專利名稱：基于fpga的自調(diào)勻整控制系統(tǒng)及控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于信號與信息處理及紡織技術領域，具體涉及一種基于FPGA的自調(diào)勻 整控制系統(tǒng)，本發(fā)明還涉及利用該系統(tǒng)進行控制的方法。
背景技術：
自調(diào)勻整系統(tǒng)是一種用來控制棉條粗細不勻的自動調(diào)節(jié)裝置。自調(diào)勻整系統(tǒng)自動 控制輸出棉條的定量，是采用自動調(diào)節(jié)牽伸倍數(shù)的辦法。它在棉條太粗時加大牽伸，太細時 則減小牽伸，最后使輸出棉條始終維持一定范圍的粗細和定量，它在現(xiàn)代紡織工業(yè)中有著 極其重要的地位。該系統(tǒng)是一個強擾動(輸入棉條線密度不斷變化)、大延遲(勻整點到檢 測點的延時)的定值(輸出棉條的線密度為一定值)控制系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的自調(diào)勻整控制中，大多是采用PID控制，這種控制過程較為復雜。傳統(tǒng)的 PID控制在工業(yè)生產(chǎn)中雖然得到廣泛應用，但是對于大滯后、非線性的復雜系統(tǒng)，常規(guī)PID 控制很難保證其控制效果處于最佳狀態(tài)。而模糊控制不需要控制對象的精確數(shù)學模型，它 是一種基于規(guī)則的控制，依據(jù)操作人員的控制經(jīng)驗和專家的知識，通過查表就可以得到控 制量，實現(xiàn)簡單，控制效果好。采用模糊推理的方法實現(xiàn)PID參數(shù)kp、kp kd的在線自整定， 不僅保持了常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理簡單、使用方便、魯棒性較強等優(yōu)點，而且具有更大的靈 活性、整定性、控制精度更好，是目前較為先進的一種控制系統(tǒng)。隨著FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)技術的迅猛發(fā)展，F(xiàn)PGA以其獨有的優(yōu)勢在電子設 計領域得到愈來愈廣泛的應用，F(xiàn)PGA最明顯的優(yōu)勢在于集成度高、體積小、功耗低、可靠性 高、電路設計靈活。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于FPGA的自調(diào)勻整控制系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有控制系統(tǒng) 難以建立精確數(shù)學模型，操作復雜，控制效果不佳的問題。本發(fā)明的另一目的是提供一種采用上述系統(tǒng)進行控制的方法。本發(fā)明所采用的技術方案是，一種基于FPGA的自調(diào)勻整控制系統(tǒng)，包括依次連接 的喂入檢測點、牽伸機構(gòu)及輸出檢測點，喂入檢測點上還依次連接有檢測機構(gòu)a和控制器， 控制器的輸出端通過執(zhí)行機構(gòu)和牽伸機構(gòu)相連接，所述的輸出檢測點還通過檢測機構(gòu)b和 控制器相連接。本發(fā)明所采用的另一技術方案是，一種基于FPGA的自調(diào)勻整控制方法，采用一種 基于FPGA的自調(diào)勻整控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)為包括依次連接的喂入檢測點、牽伸機構(gòu)及輸出 檢測點，喂入檢測點上還依次連接有檢測機構(gòu)a和控制器，控制器的輸出端通過執(zhí)行機構(gòu) 和牽伸機構(gòu)相連接，輸出檢測點還通過檢測機構(gòu)b和控制器相連接，具體按照以下步驟實施步驟1 在控制器內(nèi)設定線密度值，將棉條放入喂入檢測點，檢測機構(gòu)a對棉條線 密度進行檢測，得到喂入棉條的實際線密度值，將棉條的實際線密度值傳遞給控制器；
