基于模糊PID的纺织整纬机运动控制方法

王婷 杨军 王波 张鹏

摘 要：为了进一步优化纺织整纬机在多工况、大惯性下的精确作业能力，本文基于模糊PID控制算法研究其运动控制方法，包括数据采集、系统辨识、控制设计、软件在环（SIL）测试及硬件在环（HIL）测试的五个步骤。控制设计中的核心技术是模糊控制算法，具体包括：模糊化、模糊规则、模糊推理、清晰化四步。软件在环及硬件在环测试表明本文方法的适应性与稳定性更高。

关键词：模糊PID;运动控制;纺织整纬机;SIL测试;HIL测试

纺织整纬机是纺织机械中用于纠正纬线的机器，具体而言：在加工布料时，整纬机能够自动检测纬纱的倾斜角度及方向，有效纠正织物在生产过程中产生的纬斜、纬弧，提高织物质量。整纬机的运动控制技术是其核心技术。传统运动控制方法常采用PID控制算法，然而随着整纬机结构系统复杂多变，在不同工况下具有不同的系统传递函数，所述不同工况指辊子的转速变化以及布料的宽度、软硬程度变化等不同工作状况，以及整纬机的结构系统惯性较大，很难达到快速的响应，导致传统的PID控制算法很难适应多工况、大惯性下的运动控制要求，仍然需要进一步改进。模糊PID控制作为一种非线性控制技术，无须精确知道系统模型，既有系统化的理论，又有实际应用案例，能够根据外界的扰动变化实时优化PID控制参数，可应用于整纬机的实时运动控制。

1 纺织整纬机控制系统及原理

本文整纬机运动控制系统包括视觉采集器、控制器和执行机构，其中控制器包括图像处理模块和运动控制模块;执行机构包括伺服电机和通过伺服电机驱动的机械结构;视觉采集器和伺服电机均与控制器电连接。执行机构的机械结构包括皮带减速传动机构、丝杆和通过螺纹连接套设在丝杆上的弯辊拨杆。皮带减速传动机构包括小带轮、大带轮和转动皮带。丝杠通过轴承与整纬机转动连接，伺服电机固定安装在控制箱中，其输出轴与小带轮固定连接，丝杆的一端大带轮固定连接，小带轮和大带轮通过传动皮带连接，丝杆上的执行部件为整纬机的弯辊拨杆。

整纬机运动控制系统原理如图1所示为：

图1 整纬机运动控制系统硬件示意图

（1）视觉采集器实时采集整纬机输出端的布料图像，并将采集的布料图像发送给控制器的图像处理模块;

（2）图像处理模块对布料图像进行图像处理，得到布料的角度偏差信息作为运动控制对象，并传送给运动控制模块;

（3）运动控制模块器接收到角度偏差信息后，计算得到角度偏差的变化率，基于模糊PID控制算法对角度偏差及其变化率进行闭环反馈控制，计算得到伺服电机转动的方向、速度与位置信息，并通过内部集成的运动控制电路将计算得到的伺服电机转动的方向、速度与位置信息发送至伺服电机;

（4）伺服电机开始转动，并带动机械结构运动，具体而言驱动丝杆转动，带动弯辊拨杆沿丝杆运动，进而控制布料的运动方向。通过设置小带轮和大带轮，起到减速的作用。

2 纺织整纬机控制方案

采取以下流程开发方法进行纺织机运动控制研究，包括数据采集、系统辨识、控制设计、虚拟测试及实机测试的五个步骤。具体而言：

（1）通过智能硬件对控制系统的数据进行获取;

（2）依据获得数据，采用系统辨识方法获取系统的动态特性模型[1];

（3）根据系统的动态特性模型，采用模糊PID控制算法进行PID参数整定;

（4）采用软件在环（SIL）的测试方法进行虚拟测试，本文采用Matlab/Simulink环境进行虚拟仿真[2];

（5）采用定制的负载设备来仿真实机负载，基于硬件在环（HIL）的测试方法进行深度测试[3]。

3 模糊PID控制原理

3.1 模糊控制

模糊控制是应对无法表达的复杂系统而产生的控制策略，它是根据专家的经验总结出来的条件语句并制订出相应的控制规则，目前在很多工业领域中应用广泛。模糊控制器的结构图如图2所示，e表示实际值与系统设定值之间的偏差，作为模糊控制系统的输入值，u表示经过模糊控制器控制之后的输出值，此为一维模糊控制器，若将实际值与系统设定值偏差的变化率也作为系统输入量，则为二维模糊控制器。本文采用二维模糊控制器。

模糊控制器主要包含四个步骤：模糊化、模糊规则库、模糊推理以及清晰化[4]。首先，通过模糊化模块将输入值进行模糊化处理，转换成系统可识别的模糊语言变量，根据实际情况选取合适的论域和相应的隶属度函数。然后，根据专家的经验建立模糊规则库，编写相应的模糊规则语句。进而，根据模糊控制规则对对模糊输入值进行模糊推理，获得模糊控制量。最后，进行清晰化步骤，即采用一系列的规则将模糊控制量变换成输出量，又称去模糊化。以上四步不断循环，得到控制量优化值。

3.2 模糊PID控制原理

传统PID控制算法的控制参数是恒定的，适用于稳定不变的控制系统，对时变、扰动系统控制效果不佳。模糊PID控制算法即在传统PID控制的基础上引入模糊算法，能够根据现场情况对控制系统参数进行自适应实时调整，提高系统控制精度。该算法有效地利用了模糊控制和PID控制的优点，其结构包括模糊控制器和PID控制器两部分，如图3所示。

由图3可以看出，模糊PID控制算法是将输入量经过模糊化处理，并通过模糊控制器输出PID控制器的参数变化量（ΔKp、ΔKi、ΔKd），与PID控制器的控制参数相加得到更新的PID控制参数，实现PID参数的实时调整优化。

4 模糊PID控制器设计

4.1 模糊语言变量

本文模糊PID控制器采用布料的角度偏差e及其变化率ec作为闭环反馈控制的输入量来动态调整运动控制系统的PID参数，从而达到适应性强、稳定性高的目的。采用七个词集对输入量（e、ec）和控制輸出量（ΔKp、ΔKi、ΔKd）进行描述，分别是PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB，各子集中的元素依次代表正大、正中、正小、零、负小、负中、负大。