武藝泳，陳鐵軍，羅 勇，周亮杰

(鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

熱牽伸輥(以下簡稱熱輥)廣泛應(yīng)用于紡織化纖行業(yè)，是紡纖聯(lián)合機上的關(guān)鍵部件之一。熱輥主要由導(dǎo)絲盤、鉑電阻、加熱器、電動機、旋轉(zhuǎn)溫度變送器(以下簡稱旋變器)、溫度控制器組成［1］。熱輥導(dǎo)絲盤在電動機驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)，并通過熱輥內(nèi)部加熱器對導(dǎo)絲盤進(jìn)行加熱。從紡絲甬道下來的多條絲束纏繞在上下熱輥的導(dǎo)絲盤上均勻受熱，利用上下導(dǎo)絲盤的線速度差進(jìn)行牽伸、定型［2］。在紡絲牽伸工藝中，熱輥導(dǎo)絲盤表面同一位置的溫度穩(wěn)定性和橫向的溫度均勻性直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。不同溫度條件下牽伸的絲束品質(zhì)各異，對民用絲來說影響染色均勻性，對工業(yè)絲來說影響強力的一致性［3］。導(dǎo)絲盤表面溫度均勻性主要跟加熱器的種類和性能、輥體的材質(zhì)、勻熱方式有關(guān)，而溫度穩(wěn)定性主要由溫控系統(tǒng)的控制性能決定。

近年來我國熱輥市場發(fā)展迅速，在2010年中國國際紡織機械展覽會上，日本TMT、德國巴馬格、瑞士溫特圖爾公司展示了最新的高速熱輥產(chǎn)品［4］。國內(nèi)多個企業(yè)在汲取國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過不斷研究改進(jìn)，國產(chǎn)熱輥水平迅速提高，但是，大部分廠家產(chǎn)品還處于小批量、試生產(chǎn)階段。與國外熱輥產(chǎn)品相比，國產(chǎn)熱輥在運行精度和速度、溫控性能、使用壽命方面還存在較大差距。

本文的熱牽伸輥溫控系統(tǒng)在旋變器、溫控器設(shè)計以及溫度控制策略上均具有一定的創(chuàng)新性。旋變器采用非接觸式供電技術(shù)，為高速旋轉(zhuǎn)的測溫部件提供電能，并且其內(nèi)嵌高性能單片機，使其同時具備了溫度采集發(fā)送、數(shù)據(jù)處理及故障診斷能力;溫控器設(shè)計主要以單片機為核心，功能完備且極易擴展，與使用集成溫控器相比，大大降低了生產(chǎn)成本。為達(dá)到較好的溫度控制性能，將單神經(jīng)元PID控制算法應(yīng)用到熱輥溫控系統(tǒng)，并對該算法中存在的問題進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)PID參數(shù)的自適應(yīng)整定。使用結(jié)果表明，改進(jìn)型單神經(jīng)元PID控制算法提高了溫度控制性能。該系統(tǒng)溫度控制精度較高，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間小，穩(wěn)定性和抗干擾能力強，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)組成

熱輥溫控系統(tǒng)主要完成溫度測量與變送、控制策略執(zhí)行、控制量輸出、加熱器加熱、數(shù)據(jù)通信等功能。鉑電阻(PT100)和旋變器完成溫度的測量與變送，溫控器完成控制策略執(zhí)行及控制量輸出，由交流調(diào)壓模塊對加熱器電壓進(jìn)行可調(diào)控制。溫控器同時接收2路熱輥的旋變器傳送的溫度數(shù)據(jù)，并分別控制2個加熱器對這2路熱輥加熱。6個溫控器安裝在1個控制柜中，通過柜內(nèi)485總線與控制柜面板進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。控制柜面板同時利用柜外485總線與遠(yuǎn)方PC機進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。PC機利用上位機軟件對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控管理。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall system structure diagram

