CN104571189B - 一种基于dsp与fpga的吹塑装备智能温控系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温控系统及其控制方法，包括温度信号采集单元、多温区解耦控制单元和加热执行单元。温度信号采集单元包括热电偶传感器、温度变送器及A/D转换模块；多温区解耦控制单元包括自适应遗传算法优化PID控制参数模块、PID控制模块、DSP与FPGA通信模块及多路PWM输出模块。各温区温度信号通过温度信号采集单元得到并输入FPGA温度控制模块进行滤波等处理，然后将处理结果通过并行通讯方式发送给DSP自适应遗传算法优化PID参数控制单元，寻找到最优的PID控制参数并发送给FPGA温度控制模块，FPGA输出多路PWM控制信号控制各温区温度。本发明用于吹塑装备多温区解耦控制，具有系统集成度高、稳态性能好、响应速度快、控制精度高等优势。

Description

一种基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温控系统的控制方法

技术领域

本发明属于塑料工业多层共挤吹塑机技术领域，具体涉及一种基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温控系统及其控制方法。

背景技术

吹塑技术起源于20世纪30年代初，历经了多个阶段而得到了迅速的发展。目前，吹塑成型技术已成为仅次于挤出成型与注射成型的第三大塑料成型方法，更是发展最快的一种塑料成型方法。与其他成型方法相比，吹塑成型的设备造价低，适应性较强，可成型性能较高、形状复杂的制品。

吹塑成型技术可分为挤出吹塑与注射吹塑两大类。多层共挤高阻隔吹塑机组，它是生产多层阻隔薄膜最为常见的吹塑装备。如图1所示为一台多层共挤吹塑薄膜机组示意图，主要由上料系统、挤出机、共挤模头、冷却装置、薄膜厚度测量设备、旋转人字板、牵引辊、卷取装置以及监测和控制系统等组成。

薄膜吹塑机组的生产工艺流程为：首先，由料斗将不同的塑料颗粒及所需的填充料、增塑料、热稳定剂及其他塑料助剂等吸入相应的挤出机。各挤出机分别对原料进行加热熔融，通过对应的模头进料口将不同的塑料熔体同时挤进摸头。然后，熔体通过多层共挤模头特有的分流、加热流道，同时模头各温区对不同的原料熔体进行精确的加热。在鼓风装置和冷却装置的共同协作下将原料熔体吹出摸头并冷却形成一定尺寸的膜泡。最后，由人字板将稳定的膜泡逐渐压扁导入牵引装置，牵引装置将薄膜引至卷取装置，经过收卷张力控制，由卷取装置完成薄膜平整无皱褶收卷。

在吹塑机组生产过程中，各温区的温度控制直接决定产品生产的质量，因此实现机组各温区温度的精确控制至关重要。目前，市场上热成型设备的温度控制系统大多采用单片机和传统的PLC(可编程逻辑控制器)来实现，主要以常规的PID控制器为主。这种控制器实现简单，但这种控制方法存在以下一些问题：1)由于加温系统是一个大惯性、耦合严重、大滞后的多变量非线性时变系统，由于PID参数需要人工现场输入，调试很费时间，而且环境不同时，PID参数需要重新调整，难以满足吹塑要求。2)随着多层吹塑机组模头划分的温区增多，各温区间热传递耦合严重，而且要求各温区温度控制精度更高，传统的PID算法控制已经不能满足多层高性能薄膜的吹塑要求。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种闭环的基于自适应遗传算法优化PID参数的基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温控系统及其控制方法，该温控系统和控制方法能够实现多温区的温度解耦控制，并提高各温区温度控制精度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温控系统，包括基于DSP平台的时钟单元、通信单元和自适应遗传算法优化PID参数控制单元，以及基于FPGA平台上的时钟单元、通信单元、PID控制单元、A/D转换电路、PWM输出单元、温度信号采集单元以及驱动加热单元；其中，

