基于H∞滤波的异纤光电信号检测

姚俊红

(德州学院 机电工程系， 山东 德州 253023)

基于H∞滤波的异纤光电信号检测

姚俊红

(德州学院 机电工程系， 山东 德州 253023)

针对纺织企业异纤难以检测的问题，提出一种采用单个绿色调制光源、3个硅光电池规则排列检测异纤和纱疵的方案。通过对硅光电池接收的反射和透射信号进行对比，分析纱线颜色和直径的变化，判断纱线是否存在异纤和纱疵。同时建立了数学模型，基于H∞滤波方法采用MatLab软件进行仿真实验。结果证明，该算法对纱线表面亮度信号检测和纱线直径信号检测的信号突变更加敏感，并可跟踪异色百分比的变化，所设计的异纤和纱疵检测方案切实可行，H∞滤波算法可有效提高异色疵点和粗细节疵点的检测精度。

H∞滤波； 异纤； 光电信号检测； 数学模型； 仿真

光电传感器可以对物体的形状和颜色进行检测[1]，其在络筒机上的纱疵和异纤检测中得到了广泛应用。新型的电子清纱器如瑞士Uster生产的QUANTUM型、Loepfe 公司生产的Yarnmaster Spectra型、日本Keisokki公司生产的Tri Chord型等都采用了光电传感器[2-3]。国内电子清纱器局限于纱疵检测，异纤检测功能还没有得到完全突破[4]，但仍有许多学者对异纤检测方式进行了相关研究，吴家碚等[5]提出采用双光源配置解决扁平纱疵和捻度的影响问题，董晓亮等[6]提出由1路光源和2路光电接收器按一定的角度放置, 形成固定的光路检测异色纱疵的设计思路，并给出了前置放大电路，盛国俊[7]等提出一种采用2个蓝光LED和3路光电池的结构方案，并采用改进的最小熵滤波器，通过σ的调整来提高局部特征信号的提取能力，获得了更好的各级异纤特征表达能力。

本文提出一种采用单个绿色调制光源、3个硅光电池检测异纤和纱疵的方案，并基于H∞滤波方法，进行仿真分析。

1 检测方案

为了排除杂、散光的干扰，本文利用光调制技术[8]，考虑常见异纤色泽，选择了绿色调制光源，如图1所示。在纱线通道的正面安装由绿色发光管和驱动电路构成的绿色调制检测光源，通道的背面和2个侧面安装3个硅光电池作为光电接收器。光源发出的光照在纱线上，通道背面的光电池接收透射的纱线信号，当纱线存在粗细明显变化的疵点时, 透射信号发生相应的幅度变化,若超过预先设定的工艺标准，则判断为粗细节纱疵。在理想状况下，透射信号反映的只是纱线沿光束方向的直径信息。

图1 光电信号检测方案Fig.1 Solution of optical signal detection

通道2个侧面的硅光电池接收反射纱线的信号，反射信号中包含纱线的颜色(灰度) 信息和纱线的直径信息。将反射信号中的直径信息与透射信号的直径信息进行对比，经过数据处理、鉴别和判断，从而可以全方位地判断纱线上是否存在粗细节纱疵。将2个侧面的硅光电池产生的反射信号与背面的硅光电池得到的透射信号进行对比，去除其中的直径信息，可以得到单纯的纱线颜色信息，将信号经过放大等处理，就可以实现检测异纤的目的。

2 系统建模

根据经典故障检测文献[9],建立线性离散系统模型：

(1)

显然，理想情况下di≡0，wi≡0，同时vi≡0，此时系统模型变为

(2)

由于异色疵点、粗节疵点、系统噪声、外部扰动、建模误差等不确定因素的影响，引入1个未知输入向量di和2个噪声向量wi和vi。

3 问题描述

考虑到di、wi和vi的随机统计特性很难通过实际测量得到，本文采用擅长处理不确定性系统的H∞滤波方法。

(3)

4 H∞光电信号检测设计

根据文献[10-11]可将式(1)重新描述为

(4)