步驟2 將上步檢測后的棉條輸送至牽伸機構(gòu)，控制器將步驟1得到的實際線密度 值與設定線密度值進行比較，根據(jù)模糊控制規(guī)則得到牽伸比的初始調(diào)整值，將得到的牽伸 比的初始調(diào)整值傳遞給執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)牽伸比的初始調(diào)整值得到初始牽伸比，然 后控制牽伸機構(gòu)按照初始牽伸比對棉條進行牽伸，使得棉條的線密度值和設定線密度值相 同，得到勻整后的棉條；步驟3 將步驟2得到的勻整后的棉條輸送至輸出檢測點，檢測機構(gòu)b對勻整后的 棉條進行檢測，得到棉條勻整后的線密度值，檢測機構(gòu)b將棉條勻整后的線密度值反饋給 控制器，控制器將棉條勻整后的線密度值與設定線密度值進行比較，根據(jù)模糊控制規(guī)則得 到牽伸比的調(diào)整值Δ u,將得到的牽伸比的調(diào)整值Δ u傳遞給執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)牽伸 比的調(diào)整值Δ u得到調(diào)整后的牽伸比，然后控制牽伸機構(gòu)按照調(diào)整后的牽伸比對下一個棉 條進行牽伸，重復該步驟，完成基于FPGA的自調(diào)勻整控制。本發(fā)明的特點還在于，其中的步驟2中的控制器根據(jù)模糊控制規(guī)則得到牽伸比的初始調(diào)整值，具體按照 以下步驟實施A 確定模糊PID控制器的輸入變量即誤差的精確值e和輸出變量即誤差變化率精 確值ec，輸入變量即為輸入棉條的實際值與設定值的偏差以及偏差變化量，偏差變化量是 通過對偏差的求導得到，輸出變量為二維模糊PID控制器三個參數(shù)kp，ki; kd，其中，kp為比 例系數(shù)，&為積分系數(shù)，kd為微分系數(shù)；B 將步驟A中得到的誤差精確值e和誤差變化率精確值ec量化到模糊論域變成 誤差模糊值E及誤差變化率模糊值EC，即將偏差和偏差變化量量化到[-3，3]論域段，定義 輸入、輸出模糊變量的模糊子集；由模糊控制器的控制規(guī)則表，確定模糊子集隸屬函數(shù)曲線 的形狀，利用matlab中的模糊控制工具箱對PID模糊控制器進行仿真；C 在simulink中建立自調(diào)勻整系統(tǒng)模糊PID的系統(tǒng)仿真模型，將步驟B中做好的
模糊控制器嵌入仿真模型中，模糊PID控制對象，初始參數(shù)，kp0 = 5. 5，ki0 =1. 45，kd0 = 0. 45，解答器采用ode3，仿真時間50 ；D 將步驟C中的仿真模型在QuartusII里實現(xiàn)將輸入變量設定值和反饋值相減 得到誤差和誤差變化量，然后將誤差及誤差變化量進行模糊量化，在模糊查找表中查找得 到模糊PID參數(shù)值，將所得參數(shù)值與誤差經(jīng)乘加后得到牽伸比的初始調(diào)整值。其中的步驟3中的控制器根據(jù)模糊控制規(guī)則得到牽伸比的調(diào)整值Au，具體按照 以下步驟實施A 確定模糊PID控制器的輸入變量即誤差的精確值e和輸出變量即誤差變化率精 確值ec，輸入變量即為輸入棉條的實際值與設定值的偏差以及偏差變化量，偏差變化量是 通過對偏差的求導得到，輸出變量為二維模糊PID控制器三個參數(shù)kp，ki; kd，其中，kp為比 例系數(shù)，&為積分系數(shù)，kd為微分系數(shù)；B 將步驟A中得到的誤差的精確值e和誤差變化率精確值ec量化到模糊論域變 成誤差模糊值E及誤差變化率模糊值EC，即將偏差和偏差變化量量化到[-3，3]論域段，定 義輸入、輸出模糊變量的模糊子集；由模糊控制器的控制規(guī)則表，確定模糊子集隸屬函數(shù)曲 線的形狀，利用matlab中的模糊控制工具箱對PID模糊控制器進行仿真；
C 在simulink中建立自調(diào)勻整系統(tǒng)模糊PID的系統(tǒng)仿真模型，將步驟B中做好的 模糊控制器嵌入仿真模型中，模糊PID控制對象
權利要求
1.一種基于FPGA的自調(diào)勻整控制系統(tǒng)，其特征在于，包括依次連接的喂入檢測點(1)、 牽伸機構(gòu)(2)及輸出檢測點(3)，所述的喂入檢測點(1)上還依次連接有檢測機構(gòu)a(4)和 控制器(7)，所述的控制器(7)的輸出端通過執(zhí)行機構(gòu)(6)和牽伸機構(gòu)(2)相連接，所述的 輸出檢測點⑶還通過檢測機構(gòu)b (5)和控制器(7)相連接。
