CN105904703A - 基于fpga的风环冷却系统控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于FPGA的风环冷却系统控制器及控制方法，用来对多层共挤吹塑设备的风环冷却系统进行控制，获得最佳控制效果。发明主要包括两部分，硬件电路部分以及基于多目标优化算法的控制方法部分。多层共挤吹塑设备的风环冷却系统主要用来控制薄膜的均匀性，但是薄膜厚度和电机控制量之间的关系复杂，传统的控制方法及控制器无法达到好的控制效果，本发明将智能控制算法和片上化技术结合，对控制过程中的模糊规则量表进行优化，实现控制系统的智能化，提高控制精度及产品质量，同时大幅度提高薄膜的均匀性及产量。

Description

基于FPGA的风环冷却系统控制器及控制方法

技术领域

本发明属于高精度自动风环控制领域，涉及一种基于多目标优化算法优化模糊规则量表以及以嵌入式系统代替传统的PLC系统的控制方法，具体涉及一种基于FPGA的风环冷却系统控制器及控制方法。

背景技术

风环是多层共挤吹塑装备的冷却成型部件，对于薄膜表面质量、产量、厚薄、均匀性有极大的影响，其中，薄膜厚薄均匀性是一个很关键的指标，薄膜厚度是否均匀一致是检测薄膜各项性能的基础，倘若一批薄膜厚度不均匀，不但会影响薄膜各处的拉伸强度、撕裂强度、阻隔性，更会影响薄膜的后续加工。因此，通过提高自动风环技术来提高薄膜的均匀性具有重大的意义。但是，风环的控制存在众多的难点，因为自动风环是一种在线实时控制系统,系统被控对象为分布在风环上的若干个电机。由风机送来的冷却气流经风环风室恒压后分配到每个风道上,由电机驱动阀门作开合运动以调整风口及风量的大小,改变模头出料处膜坯的冷却效果,从而控制薄膜厚度。从控制过程看,薄膜厚度变化与电机控制量之间找不到明确关系,不同厚度薄膜以及阀门不同位置厚薄变化与控制量之间呈非线性无规律变化,每调整一个阀门时对相邻点影响都很大,且调整有滞后性,使不同时刻之间又互相关联,对于这种高度非线性、强藕合、时变性和控制不确定性系统,其精确数学模型几乎无法建立,即使能建立数学模型,也非常复杂,难以求解,以致没有实用价值,而传统控制对较确定控制模型控制效果较好,而对于高度非线性,不确定性,复杂反馈信息控制效果很差甚至无能为力；除此之外，国外对自动风环技术及控制装置实施封锁，使得国内的薄膜生产厂商只能高价购买国外的控制技术以及控制装置，并且控制装置大多为传统的PLC控制，控制精度不高；国内厂商自己研发的控制技术大多采用传统的PID控制，控制效果较差；少数采用模糊控制，但是模糊控制规则表难以建立、适应性差的缺点也限制了自动风环技术的发展。因此，研发一套先进的自动风环控制设备以及可提高控制性能的控制技术具有重大的意义，这也是本专利的目的所在。

发明内容

本发明的目的是针对目前国内自动风环发展技术的现状，提出一种基于FPGA的风环冷却系统的控制器及控制方法，实现控制系统的智能化，同时提高薄膜厚度的均匀性及产量。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于FPGA的风环冷却系统控制器，包括基于FPGA平台上的模糊控制量表的IP核；FPGA主控模块；实现与测厚系统通讯的RS422通讯模块；用于输出电机驱动器控制信号的DO模块；用于检测步进电机所驱动阀门开口度的DI模块；用于与人机交互界面通讯的RS485通讯模块；数据处理模块；EEPROM存储模块；用于统一FPGA平台上各单元的操作时序的时钟单元；电机控制量生成模块；用于多个控制器间通讯的CAN通讯模块；用于输入温度传感器和压力传感器的信号的AD模块；用于拓展控制器功能的DA模块；当控制器上电启动后，在时钟单元的驱动下，RS422通讯模块将读取的厚度数据传输给数据处理模块，数据处理模块处理完成后，将处理的数据传输给EEPROM存储模块，存储完成后，RS485通讯模块将数据传输给上位机显示，根据处理的数据查询模糊控制量表的IP核，然后进入电机控制量生成模块，生成的控制量通过DO模块输出，各个硬件模块分布在Altium Designer绘制的电路板上，所有的模块通过电路板的电气连接及软件编程建立起联系。

