (式7)

w₃[k]＝w₃[k-1]+η_De[k]u[k]x₃[k]                (式8)

(式4)至(式8)中相关的符号定义如表1所示。

表1.标准离散SNAPID控制算法符号定义

标准SNAPID控制算法是通过对加权系数w_i[k]的调整来实现自适应、自组织功能。权系数的调整是按照有监督的赫步(Hebb)学习规则实现。调整的目标是使得e[k]趋于零，以获得最优的控制效果。K为定常增益系数，且K＞0。K值的选择对控制系统的性能有着重要的影响。当K值选择的较大时，控制系统的快速性较好，但超调量大，甚至可能使系统不稳定；当K值选择的较小时，系统响应速度较慢，超调小，系统较为稳定。

由多速送经系统的控制原理可以看出，在序列切换时，经轴转速需要快速切换(在一个横列内必须完成)，这对控制算法的响应速度和稳定性提出了较高的要求。(式4)至(式8)所表述的标准SNAPID控制算法虽然通过调节参数W_i[k]具有自适应能力，但是对系统快速反应起决定性作用的参数K无法在线自适应调整，不能适应多速送经系统的性能要求。

因此，本发明的一种新的FI-SNAPID控制算法被提出。FI-SNAPID控制算法将人工免疫反馈机理融入标准SNAPID算法，通过模糊逻辑规则实现系统增益系数K的在线模糊非线性自适应调整：当序列切换时，e[k]突然增大，增大K以提高系统的快速反应能力；当序列切换完成，随着e[k]的减小，进入恒速送经状态，减小K以增加系统的稳定性。

三、本发明基于模糊免疫-单神经元PID控制的算法：

标准SNAPID控制器的增益系数K的自适应调节值K^*[k]作为控制输出的免疫反馈控制器算法可以表示为：

K^*[k]＝α(1-βf_Fc(u[k]，Δu[k])e[k]                          (式9)

本发明FI-SNAPID算法可表示为：

$u\left[k\right]=u[k-1]+K^{*}\left[k\right]w_1\left[k\right]x_1\left[k\right]+K\underset{i=2}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\widetilde{w_i}\left[k\right]x_i\left[k\right]$ (式10)

(式9)和(式10)中，w₁[k]、x₁[k]

x_i[k]和K与(表1)中标准的离散SNAPID控制算法中的定义相同。从(式10)中可以看出，人工免疫反馈控制器本质上是一个非线性的比例控制器。(式9)中，促进系数α＝λ₁，抑制系数β＝λ₂/λ₁，是两个重要的参数。增加α将提高控制器的响应速度，增加β减小系统的超调量。因此，通过调节这两个参数将提高系统的鲁棒性。u[k]为k时刻SNAPID控制器的输出；Δu[k]是u(k)的变化率；f_Fc(u[k]，Δu[k]为基于模糊逻辑的非线性函数。

本发明FI-SNAPID控制器在标准SNAPID调整的基础上增加了非线性比例调整，将进一步提高系统的鲁棒性和动态性能。

表2.本发明自适应调节K(k)的模糊控制规则

Claims (4)

1.智能经编多速电子送经系统，包括连接有参数设定输入装置的数字PID主控制器、变频器、设置在主轴电机上的主轴转速编码器、设置在经轴电机上的经轴转速编码器；主控制器通过变频器与主轴电机驱动连接，主轴转速编码器输出端与主控制器的一个反馈输入端电信号连接，其特征在于：还包括数字经轴从控制器，所述的从控制器是多组并联反馈连接的数字PID控制器，该从控制器包括PID模块、单神经元自适应算法模块和模糊免疫优化算法模块；从控制器的反馈输出端与主控制器的一个反馈输入端电信号连接，从控制器的输入端与主控制器的一个输出端电信号连接。

2.根据权利要求1所述的智能经编多速电子送经系统，其特征在于：所述的从控制器的输出端通过光电耦合器与智能功率模块的输入端电信号连接，智能功率模块的输出端与经轴电机连接，经轴转速编码器的输出端与从控制器的反馈输入端电信号连接。

3.根据权利要求1或2所述的智能经编多速电子送经系统，其特征在于：所述的从控制器是一个闭环反馈控制器，其主通道是PID模块，包括串接的单神经元权系数选择通道和增益选择通道；反馈通道包括单神经元自适应算法模块和模糊免疫优化算法模块；单神经元自适应算法模块的输出端与单神经元权系数选择通道输入端信号连接；模糊免疫优化算法模块的输出端与增益选择通道输入端信号连接。

4.根据权利要求3所述的智能经编多速电子送经系统，其特征在于：所述的单神经元自适应算法模块和模糊免疫优化算法模块的算法为：

算法的符号定义为：

K(k)的模糊控制规则为：

IFu(k)isPANDΔu(k)isPTHENf_Fc(u(k)，Δu(k)isN

IFu(K)isPANDΔu(k)isNTHENf_Fc(u(k)，Δu(k)isZ

IFu(k)isNANDΔu(k)isPTHENf_Fc(u(k)，Δu(k)isZ

IFu(k)isNANDΔu(k)isNTHENf_Fc(u(k)，Δu(k)isP。 

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