DSP平台与FPGA平台上时钟单元分别用于统一FPGA平台上各单元的操作时序；

DSP平台上的通信单元用于与上位机通讯得到预设的控制目标，并将其发送给FPGA上的PID控制单元；

上位机带有操作面板，用于设定各温区的温度值以及实时显示各温区温度；

自适应遗传算法优化PID参数控制单元用于根据设备具体的工况实时的优化PID控制参数；

信号采集单元用于采集反馈信号，并将反馈信号传送给PID控制单元和DSP算法优化单元；

PID控制单元根据控制目标、反馈信号和改进自适应遗传算法单元优化的结果计算出各温区的控制量，然后由多路PWM输出单元实现对各个温区的温度精确控制。

所述DSP平台上的通信单元包括与上位机通讯的串口通信模块和与FPGA通信的并行通信模块，串口通信模块用于与上位机通讯得到预设的控制目标，并实时将反馈信号传送给上位机显示；并行通信模块用于DSP与FPGA之间的数据通信，将控制目标发送给FPGA上PID控制单元。

所述并行通讯模块由16根数据线和6根地址线实现DSP与FPGA间的数据通讯和储存。

所述温度信号采集单元采用热电偶传感器，用于采集吹塑装备各温区的温度信号，通过温度变送器将温度信号转换为标准的电压信号，经过FPGA平台上的A/D转换电路处理输入给FPGA控制模块进行计算。

还包括用于对A/D信号进行放大、滤波处理的信号调理单元，信号调理单元用于将干扰信号滤除提高信噪比，以便进行后续的计算处理。

所述自适应遗传算法优化PID参数控制单元用于根据控制目标对PID控制三个参数进行寻优，获得最优的PID控制参数，并传送到PID控制单元；PID控制单元用于根据DSP传送的控制参数和反馈信号求解出控制量，并将控制量传送 给PWM输出单元。

所述PWM输出单元由多路并行的单路PWM组成，用于控制固态继电器的通断或加热功率，实现控制多个温区的温度控制。

所述驱动加热单元由驱动电路板和固态继电器组成，用于对FPGA控制输出进行放大以驱动固态继电器工作，通过控制固态继电器的通断以实现控制各温区加热器加热功率的目标。

一种基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温控系统的控制方法，包括以下步骤：

1)将DSP平台通过通信单元与上位机连接，将PWM输出单元接口和驱动板对应接口相连，并将固态继电器、驱动加热单元、A/D转换电路分别与对应装置连接；

2)通电后进行初始化操作，通过上位机操作界面设置各温区的温度值，并利用串口通讯模块发送给自适应遗传算法优化PID参数控制单元；

3)信号采集单元采集反馈信号，温度信号采集单元采集的温度信号经过预处理后得出测量值，得到各温区实时的温度值，反馈数据输送给PID控制单元；

4)PID控制单元对反馈数据进行计算，通过并行通讯模块，将结果发送给自适应遗传算法优化PID参数控制单元，并将优化后的参数发送给PID控制单元；

5)将反馈数据通过串口通信模块发送到上位机，并实时显示各温区的控制目标温度和实际温度值；PID控制单元根据控制目标和反馈值进行计算，得到各温区的控制量并通过PWM输出单元输出控制信号，对各温区加热圈进行控制；

6)重复进行步骤3)至步骤5)，直至满足设定的各温区控制目标或接收到由上位机输入的结束命令为止。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提出的基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温度控制系统，用于吹塑装备生产过程中多层共挤模头、挤出机等多个温区的温度解耦控制。本发明不仅将传统的控制器集成到核心控制板上，减小了控制器的质量和体积，而且提出了一种基于自适应遗传算法优化PID参数的控制方法，其不需要人工根据具体的生产工况调节控制参数，而是利用自适应遗传算法实时优化PID的控制参数，进而实现对多个温区的解耦温度控制，并提高了各温区控制精度，有益于提高吹塑装备生产效率和产品质量。

本发明使用DSP与FPGA作为核心控制芯片，在DSP平台上实现自适应遗传算法优化PID控制参数；在FPGA平台上实现信号采集、PID控制及PWM输出。将DSP强大的信号处理功能与FPGA快速的并行处理优势相结合，充分发挥各自的优势，为温控系统提供了一个强大的硬件平台。使用C语言和硬件描述语言VHDL编程，分别实现DSP片上通信、核心算法及FPGA控制输出等功能，以实现智能温控系统。

本发明将智能温度控制算法集成在系统核心芯片上，生产出专用的吹膜装备温度控制芯片，大大降低控制系统成本，减小能源消耗；通过核心芯片最大程度地提高吹膜装备稳定性和知识产权的保密性。

进一步的，本发明DSP与FPGA间的并行通讯模块，其由16根数据线和6根地址线实现DSP与FPGA间的数据通讯和储存，并对通讯数据进行校验，在保证数据的准确性和可靠性的同时，提高了数据的传输效率。