所述的基于FPGA平台上的模糊控制量表的IP核，依托于Xilinx公司的FPGA集成开发环境ISE下，通过硬件描述语言VHDL对其进行设计。

所述的控制器上的RS422通讯模块对测厚系统进行控制，通过RS422通讯模块实现测厚系统的启动、旋转、移动、停止以及膜厚数据的读取。

所述的风环冷却系统控制器的数据处理模块对读取的整个圆周的薄膜厚度求平均值、最大值、最小值、极限偏差、方差、标准差，EEPROM存储模块将数据处理模块的数据存储。

所述的电机控制量生成模块是对从模糊控制量表的IP核得出的控制量进行处理，处理时结合DI模块读取的阀门位置信息，最后将生成的控制量通过FPGA平台上的DO模块输出。

所述的FPGA平台上的与上位机通讯的RS485通讯模块，可以将膜厚数据的各类信息、通过AD模块读取的温度信息、压力信息以及系统当前的运行状态传输给上位机并显示。

风环冷却系统控制器可以通过CAN通讯模块实现多个控制器的通讯。

基于FPGA的风环冷却系统控制方法，包括以下步骤：

1)将所生产的薄膜材料的参数输入多目标优化程序，然后将优化生成的模糊控制量表生成IP核嵌入整个控制程序中；最后在下位机软件开发环境ISE中调试、优化整个程序；

2)将基于FPGA的风环冷却系统控制器的DO模块与均布在风环上的步进电机驱动器组连接，DI模块与光电传感器连接，AD模块与温度传感器、压力传感器连接，RS422通讯模块和测厚系统连接，RS485通讯模块和上位机连接。接通各个模块的电气连接部分，启动系统；。

3)启动系统后，上位机通过RS485通讯模块发送系统初始化信息，下位机接收信息后初始化各个功能模块，当系统稳定运行后，上位机发送控制命令，使自动风环处于恒量运行状态。

4)当运行一段时间后，上位机发送控制命令给测厚系统读取膜厚数据：

4.1)当上位机显示风环冷却系统已经稳定运行后，上位机发送启动测厚系统命令给控制器，控制器接收命令后将命令进行分析处理后再通过RS422模块发送给测厚系统；

4.2)测厚系统启动后，上位机会先发送旋转R命令或者移动M命令，测厚系统接收到相应的命令后会进行解析然后相应的动作；

4.3)测厚系统旋转后，上位机发送读状态A命令给控制器，控制器解析命令后通过RS422通讯模块发送给测厚系统相应的命令；接收到命令后，测厚系统会将自身的运行状态返回给控制器；

4.4)控制器解析测厚系统的状态命令；若允许读数据，则发送读数据P命令，紧接着测厚系统便会连续的将膜泡圆周上的数据返回给控制器；若不允许，则继续发送读状态A命令等待；

4.5)当控制器接收完360个数据后，会向测厚系统发送读取完毕的Q命令，然后重复步骤4.3)、步骤4.4)和步骤4.5)，直至测厚系统停止。

5)，当读取测厚系统的整个圆周数据完成后，控制器通过数据处理模块和EEPROM存储模块将所有的厚度数据进行处理、存储，同时通过RS485通讯模块发送给上位机；

6)当数据处理及存储完成后，控制器根据当前的膜厚设定值，计算每个点的膜厚的误差及误差变化率，计算出每个电机的控制量的地址，根据地址查询模糊控制量表的IP核中的电机控制量；

7)控制器查询到的电机控制量与DI模块读取的阀门位置信号进行比较后，根据情况转化成步进电机驱动器的控制量，然后通过DO模块输出控制，延时一段时间后，重复步骤4)、步骤5)、步骤6)和步骤7)。