式中，若I∈Rn×n表示单位矩阵，则

(5)

若用zi表示待估计信号，则

zi=Lixi

(6)

式中Li=I。

采用格林空间线性估计理论[10-11]解决H∞光电信号检测问题。根据文献 [11]中定理1，可给出如下引理。

图3 异色疵点1情形Fig.3 Cases of color defect 1. (a) Yarn diameter signal；(b) Yarn surface brightness signal；(c) Leis percentage change

引理1：给定标量r>0，如果[FiGi]行满秩，仅当下式成立时，满足式(3)的H∞光电信号检测器存在。

(7)

式中P0=∏0，Pj满足如下的黎卡提方程

(8)

且

(9)

如果式(7)成立，则一个H∞光电信号检测器可由下式给出

式中

(10)

且

(11)

5 仿真实验

信号处理系统结构如图2所示。光源发出的调制光经纱线透射或反射后，由硅光电池接收并转换为相应的电信号；再由前置放大器和滤波器进行信号调理，放大检测信号，抑制噪声，提高信噪比；最后，经A/D转换器转换为数字信号，并送入微控制器进行处理[12]。

图2 信号处理框图Fig.2 Flow chart of signal processing

由于式(1)等同式(4)，为简单起见，用式(4)进行仿真实验。其中，矩阵Fi、Gi和Hi在式(5)中已给出，为常数矩阵；ui和vi假设为方差为1的白噪声向量；系统测量输出

而状态信号

仿真部分采用美国Mathworks公司开发的MatLab软件。利用引理1做仿真实验，分别在CJ14.5 tex筒纱上截取2段带有异色疵点和1段带有粗节疵点的采样纱线信号进行实验，采用H∞滤波方法和不采用H∞滤波方法的对比结果如图3～5所示(其中k为采样时刻，T为采样周期，仿真采样周期为0.1 s)。

图3、4分别针对2段带异色疵点的纱线，对其采样数据进行了检测，从图可看出，无论是纱线直径信号检测，还是纱线表面亮度信号检测，所设计的算法对信号突变更加敏感，同时还可跟踪异色百分比图5为针的变化，大大提高异色疵点的检测精度。对1段带有粗节疵点的纱线，对其采样数据进行检测的结果。仿真结果进一步验证了算法的有效性，特别是检测器增加了粗节疵点处的信号突变幅度，使对粗节疵点的检测更加容易。

图4 异色疵点2情形Fig.4 Cases of color defect 2. (a) Yarn diameter signal；(b) Yarn surface brightness signal；(c) Leis percentage change

图5 粗节疵点情形Fig.5 Cases of slub defect. (a) Yarn diameter signal；(b) Yarn surface brightness signal

6 结 论

采用单个绿色调制光源、将3个硅光电池分别配置在纱线通道的背面和2个侧面进行检测，获得透射、反射信号，经过信号处理，实现了异纤和粗细节纱疵的检测。在建立数学模型基础上，基于H∞滤波方法对信号又进行了处理，并采用MatLab软件进行了仿真实验，得出如下结论。

1)采用单个绿色调制光源、3个硅光电池进行检测异纤和纱疵的方案切实可行，为纱线质量检测提供了参考。

2)基于H∞滤波算法对纱线表面亮度信号检测和纱线直径信号检测的信号突变更加敏感，使检测精度更高。

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[1] 郭传宝,刘峰,朱本宏.光电传感器的应用[J].中国井矿盐,2011(1):29-30. GUO Chuanbao, LIU Feng, ZHU Benhong. The application of photoelectric sensors[J]. China Well and Rock Salt，2011(1):29-30.

[2] 刘荣清.电子清纱器的分类和选用[J].纺织器材, 2009(4):340-344. LIU Rongqing. The classification and selection of electronic yarn cleaner [J]. Textile Accessories, 2009(4):340-344.