熱輥正常工作時高速旋轉(zhuǎn)(最高轉(zhuǎn)速為9 000 r/min)，所以鉑電阻無法直接接觸導(dǎo)絲盤表面測量溫度。該系統(tǒng)將鉑電阻插在緊貼導(dǎo)絲盤內(nèi)壁的槽內(nèi)與其共同旋轉(zhuǎn)，盡量減少測量點與導(dǎo)絲盤表面溫度的差值。鉑電阻與固定在電動機主軸上的旋變器轉(zhuǎn)子相連，完成溫度采集。旋變器定子安裝在機座上，定子通過非接觸方式向轉(zhuǎn)子提供電能，轉(zhuǎn)子則通過紅外向定子回傳溫度數(shù)據(jù)。旋變器采集到的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為12 V數(shù)字電平信號傳送給溫控器。

加熱器是溫控系統(tǒng)的執(zhí)行器件。傳統(tǒng)的電阻絲加熱方式已被工頻或高頻電感應(yīng)加熱方式取代［2］。高頻感應(yīng)利用高頻渦流的趨膚效應(yīng)，可以提高加熱效率，勻溫效果比工頻加熱好，但是需額外配備高頻發(fā)生裝置，增加成本投入。綜合考慮，本文選用工頻電感應(yīng)式加熱器。單相交流調(diào)壓模塊基于交流電力控制原理對加熱器電壓進(jìn)行可調(diào)控制。調(diào)壓模塊內(nèi)部反并聯(lián)2個晶閘管，通過改變調(diào)壓模塊控制端電壓，就可改變晶閘管在每半個周波內(nèi)輸出觸發(fā)相位角的大小，實現(xiàn)交流電壓的調(diào)節(jié)。加熱器供電為單相380 V，通過交流調(diào)壓模塊控制端輸入0～5 V的直流電壓對其進(jìn)行0～380 V線性調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 旋變器

旋變器測溫精度直接影響熱輥溫控系統(tǒng)的控制性能。旋變器包括轉(zhuǎn)子和定子2部分。由于轉(zhuǎn)子隨熱輥高速旋轉(zhuǎn)，無法直接供電，所以定子采用非接觸供電方式向轉(zhuǎn)子提供電能。

非接觸式供電基于電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)［5］。非接觸式供電技術(shù)將傳統(tǒng)變壓器原副邊分離，以空氣為磁介質(zhì)，形成松耦合進(jìn)行電能傳輸［6］。在定子端和轉(zhuǎn)子端分別對應(yīng)安置1組線圈，作為非接觸式供電的原副邊。定子電路由主控器提供12 V直流電源，12 V直流電源通過振蕩電路與驅(qū)動電路逆變成2 MHz高頻交流電供給定子線圈，產(chǎn)生高頻交變磁場。轉(zhuǎn)子線圈在高頻交變磁場中感應(yīng)產(chǎn)生同樣頻率的感應(yīng)電動勢，經(jīng)整流濾波為轉(zhuǎn)子負(fù)載提供電能。旋變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 旋變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Systeme structure of rotary temperature transmitter

轉(zhuǎn)子電路內(nèi)嵌高性能C8051F410單片機，使其在進(jìn)行溫度采集的同時，還具有數(shù)據(jù)處理與故障診斷能力。轉(zhuǎn)子采用高精度電壓基準(zhǔn)芯片MAX6191單獨為溫度測量電路提供高精度低紋波基準(zhǔn)電壓。單片機每隔固定周期控制片內(nèi)ADC采集1次溫度數(shù)據(jù)，并利用軟件完成溫度數(shù)據(jù)的低通濾波和平滑濾波。最后，轉(zhuǎn)子得到的溫度數(shù)據(jù)和報警信息經(jīng)過編碼，由單片機控制紅外發(fā)射管發(fā)送給定子端。

2.2 控制柜

控制柜中安裝6個溫控器，負(fù)責(zé)對12路熱輥進(jìn)行溫度控制?？刂乒衩姘迳系囊壕翆崟r顯示每路熱輥的溫度值和狀態(tài)信息，液晶屏采用LCD240×128，支持中文顯示，方便工人監(jiān)測。使用面板上的4×4矩陣鍵盤可對每路熱輥的溫度設(shè)定值和控制參數(shù)進(jìn)行修改。