所述步骤3)中，控制器接收的初始化信息包括复位DO模块、DI模块、AD模块、RS485通讯模块、RS422通讯模块，系统稳定运行的判断条件是各个模块工作正常；

所述步骤7)中控制器生成步进电机的控制量包括脉冲数、方向信号、使能信号，若通过DI模块读回的阀门位置与生成的步进电机驱动器的控制量冲突，控制器会根据预先设定好的原则进行调整。

风环冷却系统会根据AD模块读取的风环系统当前的温度、压力信息及时调整风环的控制。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供的基于FPGA的风环冷却系统控制器，将风环系统的控制部分集成在一块控制电路板上，相比于传统的PLC控制，风环冷却系统控制器具有体积小、成本低、控制精度高、易于携带，未来可开发成为手提式的便携装备，应用前景广。此外，风环冷却系统控制器采用先进的嵌入式技术，可根据实际风环系统步进电机的数量扩充控制器，通过控制器上设计的CAN通讯模块实现各控制器之间的同步，而不需要重新更换控制器，因此可减少资源的浪费。进一步的，控制器所选用的控制芯片，不仅控制精度高、抗干扰性强，而且更换方便，进而使得整个控制器的控制性能优于传统的控制设备。进一步的，该控制器在设计上采用模块化的设计方案，各个模块之间相互独立，即使一个模块因为某些原因无法工作，也不会影响其它模块，这种设计也使得故障查找方便。

本发明提供的基于FPGA的风环冷却系统控制方法，突破了以往模糊规则控制必须依靠大量专家经验的局限，采用多目标优化算法优化模糊控制量表，然后采用嵌入式技术将模糊控制量表生成IP核，最后将其整合到风环系统的控制程序中。该方法使得风环冷却系统的控制更加智能化、控制精度更高。当生产一种新品种的塑料薄膜时，只需要将塑料薄膜原料的参数输入研发的优化程序中，便可生成较为理想的模糊控制量表，然后再在实际中稍加调整即可。相比于传统的通过大量的实验总结模糊规则表的方法，该方法不仅节约了做实验所需的大量的人力、物力，而且时间短，进而可提高生产效率。

本发明还具有良好的人机交互性能，能够通过上位机发送初始控制指令，实时显示系统反馈的膜厚信息以及系统的运行状态，根据反馈回的信息，工作人员可以时时调整整个控制系统。

附图说明

图1为本发明的基于FPGA的风环冷却系统控制器及控制方法的整体框图；

图2为本发明的基于FPGA的风环冷却系统控制器的结构框图；

图3为本发明的基于FPGA的风环冷却系统控制方法的整体流程图；

图4为本发明的基于FPGA的风环冷却系统控制器的控制测厚系统的控制流程图；

图5为本发明的基于FPGA的风环冷却系统控制方法中的优化算法的流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明提供的基于FPGA的风环冷却系统控制器及控制方法主要包括两部分：硬件电路部分和基于多目标优化算法的软件部分。进一步说明，硬件部分即是风环冷却系统控制器，软件部分则是控制方法的体现。其中，软件部分分为上位机软件和下位机软件，两部分以控制器的通讯模块为载体，通过相应的通讯协议建立联系。上位机软件主要实现人机交互、数据存储以及状态监测功能，其中，人机交互是指操作人员可通过上位机软件在远程PC端对整个控制系统进行操作；数据存储是指上位机和控制器一样，可将接收到薄膜厚度信息存储起来；状态监控是指上位机显示风环系统以及控制器的运行状态，一旦发生异常，上位机便会发送报警信号。下位机软件主要实现对风环系统的控制，包括测厚系统的控制、步进电机驱动器的控制、阀门位置的检测、温度传感器信号的读取、膜厚数据的处理及存储以及模糊控制算法的实现。控制器部分的每个模块都是根据所控装置而设计的，它是整个下位机软件的载体，因此，当控制器发生变化的时候，下位机软件也会做相应的调整，两者紧密联系在一起。下面将会对控制器的结构作进一步的说明。

