楊娜 王欽若 萬振磊 張曉蘭 吳麗群

（廣東工業(yè)大學(xué)）

1 引言

紡織工業(yè)是我國國民經(jīng)濟傳統(tǒng)的支柱產(chǎn)業(yè)和重要的民生產(chǎn)業(yè)，也是國際競爭優(yōu)勢明顯的產(chǎn)業(yè)，發(fā)展紡織產(chǎn)業(yè)對我國的經(jīng)濟發(fā)展具有重大意義。國產(chǎn)的劍桿織機運用了電子技術(shù)和控制技術(shù)，提高了織機的自動化水平，提升了產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力。在織機系統(tǒng)中，需要不斷采集模擬信號，例如張力控制時的經(jīng)紗張力檢測信號、斷緯檢測信號等，其中經(jīng)紗張力檢測信號直接影響控制的精度和靈敏度。但在采集的張力檢測信號中發(fā)現(xiàn)了干擾信號，影響布匹質(zhì)量，應(yīng)該被濾掉。但是張力信號的相對低頻、高頻在劍桿織機正常工作中為有用信號，應(yīng)被保留。本文采用有源濾波器技術(shù)來處理干擾，國內(nèi)外一般采用對稱RC雙T帶阻濾波器[1]。本文分別設(shè)計了不對稱RC雙T帶阻濾波器和對稱RC雙T帶阻濾波器，通過改變電路的參數(shù)，來改變帶阻濾波器電路的濾波中心頻率。通過比較，將不對稱RC雙T帶阻濾波器作為經(jīng)紗張力傳感器的檢測信號，并從控制策略上分析了經(jīng)紗張力控制系統(tǒng)的控制方法，采用MATLAB仿真系統(tǒng)來驗證控制策略的正確性。

2 RC雙T網(wǎng)絡(luò)

RC雙T網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]，它由兩個T型網(wǎng)絡(luò)濾波器并聯(lián)而成：其中一個由電阻、和電容組成，為低通濾波器；另一個由電容、和電阻組成，為高通濾波器。二者均是利用電容器的容抗隨頻率變化的特性進行濾波，適當(dāng)選擇的數(shù)值，可有效濾除干擾信號。

圖1 雙T網(wǎng)絡(luò)電路結(jié)構(gòu)

T型網(wǎng)絡(luò)濾波器為星型連接方式[3]，為便于分析，可將這種方式的電路等效變換為三角形連接方式電路，將兩個 T型網(wǎng)絡(luò)的等效三角形連接方式電路并聯(lián)，構(gòu)成雙T網(wǎng)絡(luò)的等效電路，如圖2 所示。

圖2 雙T網(wǎng)絡(luò)濾波器等效三角形連接方式電路

由圖2 可推導(dǎo)出RC雙T電路的傳遞函數(shù)為：

采用不對稱RC帶阻電路，其參數(shù)根據(jù)需要和經(jīng)驗確定，由文獻[4]可知：

則式（1）中的各參數(shù)為：

將各參數(shù)代入式（1）中，則：

由式（3）可知，該不對稱RC雙T電路為二階帶阻濾波電路[5]；由式（4）可知，0w取決于不對稱系數(shù)α和電路11CR 值，而品質(zhì)因數(shù)0Q只由系數(shù)α決定；由式（5）可求得表1。

表1 不對稱RC雙T帶阻濾波電路 0Q

3 帶阻濾波器電路設(shè)計

在織機系統(tǒng)中，采集的張力檢測信號如圖 3所示。在兩個較高波峰之間有干擾信號，且呈現(xiàn)周期性的波動，劍桿織機工作時這些干擾會對布匹質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此應(yīng)該被濾掉。但是較高波峰為有用信號，在濾波的過程中不能消弱太多，否則無法識別為有用信號。采用動態(tài)信號分析儀檢測出干擾信號基波的頻率為 24Hz（安捷倫頻譜分析儀頻率測量范圍100kHz～2.9GHz，其中干擾信號基波頻率約為50Hz，主要是低頻信號，動態(tài)信號分析儀能夠檢測出低頻信號的干擾）。為了有效識別有用信號，設(shè)計了帶阻濾波器，該濾波器需要保證相對低頻信號和較高頻信號通過，濾掉干擾信號。

圖3 張力檢測信號

電路設(shè)計主要有：

（2）設(shè)計電源電路，此濾波器為有源濾波器，因此首先設(shè)計一個電壓為+5v與-5v的正負電源；

（3）設(shè)計濾波電路[6]，選用 741通用型集成運算放大器，此帶阻濾波器的電路如圖4所示。

圖4 帶阻濾波器電路圖

圖4中V1為電壓源，直接接入采集信號處；、為250Ω的電阻，是根據(jù)紡織機主板內(nèi)部電路來設(shè)計的；四個集成運算放大器實現(xiàn)微弱信號的放大；在RC雙T帶阻濾波器電路中沒有接地，而是引入了正反饋，是為了增大電壓放大倍數(shù)。此帶阻濾波器電路的傳遞函數(shù)如下：