控制柜面板采用柜內(nèi)485總線與控制柜中的溫控器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。面板以固定時間間隔輪詢每個溫控器，并向其發(fā)送信息幀，信息幀類型包括：數(shù)據(jù)請求、參數(shù)請求、參數(shù)修改。對應(yīng)地址的溫控器接收到面板發(fā)來的信息幀后，根據(jù)信息幀的類型進(jìn)行回應(yīng)。計算機通過柜外485總線輪詢每個控制柜面板進(jìn)行通信。柜外485網(wǎng)絡(luò)中，計算機與控制柜面板為主從關(guān)系。柜內(nèi)485網(wǎng)絡(luò)中，控制柜面板與溫控器亦為主從關(guān)系?？刂乒衩姘鍖?2路熱輥溫度數(shù)據(jù)和參數(shù)暫存在其RAM中，當(dāng)回應(yīng)計算機時將所有數(shù)據(jù)和參數(shù)上傳給計算機。計算機修改某一溫控器參數(shù)需首先將修改參數(shù)傳遞給對應(yīng)的控制柜面板，再由控制柜面板將修改參數(shù)傳遞給對應(yīng)溫控器。由于控制柜面板處在2個不同的485總線中，所以控制柜面板的主控芯片選用具有2個串口的C8051F340單片機，串口0用作與溫控器進(jìn)行柜內(nèi)485通信，串口1用做與計算機進(jìn)行柜外485通信。

溫控器是整個熱輥溫控系統(tǒng)的控制核心，主要功能包括：接收由旋變器傳送的溫度和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)、執(zhí)行溫度控制算法、輸出控制量、與控制柜進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、報警控制。溫控器硬件主要由穩(wěn)壓電路、主控芯片、光耦隔離、運放電路、485通信電路等組成。溫控器總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

每個溫控器配備1個雙路隔離輸出變壓器，一路輸出12 V提供給旋變器，另一路輸出9 V提供給溫控器。485通信電路選用MAX1487進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，并采用外部獨立的開關(guān)電源提供5 V電壓，以提高其抗干擾能力和安全性。主控芯片選用C8051F410單片機，其自帶2路12位電流輸出型DAC將運算產(chǎn)生的數(shù)字控制量轉(zhuǎn)化為0～2 mA電流。運放電路采用LM358將DAC輸出的0～2 mA電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號控制交流調(diào)壓模塊。9 V供電電源一部分經(jīng)LM7805穩(wěn)壓成5 V提供給單片機及外圍電路，另一部分則直接為LM358供電。由于溫控器供電電源、旋變器電源和485通信電源均相互獨立，所以溫度、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的接收以及485通信信號均需要采用光耦隔離。

3 單神經(jīng)元PID控制研究與設(shè)計

熱輥作為溫度控制對象，具有大慣性時間常數(shù)和明顯的純滯后，并具有復(fù)雜的非線性和時變特性。熱輥受工作條件和環(huán)境影響造成的變參數(shù)、變結(jié)構(gòu)等不確定性同樣使控制器參數(shù)整定困難，傳統(tǒng)的PID控制方法難以滿足閉環(huán)優(yōu)化控制的要求。

熱輥正常工作條件下設(shè)定溫度為50～220℃，轉(zhuǎn)速為0～9 000 r/min，在不同工作條件下，均要求溫控系統(tǒng)具有良好的溫度控制性能。傳統(tǒng)PID控制參數(shù)一經(jīng)確定就不會改變，所以傳統(tǒng)PID控制只能在特定的工作條件下滿足控制要求。工作條件發(fā)生變化后(例如：設(shè)定溫度、轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度改變，掛絲、斷絲等)控制性能將會變差。單神經(jīng)元PID控制器控制參數(shù)可以通過神經(jīng)元的自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力進(jìn)行調(diào)整，對熱輥在不同工作條件下引起的變參數(shù)、變結(jié)構(gòu)都能達(dá)到良好的控制效果。

3.1 單神經(jīng)元PID控制原理

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制中，將神經(jīng)元作為最基本的控制元件，結(jié)合常規(guī)PID控制，用誤差的比例、積分和微分作為單個神經(jīng)元的輸入量，構(gòu)成神經(jīng)元PID控制器［7］，其控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖中，狀態(tài)轉(zhuǎn)換器的輸入反映被控過程及控制系統(tǒng)設(shè)定狀態(tài)，yr(k)為系統(tǒng)設(shè)定值，y(k)為系統(tǒng)的實際輸出值，經(jīng)過狀態(tài)轉(zhuǎn)換器變換成神經(jīng)元的3個輸入量，x1、x2、x3分別為

