基于带阻滤波器反馈的经纱张力控制

杨娜 王钦若 万振磊 张晓兰 吴丽群

（广东工业大学）

1 引言

纺织工业是我国国民经济传统的支柱产业和重要的民生产业，也是国际竞争优势明显的产业，发展纺织产业对我国的经济发展具有重大意义。国产的剑杆织机运用了电子技术和控制技术，提高了织机的自动化水平，提升了产品质量和竞争力。在织机系统中，需要不断采集模拟信号，例如张力控制时的经纱张力检测信号、断纬检测信号等，其中经纱张力检测信号直接影响控制的精度和灵敏度。但在采集的张力检测信号中发现了干扰信号，影响布匹质量，应该被滤掉。但是张力信号的相对低频、高频在剑杆织机正常工作中为有用信号，应被保留。本文采用有源滤波器技术来处理干扰，国内外一般采用对称RC双T带阻滤波器[1]。本文分别设计了不对称RC双T带阻滤波器和对称RC双T带阻滤波器，通过改变电路的参数，来改变带阻滤波器电路的滤波中心频率。通过比较，将不对称RC双T带阻滤波器作为经纱张力传感器的检测信号，并从控制策略上分析了经纱张力控制系统的控制方法，采用MATLAB仿真系统来验证控制策略的正确性。

2 RC双T网络

RC双T网络的电路结构如图1所示[2]，它由两个T型网络滤波器并联而成：其中一个由电阻、和电容组成，为低通滤波器；另一个由电容、和电阻组成，为高通滤波器。二者均是利用电容器的容抗随频率变化的特性进行滤波，适当选择的数值，可有效滤除干扰信号。

图1 双T网络电路结构

T型网络滤波器为星型连接方式[3]，为便于分析，可将这种方式的电路等效变换为三角形连接方式电路，将两个 T型网络的等效三角形连接方式电路并联，构成双T网络的等效电路，如图2 所示。

图2 双T网络滤波器等效三角形连接方式电路

由图2 可推导出RC双T电路的传递函数为：

采用不对称RC带阻电路，其参数根据需要和经验确定，由文献[4]可知：

则式（1）中的各参数为：

将各参数代入式（1）中，则：

由式（3）可知，该不对称RC双T电路为二阶带阻滤波电路[5]；由式（4）可知，0w取决于不对称系数α和电路11CR 值，而品质因数0Q只由系数α决定；由式（5）可求得表1。

表1 不对称RC双T带阻滤波电路 0Q

3 带阻滤波器电路设计

在织机系统中，采集的张力检测信号如图 3所示。在两个较高波峰之间有干扰信号，且呈现周期性的波动，剑杆织机工作时这些干扰会对布匹质量产生影响，因此应该被滤掉。但是较高波峰为有用信号，在滤波的过程中不能消弱太多，否则无法识别为有用信号。采用动态信号分析仪检测出干扰信号基波的频率为 24Hz（安捷伦频谱分析仪频率测量范围100kHz～2.9GHz，其中干扰信号基波频率约为50Hz，主要是低频信号，动态信号分析仪能够检测出低频信号的干扰）。为了有效识别有用信号，设计了带阻滤波器，该滤波器需要保证相对低频信号和较高频信号通过，滤掉干扰信号。

图3 张力检测信号

电路设计主要有：

（2）设计电源电路，此滤波器为有源滤波器，因此首先设计一个电压为+5v与-5v的正负电源；

（3）设计滤波电路[6]，选用 741通用型集成运算放大器，此带阻滤波器的电路如图4所示。

图4 带阻滤波器电路图

图4中V1为电压源，直接接入采集信号处；、为250Ω的电阻，是根据纺织机主板内部电路来设计的；四个集成运算放大器实现微弱信号的放大；在RC双T带阻滤波器电路中没有接地，而是引入了正反馈，是为了增大电压放大倍数。此带阻滤波器电路的传递函数如下：

试验中由信号分析仪提供峰峰值为2V的正弦信号，用示波器来观察其波形和伏值。正弦波频率的变化，通过带阻滤波器来滤波，可以得到不同伏值的正弦波，通过实验绘出其幅频特性曲线如图5所示，其中星线为不对称RC双 T带阻滤波器的幅频特性曲线，点线为对称RC双T带阻滤波器的幅频特性曲线。