参见图2，为基于FPGA的风环冷却系统控制器的结构框图，该控制器包括基于FPGA平台上的模糊控制量表的IP核；FPGA主控模块；实现与测厚系统通讯的RS422通讯模块；用于输出电机驱动器控制信号的DO模块；用于检测步进电机所驱动阀门开口度的DI模块；用于与上位机通讯的RS485通讯模块；数据处理模块；EEPROM存储模块；用于统一FPGA平台上各单元的操作时序的时钟单元；电机控制量生成模块；用于多个控制器间通讯的CAN通讯模块；用于输入温度传感器和压力传感器的AD模块；用于拓展控制器功能的DA模块；其中，

FPGA主控模块，是整个控制器的核心部分，协调控制器各个模块之间的工作。主要包括FPGA主控芯片、Flash模块、时钟模块、电源模块、JTAG烧写模块。其中，Flash模块用于存储应用程序，当控制器上电后，FPGA主控芯片会从Flash模块读取程序；时钟模块用于统一FPGA平台上各单元的操作时序；电源模块用于整个控制器各个芯片的供电；JTAG烧写模块用于向控制器写入新的控制程序。

RS422通讯模块用于对测厚系统进行控制及膜厚数据的读取。其中，控制命令包括控制测厚系统旋转、移动、停止、启动；膜厚数据的读取要根据控制器与测厚系统之间的PCD-LINK通讯协议编写下位机程序实现，厚度数据的读取有不同的方式，可以根据需要每次读取1～360个数据。

EEPROM存储模块，用来存储系统的数据。当控制器从测厚系统读回整个膜泡圆周的厚度数据后，控制器中的数据处理模块就会对360个数据求平均值、最大值、最小值、极限偏差、方差、标准差，处理完后的数据就会存储在EEPROM存储模块中，以便后期查看。

DO模块，用于输出步进电机驱动器的控制量，该控制量包括控制步进电机驱动器的使能、转向及脉冲数。控制量的生成是通过模糊控制算法实现的，首先，控制器根据读取的实际膜厚数据与设定值进行计算得到误差及误差变化率，计算出每个电机的控制量的地址，根据地址查询模糊控制量表中的电机控制量；然后进入电机控制量生成模块，最后将电机控制量结合阀门的开口度转化为步进电机驱动器的控制量。

RS485通讯模块，可以将膜厚数据的各类信息以及系统当前的运行状态传输给上位机并显示，控制器的一些初始化参数也是通过RS485通讯模块传递给控制器的。

CAN通讯模块，因为不同的风环配置的步进电机的数量是不同的，当其数量超过一块控制板所能控制的数量时，就可以通过CAN模块将多个控制器建立联系，实现控制系统的扩展，是本控制器的一大亮点设计。

DI模块。当输出步进电机驱动器的控制量时，必须考虑阀门当前的位置，DI模块就是输入检测阀门位置的光电传感器的信号，然后将其转化为阀门的位置信号。

AD模块，用于输入温度传感器和压力传感器的信号。风环控制过程中，风的温度和压力是两个非常重要的参数，通过时时监测这两个信号同时传递给上位机显示，可避免意外的发生。

DA模块，用于后期控制进风口的变频电机。因为现有的控制系统的进风口的风量都是通过人工调整的，灵活性较差。本系统设计的DA模块可根据风环的运行状态，自动调节进风口的风量，使控制效果更优。

参见图3和图4，为基于FPGA的风环冷却系统控制器的控制流程图，包括以下步骤：

第1步，按照图2所示的控制器的结构框图，将基于FPGA的风环冷却系统控制器的DO模块与均布在风环上的步进电机驱动器组连接，DI模块与光电传感器连接，AD模块与温度传感器、压力传感器连接，RS422通讯模块和测厚系统连接，RS485通讯模块和上位机连接。接通各个模块的电气连接部分，启动系统；

第2步，启动系统后，上位机通过485通讯模块发送系统初始化信息，下位机接收信息后初始化各个功能模块，当系统稳定运行后，上位机发送控制命令，使自动风环处于恒量运行状态。