2.一種基于FPGA的自調(diào)勻整控制方法，其特征在于，采用一種基于FPGA的自調(diào)勻整控 制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)為包括依次連接的喂入檢測點(1)、牽伸機構(gòu)(2)及輸出檢測點(3)，所述 的喂入檢測點(1)上還依次連接有檢測機構(gòu)a(4)和控制器(7)，所述的控制器(7)的輸出 端通過執(zhí)行機構(gòu)(6)和牽伸機構(gòu)(2)相連接，所述的輸出檢測點(3)還通過檢測機構(gòu)b (5) 和控制器(7)相連接，具體按照以下步驟實施步驟1 在控制器(7)內(nèi)設定線密度值，將棉條放入喂入檢測點(1)，檢測機構(gòu)a(4)對 棉條線密度進行檢測，得到喂入棉條的實際線密度值，將棉條的實際線密度值傳遞給控制 器⑵；步驟2 將上步檢測后的棉條輸送至牽伸機構(gòu)(2)，控制器(7)將步驟1得到的實際線 密度值與設定線密度值進行比較，根據(jù)模糊控制規(guī)則得到牽伸比的初始調(diào)整值，將得到的 牽伸比的初始調(diào)整值傳遞給執(zhí)行機構(gòu)(6)，執(zhí)行機構(gòu)(6)根據(jù)牽伸比的初始調(diào)整值得到初 始牽伸比，然后控制牽伸機構(gòu)(2)按照初始牽伸比對棉條進行牽伸，使得棉條的線密度值 和設定線密度值相同，得到勻整后的棉條；步驟3 將步驟2得到的勻整后的棉條輸送至輸出檢測點(3)，檢測機構(gòu)b (5)對勻整后 的棉條進行檢測，得到棉條勻整后的線密度值，檢測機構(gòu)b (5)將棉條勻整后的線密度值反 饋給控制器(7)，控制器(7)將棉條勻整后的線密度值與設定線密度值進行比較，根據(jù)模糊 控制規(guī)則得到牽伸比的調(diào)整值Au，將得到的牽伸比的調(diào)整值Au傳遞給執(zhí)行機構(gòu)(6)，執(zhí) 行機構(gòu)(6)根據(jù)牽伸比的調(diào)整值Διι得到調(diào)整后的牽伸比，然后控制牽伸機構(gòu)(2)按照調(diào) 整后的牽伸比對下一個棉條進行牽伸，重復該步驟，完成基于FPGA的自調(diào)勻整控制。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于FPGA的自調(diào)勻整控制方法，其特征在于，所述步驟2中 的控制器(7)根據(jù)模糊控制規(guī)則得到牽伸比的初始調(diào)整值，具體按照以下步驟實施A 確定模糊PID控制器的輸入變量即誤差的精確值e和輸出變量即誤差變化率精確 值ec，輸入變量即為輸入棉條的實際值與設定值的偏差以及偏差變化量，偏差變化量是通 過對偏差的求導得到，輸出變量為二維模糊PID控制器三個參數(shù)kp，ki; kd，其中，kp為比例 系數(shù)，h為積分系數(shù)，kd為微分系數(shù)；B 將步驟A中得到的誤差精確值e和誤差變化率精確值ec量化到模糊論域變成誤差 模糊值E及誤差變化率模糊值EC，即將偏差和偏差變化量量化到[-3，3]論域段，定義輸入、 輸出模糊變量的模糊子集；由模糊控制器的控制規(guī)則表，確定模糊子集隸屬函數(shù)曲線的形 狀，利用matlab中的模糊控制工具箱對PID模糊控制器進行仿真；C 在simulink中建立自調(diào)勻整系統(tǒng)模糊PID的系統(tǒng)仿真模型，將步驟B中做好的模糊控制器嵌入仿真模型中，模糊PID控制對象，初始參數(shù)，kp0 = 5. 5, ki0 =1. 45，kd0 = 0. 45，解答器采用ode3，仿真時間50 ；D 將步驟C中的仿真模型在QuartusII里實現(xiàn)將輸入變量設定值和反饋值相減得到誤差和誤差變化量，然后將誤差及誤差變化量進行模糊量化，在模糊查找表中查找得到模 糊PID參數(shù)值，將所得參數(shù)值與誤差經(jīng)乘加后得到牽伸比的初始調(diào)整值。