圖4 單神經(jīng)元PID控制器系統(tǒng)框圖Fig.4 Single-neuron PID controller system block diagram

ωi(k)(i=1，2，3)為神經(jīng)元權(quán)系數(shù)，神經(jīng)元的輸入-輸出關(guān)系描述為

式中，取f(I)為線性截斷函數(shù);K為神經(jīng)元比例系數(shù)，K＞0。單神經(jīng)元控制器輸出可寫成

增量式數(shù)字PID控制算法為

比較式(6)和式(8)可見其形式完全相同，所不同的只是式(6)中的系數(shù)ωi(k)(i=1，2，3)可以通過神經(jīng)元的自學(xué)習(xí)功能進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，而式(8)中的參數(shù)Kp、Ki、Kd是預(yù)先整定好且不變的。神經(jīng)元的學(xué)習(xí)算法是用來調(diào)整ωi(k)的規(guī)則，它是神經(jīng)元控制的核心，反映了學(xué)習(xí)方式與學(xué)習(xí)功能。本文采用一種單神經(jīng)元PID的有監(jiān)督Hebb學(xué)習(xí)算法［8］，按照有監(jiān)督Hebb學(xué)習(xí)算法，權(quán)系數(shù)ωi(k)的修正學(xué)習(xí)規(guī)則如下：

式中 ηp、ηi、ηd分別為比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率。為了保證學(xué)習(xí)算法的收斂性和控制的魯棒性，對上述權(quán)系數(shù)修正值進(jìn)行規(guī)范化處理得到如下單神經(jīng)元PID控制算法：

由以上公式可知，單神經(jīng)元PID控制算法結(jié)構(gòu)清晰簡單，物理意義明確，數(shù)據(jù)運算量小，適合于數(shù)據(jù)處理能力不強的單片機控制系統(tǒng)。

3.2 改進(jìn)型單神經(jīng)元PID控制器

熱輥溫控系統(tǒng)要求上升時間短，超調(diào)量小，調(diào)整時間短，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后具有較強的魯棒性。實際調(diào)試應(yīng)用中，單神經(jīng)元PID算法的控制性能和比例系數(shù)K，比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率 ηp、ηi、ηd的選取均有關(guān)系，但K是最敏感的參數(shù)，它的取值與系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性有密切的關(guān)系。K取值較大時，系統(tǒng)動態(tài)過程上升快，但超調(diào)量大，可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定;K取值較小時，超調(diào)量減小，但系統(tǒng)響應(yīng)變慢［9］。為得到綜合性能較好的系統(tǒng)，可使K值根據(jù)系統(tǒng)誤差大小進(jìn)行在線調(diào)整［10］。

采用下面的改進(jìn)方法對熱輥溫控系統(tǒng)單神經(jīng)元PID中的比例系數(shù)K進(jìn)行分段調(diào)整：

式(14)中，KA＞KB。熱輥剛開始加熱時，溫度偏差值較大，應(yīng)取較大的KA值，以提高升溫速度。當(dāng)溫度逐漸接近設(shè)定值，到達(dá)一定的范圍時，K值以非線性變化逐漸減小到一個合適的設(shè)定值KB;最后，在一個較小的溫差范圍內(nèi)保持KB值，使得熱輥穩(wěn)定運行。這樣，既保證升溫的快速性，又具有平穩(wěn)的升溫過程，不產(chǎn)生大的超調(diào)，調(diào)節(jié)時間較短。

4 實驗及其結(jié)果

熱輥在正常工作情況下置于1個半封閉工作柜中，防止外界環(huán)境影響溫度穩(wěn)定性。在室溫為20℃、設(shè)定溫度為140℃、熱滾轉(zhuǎn)速為6 000 r/min的工作條件下，利用改進(jìn)型單神經(jīng)元PID和傳統(tǒng)PID對上述對象進(jìn)行控制，反復(fù)整定取得最優(yōu)控制效果，得到單神經(jīng)元PID控制參數(shù)為：nA=50，nB=15，KA=2.1，KB=27.4，ω1(0)= ω2(0)= ω3(0)=0.1，ηp=0.13，ηi=0.002 6，ηd=0.07;傳統(tǒng) PID 控制參數(shù)為：P=110，I=2，D=25。圖 5 示出6 000 r/min下的溫度控制曲線。