本发明使用改进的遗传算法与传统的PID控制相结合，即采用自适应遗传算法优化PID控制参数，其原理框图如图3所示。本算法的决策变量是PID控制参 数Kp、Ki、Kd，并根据参数的物理意义和经验来确定它们的取值范围，即约束条件；为了获取满意的过渡过程动态特性并且避免超调，因此目标函数分别引入误差e(t)、控制输入量u(t)、超调量M_p以及上升时间t_u；该算法采用实数编码并随机生成一定规模的初始群体，然后通过个体适应度函数计算出个体对应的适应度值，根据适应度值的大小对个体进行选择、交叉和变异操作，达到遗传代数或达到优化终止条件，即认为此时优化的参数达到最优并输出给PID控制单元，进而实现对多个温区的温度的最优控制。

本发明的核心算法是自适应遗传算法，通过自适应遗传算法优化PID参数控制方法，能够根据具体的工况实时调节PID控制器的控制参数，获得最优的控制效果。目标函数的优劣直接决定算法优化的优劣。关于目标函数的设计，为获取满意的过渡过程动态特性，采用误差绝对值时间积分性能指标作为目标函数项；为防止控制量过大，则加入控制输入的平方项作为目标函数项；为避免超调，采用遗传算法的处罚功能，即一旦超调，因此将超调量作为目标函数项；为了提高控制响应的速度，则选择上升时间作为目标函数项，即目标函数引入了误差e(t)、控制输入量u(t)、超调量M_p以及上升时间t_u，具体如下式所示：

其中，w₁、w₂、w₃、w₄为加权值。

针对传统遗传算法的不足，结合温控系统的需求，采用改进的遗传算法，即自适应遗传算法。自适应遗传算法采用了变化的变异概率，当进化初期个体差异交大时，变异概率较小；当进化后期个体差异小时，变异概率会变大，这样有利于跳出“早熟”的陷阱。该发明的自适应遗传算法优化程序流程图如图3所示。

进一步的，本发明还具有良好的人机交互性能，能够通过上位机发送控制指 令，并实时显示各个温区的温度，当下达控制结束命令，也可通过存储器读取出整个工作控制过程的全程纪录。

附图说明

图1为多层共挤吹塑薄膜机组示意图；

图2为基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温控系统的结构示意图；

图3为基于自适应遗传算法优化PID参数控制方法原理框图；

图4为自适应遗传算法优化程序的流程图；

图5为DSP片上程序流程图；

图6为FPGA片上程序流程图；

其中，1为主电机；2为挤出机；3为内冷进风口；4为模头；5为冷却风环；6为稳泡架；7为操作平台；8为收卷机；9为纠偏装置；10为分割器；11为旋转牵引器；12为上牵引；13为旋转人字板；14为稳定膜泡；15为测厚探头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示为多层共挤吹塑薄膜机组示意图，本发明提供的智能温度控制系统可以用于多层共挤吹塑薄膜机组。多层共挤吹塑薄膜机组主要由上料系统、挤出机、模头、冷却装置、薄膜厚度测量设备、人字板、牵引辊、卷取装置以及监测和控制系统等组成。本发明提供的控制系统和控制方法可以用于控制挤出机、模头等加热区，实现各加热区温度的精确控制，更好的满足吹塑机组生产要求，提高产品的质量。

如图2所示，本发明提供的基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温度控制系统由四大部分组成：上位机操作单元、温度信号采集单元、温度控制单元以及加 热执行单元。上位机操作单元主要实现各个温区的目标温度设置，并实时显示显示各个温区的温度随时间的变化，以及储存反馈的数据信息。温度信号采集单元主要由热电偶传感器、温度变送器及A/D转换电路组成，用于采集各个温区的温度信号并通过转换处理反馈给温度控制单元和上位机。温度控制单元主要由自适应遗传算法优化模块、PID控制模块、多路PWM输出模块以及通讯模块组成。其中通讯模块包括串口通讯模块和并行通讯模块，分别实现温度控制模块与上位机之间的通讯和DSP与FPGA之间的通讯。温度控制单元主要基于DSP平台和FPGA平台以实现基于自适应遗传算法优化PID控制参数的控制算法，进而达到对多个温区的解耦控制。加热执行单元主要由驱动模块、固态继电器及陶瓷加热圈组成。由于温度控制单元输出的控制量不足以驱动固态继电器，所以控制信号必须经过驱动模块放大后，以驱动固态继电器工作，进而可以控制各个温区加热器加热效率，实现对各个温区的温度控制。