第3步，当运行一段时间后，上位机发送控制命令给测厚系统读取膜厚数据，具体步骤为：

第3.1步，当上位机显示风环冷却系统已经稳定运行后，上位机发送启动测厚系统命令给控制器，控制器接收命令后将命令进行分析处理后再通过RS422通讯模块发送给测厚系统；

第3.2步，步测厚系统启动后，上位机会先发送旋转R命令或者移动M命令，测厚系统接收到相应的命令后会进行解析然后相应的动作；

第3.3步，测厚系统旋转后，上位机发送读状态A命令给控制器，同样的，控制器解析命令后通过RS422通讯模块发送给测厚系统相应的命令；接收到命令后，测厚系统会将自身的运行状态返回给控制器；

第3.4步，控制器解析测厚系统的状态命令；若允许读数据，则发送读数据P命令，紧接着测厚系统便会连续的将膜泡圆周上的数据返回给控制器；若不允许，则继续发送读状态A命令等待；

第3.5步，当控制器接收完360个数据后，会向测厚系统发送读取完毕的Q命令，然后重复步骤第3.3步、步骤第3.4步和步骤第3.5步，直至测厚系统停止。

第4步，当读取测厚系统的整个圆周数据完成后，控制器通过数据处理及存储模块将所有的厚度数据进行处理，同时通过RS485通讯模块发送给上位机；

第5步，当数据处理且存储完成后，控制器根据当前的膜厚设定值，计算每个点的膜厚的误差及误差变化率，然后进入电机控制量生成模块，计算出每个电机的控制量的地址，根据地址查询模糊控制量表中的电机控制量；

第6步，控制器查询到的电机控制量与DI模块读取的信号进行比较后，根据情况转化成步进电机驱动器的控制量，然后通过DO模块输出控制，延时一段时间后，重复步骤第3步、步骤第4步、步骤第5步和步骤第6步。

参见图5，为基于FPGA控制器的风环冷却系统控制方法中的优化算法的流程图，具体的优化步骤如下：

第1步，将产品原料的相关参数带入自主建立的膜泡吹塑成型的模型中，得到该产品的数学模型；

第2步，根据数学模型，数值模拟得到薄膜厚度和风速之间的传递函数，然后将该传递函数输入自主研发的优化程序中；

第3步，分析优化得出的模糊控制量表的响应特性，若满足系统的要求，则将其生成IP核带入控制系统，若不满足，则继续优化。

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 (10)

1.基于FPGA的风环冷却系统控制器，其特征在于：包括基于FPGA平台上的模糊控制量表的IP核；FPGA主控模块；实现与测厚系统通讯的RS422通讯模块；用于输出电机驱动器控制信号的DO模块；用于检测步进电机所驱动阀门开口度的DI模块；用于与上位机通讯的RS485通讯模块；数据处理模块；EEPROM存储模块；用于统一FPGA平台上各单元的操作时序的时钟单元；电机控制量生成模块；用于多个控制器间通讯的CAN通讯模块；用于输入温度传感器和压力传感器的信号的AD模块；用于拓展控制器功能的DA模块；当控制器上电启动后，在时钟单元的驱动下，RS422通讯模块将读取的厚度数据传输给数据处理模块，数据处理模块处理完成后，将处理的数据传输给EEPROM存储模块，存储完成后，RS485通讯模块将数据传输给上位机显示，根据处理的数据查询模糊控制量表的IP核，然后进入电机控制量生成模块，生成的控制量通过DO模块输出，各个硬件模块分布在Altium Designer绘制的电路板上，所有的模块通过电路板的电气连接及软件编程建立起联系。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的风环冷却系统控制器，其特征在于：基于FPGA平台上的模糊控制量表的IP核，依托于Xilinx公司的FPGA集成开发环境ISE下，通过硬件描述语言VHDL对其进行设计。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的风环冷却系统控制器，其特征在于：控制器上的RS422通讯模块对测厚系统进行控制，通过RS422通讯模块实现测厚系统的启动、旋转、移动、停止以及膜厚数据的读取。