圖5 6 000 r/min轉(zhuǎn)速下溫度控制曲線Fig.5 Temperature control curve at 6 000 r/min

由圖5可看出，在升溫起始階段，單神經(jīng)元PID慢于傳統(tǒng)PID，是因其控制參數(shù)需要經(jīng)過一段時間的學(xué)習(xí)過程逐漸增加。大約90 s以后，二者的控制量均達(dá)到最大值，升溫速率基本相同。單神經(jīng)元PID控制溫度上升平穩(wěn)，幾乎沒有超調(diào)，調(diào)節(jié)時間為490 s;傳統(tǒng)PID控制超調(diào)3.5%，調(diào)節(jié)時間為870 s。單神經(jīng)元PID控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。

當(dāng)熱輥轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，控制參數(shù)不變，其他工作條件不變，溫度控制曲線如圖6所示。由圖可看出，當(dāng)工作條件發(fā)生變化，傳統(tǒng)PID控制效果變差，超調(diào)量增大到10.6%，出現(xiàn)多次震蕩，調(diào)節(jié)時間過長。而單神經(jīng)元PID控制能夠進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，上升時間和調(diào)節(jié)時間均較短，超調(diào)量小。

圖6 2 000 r/min轉(zhuǎn)速下溫度控制曲線Fig.6 Temperature control curve at 2 000 r/min

當(dāng)溫度控制達(dá)到穩(wěn)定以后，在2 000 s打開工作柜柜門15 s，響應(yīng)曲線如圖7所示?？梢钥闯觯瑔紊窠?jīng)元PID控制在235 s后恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，而傳統(tǒng)PID控制在316 s后恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。單神經(jīng)元PID控制抗干擾性能優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

圖7 打開工作柜柜門15 s溫度曲線Fig.7 Temprature curve after openning cabinet door for 15 s

本文研制的熱牽伸輥溫控系統(tǒng)經(jīng)企業(yè)試用發(fā)現(xiàn)，旋變器在強油污、強電磁干擾情況下長期運行無故障出現(xiàn)，測溫精度達(dá)到0.1℃。溫控器操作方便，控制穩(wěn)定，控制效果良好。旋變器轉(zhuǎn)子和定子非接觸供電線圈采用PCB線路板布線的方式，覆銅成螺旋狀分布在1個PCB圓形平面上。這種形式既能減少生產(chǎn)成本，還便于安裝。轉(zhuǎn)子和定子主電路安裝在模具中，采用環(huán)氧樹脂灌裝。轉(zhuǎn)子通過螺釘固定在1個金屬材質(zhì)的軸套上，并利用軸套與電動機軸相連。由于轉(zhuǎn)子在正常工作中高速旋轉(zhuǎn)，所以在使用之前需要做動平衡處理，以保證熱輥運動平穩(wěn)性。

溫控柜在應(yīng)用中主要考慮穩(wěn)定性和易操作性。在控制柜外部安裝電壓表和電流表便于觀測和記錄工作過程中電壓、電流變化?？刂乒裆线€安裝有總電源開關(guān)、手動控制加熱器開關(guān)，本地/遠(yuǎn)程控制開關(guān)、報警指示燈等。溫控柜內(nèi)部安裝有電源、溫控器、調(diào)壓模塊、繼電器等。

6 結(jié)語

將改進(jìn)型單神經(jīng)元PID控制算法應(yīng)用于熱輥溫控系統(tǒng)，通過神經(jīng)元的自學(xué)習(xí)功能，實現(xiàn)了熱輥溫度在不同工作條件下的自適應(yīng)控制。改進(jìn)型單神經(jīng)元PID控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。該熱輥溫控系統(tǒng)在連云港樂美加特種纖維有限公司試用運行良好，具有較高的測溫精度，良好的人機交互界面，完善的報警處理功能。產(chǎn)品封裝設(shè)計保證了在工作現(xiàn)場高溫、強油污、強電磁干擾環(huán)境條件下，系統(tǒng)具有較強的抗干擾性能和耐用性，使得系統(tǒng)長期連續(xù)運行安全可靠。該系統(tǒng)即將進(jìn)入量產(chǎn)階段，期望能給我國紡織化纖行業(yè)帶來較大的社會和經(jīng)濟效益。

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