所述的控制对象吹塑装备各温区，其包括多层共挤模头中各层温区和挤出机中各加热温区。通过N个热电偶元件采集各个温区的温度信息，经过N个变送器转换为标准信号输入给A/D转换电路，以得到各温区的温度反馈的数字信号，以便核心控制算法计算实现多温区温度的控制。

如图3所示为基于自适应遗传算法优化PID参数控制方法原理框图。本发明提供的基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温度控制系统核心算法是基于自适应遗传算法优化PID参数的控制方法，主要由遗传算子、适应度函数以及PID控制器构成。根据上位机发送的控制目标和各温区反馈的数据，自适应遗传算法进行遗传操作以优化PID控制器的控制参数K_p、K_i、K_d，并将优化结果输入PID控制器；然后PID控制器对各温区反馈数据进行计算获得控制量u(t)并输出，进而 实现多个温区的温度解耦控制。

本发明多温区解耦控制算法采用自适应遗传算法(AGA)的PID参数寻优方法，该算法将传统PID的控制参数编码成遗传算法的染色体，使用适应度函数计算各个体的适应度值，通过选择、交叉和变异算子对初始群体进行并行操作，当种群进化代数达到阈值或者适应度值满足终止条件时，则停止进化，最终进化结果为最优的个体即是最优的PID控制参数。该算法通过实时优化PID控制参数，实现在不同工况下对被控对象的最优控制。

具体的，本发明基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温控系统的温度控制方法，包括以下步骤：

1)将DSP平台通过通信单元与上位机连接，将PWM输出单元接口和驱动板对应接口相连，并将固态继电器、驱动加热单元、A/D转换电路分别与对应装置连接；

2)通电后进行初始化操作，通过上位机操作界面设置各温区的温度值，并利用串口通讯模块发送给DSP核心控制单元；

3)信号采集单元采集反馈信号，温度信号采集单元采集的温度信号经过预处理后得出测量值，得到各温区实时的温度值，反馈数据输送给PID控制单元；

4)PID控制单元对反馈数据进行计算，通过并行通讯模块，将结果发送给自适应遗传算法优化PID参数控制单元，并将优化后的参数发送给PID控制单元；

5)将反馈数据通过串口通信模块发送到上位机，并实时显示各温区的控制目标温度和实际温度值；PID控制单元根据控制目标和反馈值进行计算，得到各温区的控制量并通过PWM输出单元输出控制信号，对各温区加热圈进行控制；

6)重复进行步骤3)至步骤5)，直至满足设定的各温区控制目标或接收到 由上位机输入的结束命令为止。

图4为自适应遗传算法优化程序的流程图，本发明基于自适应遗传算法优化程序采用C语言编写，并在DSP中实现。程序流程：第一步，对优化个体进行编码并随机产生初始种群；第二步，计算各个个体的适应度值；第三步，判断是否满足程序终止条件，即进化的代数是否达到阈值。如果没达到终止条件，程序进入遗传算子操作，即选择算子、交叉算子和变异算子，产生新的种群；然后重复第二步和第三步，直到满足终止条件，并解码输出结果。算法实现具体步骤：首先，确定编码方法和初始种群规模，本发明采用实数编码并随机生成一定规模的初始群体。本算法的决策变量是PID控制参数Kp、Ki、Kd，并根据参数的物理意义和经验来确定它们的取值范围，即约束条件。然后设计目标函数，本发明采用的目标函数由误差e(t)、控制输入量u(t)、超调量M_p以及上升时间t_u构成，具体如式所示：其中，w₁、w₂、w₃、w₄为加权值。根据最优问题的类型，利用目标函数值按一定的转换规则可求出个体的适应度。本算法定义个体适应度函数为目标函数J的倒数形式，为避免目标函数值为零，在分母加上10^-4项。最后，确定自适应遗传算法的运行参数，根据实际情况确定群体大小M、遗传代数k_g、交叉概率P_c、变异概率P_m和权值w₁，w₂，w₃，w₄的大小。