[3] 吴冬凤,杨建成.电子清纱器在全自动络筒机上的应用分析[J].毛纺科技, 2006(10):60-63. WU Dongfeng, YANG Jiancheng. Application and analysis of electronic yarn clearer on auto-winder [J].Wool Textile Journal, 2006(10):60-63.

[4] 吕志华.测试与质量控制技术的全球趋势[EB/OL]. [2009-01-02].http://www.adsalecta.com/Publicity/ePub/lang-simp/article-3321/asid-52/Article.aspx. LÜ Zhihua. Global trends in testing and quality control technology [EB/OL]. [2009-01-02].http://www.adsalecta.com/Publicity/ePub/lang-simp/article-3321/asid-52/Article.aspx.

[5] 吴家碚,邱旭桃,李开贵.改进红外光电式清纱器性能的措施[J].激光与红外,2007(8):735-737. WU Jiabei,QIU Xutao, LI Kaigui. Improving characteristics techniques of infrared detect for yarn cleaners[J].Laser & Infrared,2007(8):735-737.

[6] 董晓亮,李醒飞,杨光,等.纱线检测中光电传感器及其前置放大器设计[J].传感器与微系统,2010(03):102-104. DONG Xiaoliang, LI Xingfei, YANG Guang, et al. Design of optoelectronic sensor and pre-amplifier in yarn detection[J].Transducer and Micro System Technologies,2010(3):102-104.

[7] 盛国俊,董永贵. 纱线质量光电信号的消噪处理和异常检测[J]. 清华大学学报:自然科学版,2010(2):229-231. SHENG Guojun, DONG Yonggui. Signal denoising and anomaly detection in an optical yarn quality measurement system [J]. Journal Tsinghua University: Science & Techonlogy Eolition, 2010(2):229-231.

[8] 张荣锋 邓婷. LED光源的调制及光的接收与滤波电路的制作[J].科技资讯,2010(12):29-30. ZHANG Rongfeng, DENG Ting. Modulation of the LED light source and light reception & production of filter circuit[J]. Science & Technology Information, 2010(12):29-30.

[9] CHEN J, PATTON R J. Robust Model-Based Fault Diagnosis for Dynamic Systems [M]. Boston: Kluwer Academic Publishers, 1999：66-68.

[10] HASSIBI B, SAYED A H, KAILATH T. Linear estimation in Krein spaces:part:Ⅰ: theory [J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1996(1): 18-33.

[11] HASSIBI B, SAYED A H, KAILATH T. Linear estimation in Krein spaces:part Ⅱ: applications[J]. IEEE Transactions on Automatic Control,1996(1): 34-49.

[12] 高晋占.微弱信号检测[M].北京：清华大学出版社,2005:1-5. GAO Jinzhan. Weak Signal Detection [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2005:1-5.

Optical signal detection of foreign fibers based on H∞ filter

YAO Junhong

(MechatronicEngineerDepartment,DezhouUniversity,Dezhou,Shandong253023,China)

To solve the problem of the difficulty in detecting foreign fibers in textile enterprises, a technical solution was put forward, in which a single green modulated light and three silicon photocells regularly arrayed were adopted. It can detect foreign fibers and yarn faults by means of contrasting the reflection and transmission signals

by the silicon photocells and analyzing the color and diameter changes of yarn. A mathematical model was established, and the simulation experiment was made based on H∞ filter using software MatLab. The results proved that the algorithm is more sensitive to signal singularity of the surface brightness signal and the diameter signal of yarn, and can also track the color change on a percentage scale. It is further confirmed that the scheme of detecting foreign fibers and yarn faults is feasible, and the H∞ filter algorithm can effectively improve the detection precision of yarn faults such as color change and heavy and thin fiber.

H∞ filter; foreign fiber; optical signal detection; mathematical model; simulation

0253- 9721(2013)09- 0125- 05

2012-07-29

2013-05-09

山东省科技攻关计划项目(2011YD07007);德州市科技发展计划项目(20080206)

姚俊红(1968—)，女，副教授，硕士。主要研究方向为纺织机械设计。E-mail:yaojunhong-wlx@163.com。

TP 271.4

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