4.根据权利要求1或3所述的基于FPGA的风环冷却系统控制器，其特征在于：风环冷却系统控制器的数据处理模块对读取的整个圆周的薄膜厚度求平均值、最大值、最小值、极限偏差、方差、标准差，EEPROM存储模块将数据处理模块的数据存储。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA的风环冷却系统控制器，其特征在于：所述的电机控制量生成模块是对从模糊控制量表的IP核得出的控制量进行处理，处理时结合DI模块读取的阀门位置信息，最后将生成的控制量通过FPGA平台上的DO模块输出。

6.根据权利要求1所述的基于FPGA的风环冷却系统控制器，其特征在于：所述的FPGA平台上的与上位机通讯的RS485通讯模块，将膜厚数据的各类信息、通过AD模块读取的温度、压力信息以及系统当前的运行状态传输给上位机并显示。

7.根据权利要求1所述的基于FPGA的风环冷却系统控制器，其特征在于：风环冷却系统控制器通过CAN通讯模块实现多个控制器的通讯。

8.一种基于FPGA的风环冷却系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将所生产的薄膜材料的参数输入多目标优化程序，然后将优化生成的模糊控制量表生成IP核嵌入整个控制程序中；最后在下位机软件开发环境ISE中调试、优化整个程序；

2)将基于FPGA的风环冷却系统控制器的DO模块与均布在风环上的步进电机驱动器组连接，DI模块与光电传感器连接，AD模块与温度传感器、压力传感器连接，RS422通讯模块和测厚系统连接，RS485通讯模块和上位机连接，接通各个模块的电气连接部分，启动系统；

3)启动系统后，上位机通过RS485通讯模块发送系统初始化信息，下位机接收信息后初始化各个功能模块，当系统稳定运行后，上位机发送控制命令，使自动风环处于恒量运行状态；

4)当运行一段时间后，上位机发送控制命令给测厚系统读取膜厚数据：

5)当读取测厚系统的整个圆周数据完成后，控制器通过数据处理模块和EEPROM存储模块将所有的厚度数据进行处理、存储，同时通过RS485通讯模块发送给上位机；

6)当数据处理及存储完成后，控制器根据当前的膜厚设定值，计算每个点的膜厚的误差及误差变化率，计算出每个电机的控制量的地址，根据地址查询模糊控制量表的IP核中的电机控制量；

7)控制器查询到的电机控制量与DI模块读取的阀门位置信号进行比较后，根据情况转化成步进电机驱动器的控制量，然后通过DO模块输出控制，延时一段时间后，重复步骤4)、步骤5)、步骤6)和步骤7)。

9.根据权利要求8所述的基于FPGA的风环冷却系统控制方法，其特征在于：所述步骤4)中，上位机发送控制命令读取膜厚数据的具体工作工程：

1)当上位机显示风环冷却系统已经稳定运行后，上位机发送启动测厚系统命令给控制器，控制器接收命令后将命令进行分析处理后再通过RS422通讯模块发送给测厚系统；

2)测厚系统启动后，上位机会先发送旋转R命令或者移动M命令，测厚系统接收到相应的命令后进行解析然后作出相应的动作；

3)测厚系统旋转后，上位机发送读状态A命令给控制器，控制器解析命令后通过RS422通讯模块发送给测厚系统相应的命令；接收到命令后，测厚系统会将自身的运行状态返回给控制器；

4)控制器解析测厚系统的状态命令；若允许读数据，则发送读数据P命令，紧接着测厚系统便会连续的将膜泡圆周上的数据返回给控制器；若不允许，则继续发送读状态A命令等待；

5)当控制器接收完360个数据后，会向测厚系统发送读取完毕的Q命令，然后重复步骤3)、步骤4)和步骤5)，直至测厚系统停止。

10.根据权利要求8所述的基于FPGA的风环冷却系统控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，控制器接收的初始化信息包括复位DO模块、DI模块、AD模块、RS485通讯模块、RS422通讯模块，系统稳定运行的判断条件是各个模块工作正常。