图5所示为DSP片上程序流程图。DSP片上化程序，开发平台为CCS，采用C语言编写，主要完成自适应遗传算法优化模块、与FPGA通讯控制模块、串口通讯模块。程序流程：首先，系统进行初始化并判断与上位机通讯是否正常。如果与上位机通讯正常，DSP开始接收上位机发送的控制指令并储存；如果与上位机通讯不正常，则程序陷入检查循环直到通讯恢复。然后，程序查询中断。如 果有中断则开始读取并储存FPGA发送的数据，数据接收后进行自适应遗传算法优化操作，获得最优参数储存并发送到FPGA片上PID控制单元，输出完成后运行结束；如果没有查询到读中断，则进行等待，直到中断到来才开始执行后续程序。

图6所示为FPGA片上程序流程图。FPGA片上化程序使用XilinxISE10.1为开发平台，采用硬件描述语言VHDL编写，主要模块有PID控制模块、与DSP通讯模块、温度信号采集模块以及多路PWM控制输出模块等。程序流程：系统初始化完成后，开始进行温度信号采集，并对温度信号进行处理转换。采样完成后输入给PID控制单元，通过滤波处理后存储并发送数据到DSP控制程序，然后进行延时等待，当检查到DSP发送数据时，FPGA控制程序开始接收并输入到PID控制单元进行计算，并将计算的控制量输入到PWM输出单元，以实现控制目标。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温控系统的控制方法，其特征在于，所述吹塑装备智能温控系统包括用于对A/D信号进行放大、滤波处理的信号调理单元、基于DSP平台的时钟单元、通信单元、自适应遗传算法优化PID参数控制单元，以及基于FPGA平台上的时钟单元、通信单元、PID控制单元、A/D转换电路、PWM输出单元、温度信号采集单元以及驱动加热单元；其中，

DSP平台与FPGA平台上时钟单元分别用于统一FPGA平台上各单元的操作时序；

DSP平台上的通信单元用于与上位机通讯得到预设的控制目标，并将其发送给FPGA平台上的PID控制单元；

上位机带有操作面板，用于设定各温区的温度值以及实时显示各温区温度；

自适应遗传算法优化PID参数控制单元用于根据吹塑装备具体的工况实时的优化PID控制参数；

温度信号采集单元用于采集反馈信号，并将反馈信号传送给PID控制单元和自适应遗传算法优化PID参数控制单元；

PID控制单元根据控制目标、反馈信号和自适应遗传算法优化PID参数控制单元优化的结果计算出各温区的控制量，然后由PWM输出单元实现对各个温区的温度精确控制；

PWM输出单元由多路并行的单路PWM组成，用于控制固态继电器的通断或加热功率，实现控制多个温区的温度控制；

驱动加热单元由驱动电路板和固态继电器组成，用于对FPGA控制输出进行放大以驱动固态继电器工作，通过控制固态继电器的通断以实现控制各温区加热器加热功率的目标；

温度信号采集单元采用热电偶传感器，用于采集吹塑装备各温区的温度信号，通过温度变送器将温度信号转换为标准的电压信号，经过FPGA平台上的A/D转换电路处理输入给FPGA平台上各单元进行计算；

信号调理单元用于将干扰信号滤除提高信噪比，以便进行后续的计算处理；

控制方法具体包括以下步骤：

1)将DSP平台通过通信单元与上位机连接，将PWM输出单元接口和驱动电路板对应接口相连，并将固态继电器、A/D转换电路分别与对应装置连接；

2)通电后进行初始化操作，通过上位机操作界面设置各温区的温度值，并利用串口通讯模块发送给自适应遗传算法优化PID参数控制单元；

3)温度信号采集单元采集反馈信号，温度信号采集单元采集的温度信号经过预处理后得出测量值，得到各温区实时的温度值，反馈数据输送给PID控制单元；

4)PID控制单元对反馈数据进行计算，通过并行通讯模块，将结果发送给自适应遗传算法优化PID参数控制单元，并将优化后的参数发送给PID控制单元；

5)将反馈数据通过串口通信模块发送到上位机，并实时显示各温区的控制目标温度和实际温度值；PID控制单元根据控制目标和反馈数据进行计算，得到各温区的控制量并通过PWM输出单元输出控制信号，对各温区加热器进行控制；

6)重复进行步骤3)至步骤5)，直至满足设定的各温区控制目标或接收到由上位机输入的结束命令为止。