图5 带阻滤波器幅频特性曲线

从曲线可看出，频率相同时，与对称RC双T带阻滤波器相比，不对称RC双T带阻滤波器陷频特性较陡峭，带宽较窄，品质因数较高。在纺织机张力检测信号中，大于32Hz和小于16Hz的信号都为有用信号，采用不对称RC双T带阻滤波器能够滤除干扰，保留有用信号，符合技术要求。而对称RC双T带阻滤波器的带宽为会把有用信号滤除，不符合技术要求。

4 经纱张力的控制

在织机运转过程中，经纱张力控制的作用就是通过控制织机的送经电机和卷取电机来调节织机经线的张力，而经纱张力的变化是一个周期性的过程。在织造过程中一般要求经纱的张力均匀且尽量保持一致，避免造成断经现象，影响织物表面的平整度。在影响经纱张力的因素中，织机送经和卷取运动占主要部分。当织造速度一定时，卷取系统对经纱造成的张力是确定的，因此送经系统成为经纱张力控制的重要环节。图6为经纱张力控制系统原理框图，其中经纱张力传感器为不对称RC双T带阻滤波器，送经控制器检测到传感器的数据，采用经纱张力控制算法，控制送经电机的运动。对于经纱张力系统而言，卷取系统和钢扣实际上是扰动，总效果如图6所示，R(t)是目标值，Y(t)是输出值[7]。

图6 经纱张力控制系统原理框图

要对经纱张力系统进行控制，需要得到被控对象的数学模型。送经控制系统的被控部件、执行部件分别是织机的经轴和伺服电机，从伺服电机到织机经轴之间有复杂的传动机构；另外，经纱张力的输出受到卷取系统、钢扣等方面影响。本文采用最小二乘法进行结构参数和模型参数的估计，最终得到被控对象的数学模型为：

以中心频率为24Hz的不对称RC双T带阻滤波器作为反馈，其传递函数为：

得到被控对象的数学模型后，讨论其控制。PID控制器具有结构简单、使用方便、鲁棒性强、可靠性较高等优点[8]，被广泛应用于过程控制和运动控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。图7为PID控制系统原理框图。

图7 PID控制系统原理框图

PID控制规律为：

图8 输出响应曲线

由离散化PID控制张力输出响应曲线可知，几乎没有超调量，调节时间大约为5秒，控制效果较好，图9为图8的局部放大图。图9与图3 相比，通过不对称RC双T带阻滤波器的反馈，干扰信号明显减弱，但由于波形中谐波的影响，干扰不可能完全滤除。

图9 局部放大图

5 结论

本文设计了不对称RC双T带阻滤波器与对称RC双T带阻滤波器，两者相比，前者具有更高的品质因数、更窄的宽带、更陡峭的陷波特性，符合实际的需要。同时，由于不对称RC双T电路中的最大电容3C小于对称RC双T电路中的最大电容3C，有效地减小了带阻滤波器电路的体积。在经纱张力系统中，以设计的不对称RC双T带阻滤波器作为经纱张力控制系统的反馈，通过增量式PID对其进行控制，可以快速地使纱线的张力值在一定范围内保持动态的恒定。

[1]王翠珍,唐金元.双T网络的频率特性分析[J].电器电子教学学报,2002,24(6).

[2]王翠珍,唐金元.对称RC双T网络在选频放大电路中的应用[J].机械与电子,2010,(31).

[3]童师白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2001:345-361.

[4]汪克仁.双T网络有源滤波器性能分析[A].全国滤波专题讨论会文集[C],1983:85-89.

[5]李林和.采用不对称RC双T反馈电路的选频放大器分析与设计[J].天津轻工业学院学报,2003,18(2).

[6]李瀚荪.电路分析基础[M].北京:高等教育出版社,1986.

[7]姜位洪.织机张力控制系统[D].浙江:浙江大学,2005.

[8]刘官正.织机经纱张力控制策略研究[D].浙江:浙江大学,2008.

[9]胡亚伟.基于BP神经网络的张力控制系统[D]. 湖南: 长沙大学,2008.

[10]刘金琨.先进PID控制 MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2004.

[11]万振磊.嵌入式控制系统抗干扰应用研究[D].广州:广东工业大学,2011.