4.根據(jù)權利要求2所述的基于FPGA的自調(diào)勻整控制方法，其特征在于，所述步驟3中 的控制器(7)根據(jù)模糊控制規(guī)則得到牽伸比的調(diào)整值Διι，具體按照以下步驟實施A 確定模糊PID控制器的輸入變量即誤差的精確值e和輸出變量即誤差變化率精確 值ec，輸入變量即為輸入棉條的實際值與設定值的偏差以及偏差變化量，偏差變化量是通 過對偏差的求導得到，輸出變量為二維模糊PID控制器三個參數(shù)kp，ki; kd，其中，kp為比例 系數(shù)，h為積分系數(shù)，kd為微分系數(shù)；B 將步驟A中得到的誤差的精確值e和誤差變化率精確值ec量化到模糊論域變成誤 差模糊值E及誤差變化率模糊值EC，即將偏差和偏差變化量量化到[-3，3]論域段，定義輸 入、輸出模糊變量的模糊子集；由模糊控制器的控制規(guī)則表，確定模糊子集隸屬函數(shù)曲線的 形狀，利用matlab中的模糊控制工具箱對PID模糊控制器進行仿真；C 在simulink中建立自調(diào)勻整系統(tǒng)模糊PID的系統(tǒng)仿真模型，將步驟B中做好的模糊控制器嵌入仿真模型中，模糊PID控制對象
5.根據(jù)權利要求3或4所述的基于FPGA的自調(diào)勻整控制方法，其特征在于，所述步驟 D中的將步驟C中的仿真模型在QuartusII里實現(xiàn)，具體按照以下步驟實施a 將設定值與反饋值相減得到誤差的精確值e，將前后兩次誤差相減得到誤差變化率 精確值ec ；b 將上步得到的誤差精確值e和誤差變化率精確值ec進行模糊量化，得到誤差模糊值 E、誤差變化率模糊值EC，首先將模糊論域范圍內(nèi)輸入的精確量進行量化，使其符合論域范 圍，將模糊論域按基本元素的不同分為若干段，每一段對應于一個論域中的基本元素，當輸 入精確值落入某個論域范圍段時，經(jīng)過模糊量化后，對應此精確量的輸出量即為此論域的 基本元素值；c 將步驟b中得到的誤差和誤差變化量的量化結(jié)果作為模糊查找表的輸入，模糊控制 器采用增量式PID算法，在MATLAB中建立模糊邏輯函數(shù)的模型，把所有E，EC的組合輸入模 糊推理模型里，求出在這些輸入下kp，K和kd的值，設變量A = kp+ki+kd，B = -(kp+2kd)，C =kd，即對kp，Iii和kd的值進行線性組合，制作出一份以E，EC為輸入，以A，B，C為輸出的 控制表，其中高三位是偏差E的量化地址，低三位是偏差變化率EC的量化地址；d 調(diào)用函數(shù)庫里的LPM_MULT宏模塊，將步驟c中產(chǎn)生的A，B, C值和步驟a中產(chǎn)生的 e (k)、e (k-1)、e (k_2)，實現(xiàn) A 與 e (k)、B 與 e (k_l)、C 與 e (k_2)的相乘，其中，e (k)為本次 誤差，e(k-l)為下一周期誤差，e(k_2)為e(k_l)后一周期的誤差；然后調(diào)用paralleladd 將三個值相加得到控制量。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種基于FPGA的自調(diào)勻整控制系統(tǒng)及控制方法，在控制器內(nèi)設定線密度值，將棉條放入喂入檢測點，檢測機構(gòu)a對棉條線密度進行檢測，得到喂入棉條的實際線密度值，將棉條的實際線密度值傳遞給控制器；將檢測后的棉條輸送至牽伸機構(gòu)，控制器將得到的實際線密度值與設定線密度值進行比較，控制牽伸機構(gòu)按照初始牽伸比對棉條進行牽伸，檢測機構(gòu)b將棉條勻整后的線密度值反饋給控制器，控制牽伸機構(gòu)按照調(diào)整后的牽伸比對下一個棉條進行牽伸。本發(fā)明通過FPGA技術來實現(xiàn)模糊PID算法控制，把系統(tǒng)的硬件和軟件充分的結(jié)合，使得硬件的成本降到最低，同時保證了系統(tǒng)算法模塊的簡化，減少了處理器對算法的運算，提高了系統(tǒng)的運行速度。
文檔編號D01H5/38GK101995845SQ20101053185
公開日2011年3月30日 申請日期2010年11月3日 優(yōu)先權日2010年11月3日
發(fā)明者張濤, 朱耀麟, 李蘭君, 王延年 申請人:西安工程大學