試驗中由信號分析儀提供峰峰值為2V的正弦信號，用示波器來觀察其波形和伏值。正弦波頻率的變化，通過帶阻濾波器來濾波，可以得到不同伏值的正弦波，通過實驗繪出其幅頻特性曲線如圖5所示，其中星線為不對稱RC雙 T帶阻濾波器的幅頻特性曲線，點線為對稱RC雙T帶阻濾波器的幅頻特性曲線。

圖5 帶阻濾波器幅頻特性曲線

從曲線可看出，頻率相同時，與對稱RC雙T帶阻濾波器相比，不對稱RC雙T帶阻濾波器陷頻特性較陡峭，帶寬較窄，品質(zhì)因數(shù)較高。在紡織機張力檢測信號中，大于32Hz和小于16Hz的信號都為有用信號，采用不對稱RC雙T帶阻濾波器能夠濾除干擾，保留有用信號，符合技術(shù)要求。而對稱RC雙T帶阻濾波器的帶寬為會把有用信號濾除，不符合技術(shù)要求。

4 經(jīng)紗張力的控制

在織機運轉(zhuǎn)過程中，經(jīng)紗張力控制的作用就是通過控制織機的送經(jīng)電機和卷取電機來調(diào)節(jié)織機經(jīng)線的張力，而經(jīng)紗張力的變化是一個周期性的過程。在織造過程中一般要求經(jīng)紗的張力均勻且盡量保持一致，避免造成斷經(jīng)現(xiàn)象，影響織物表面的平整度。在影響經(jīng)紗張力的因素中，織機送經(jīng)和卷取運動占主要部分。當(dāng)織造速度一定時，卷取系統(tǒng)對經(jīng)紗造成的張力是確定的，因此送經(jīng)系統(tǒng)成為經(jīng)紗張力控制的重要環(huán)節(jié)。圖6為經(jīng)紗張力控制系統(tǒng)原理框圖，其中經(jīng)紗張力傳感器為不對稱RC雙T帶阻濾波器，送經(jīng)控制器檢測到傳感器的數(shù)據(jù)，采用經(jīng)紗張力控制算法，控制送經(jīng)電機的運動。對于經(jīng)紗張力系統(tǒng)而言，卷取系統(tǒng)和鋼扣實際上是擾動，總效果如圖6所示，R(t)是目標值，Y(t)是輸出值[7]。

圖6 經(jīng)紗張力控制系統(tǒng)原理框圖

要對經(jīng)紗張力系統(tǒng)進行控制，需要得到被控對象的數(shù)學(xué)模型。送經(jīng)控制系統(tǒng)的被控部件、執(zhí)行部件分別是織機的經(jīng)軸和伺服電機，從伺服電機到織機經(jīng)軸之間有復(fù)雜的傳動機構(gòu)；另外，經(jīng)紗張力的輸出受到卷取系統(tǒng)、鋼扣等方面影響。本文采用最小二乘法進行結(jié)構(gòu)參數(shù)和模型參數(shù)的估計，最終得到被控對象的數(shù)學(xué)模型為：

以中心頻率為24Hz的不對稱RC雙T帶阻濾波器作為反饋，其傳遞函數(shù)為：

得到被控對象的數(shù)學(xué)模型后，討論其控制。PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、魯棒性強、可靠性較高等優(yōu)點[8]，被廣泛應(yīng)用于過程控制和運動控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。圖7為PID控制系統(tǒng)原理框圖。

圖7 PID控制系統(tǒng)原理框圖

PID控制規(guī)律為：

圖8 輸出響應(yīng)曲線

由離散化PID控制張力輸出響應(yīng)曲線可知，幾乎沒有超調(diào)量，調(diào)節(jié)時間大約為5秒，控制效果較好，圖9為圖8的局部放大圖。圖9與圖3 相比，通過不對稱RC雙T帶阻濾波器的反饋，干擾信號明顯減弱，但由于波形中諧波的影響，干擾不可能完全濾除。

圖9 局部放大圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計了不對稱RC雙T帶阻濾波器與對稱RC雙T帶阻濾波器，兩者相比，前者具有更高的品質(zhì)因數(shù)、更窄的寬帶、更陡峭的陷波特性，符合實際的需要。同時，由于不對稱RC雙T電路中的最大電容3C小于對稱RC雙T電路中的最大電容3C，有效地減小了帶阻濾波器電路的體積。在經(jīng)紗張力系統(tǒng)中，以設(shè)計的不對稱RC雙T帶阻濾波器作為經(jīng)紗張力控制系統(tǒng)的反饋，通過增量式PID對其進行控制，可以快速地使紗線的張力值在一定范圍內(nèi)保持動態(tài)的恒定。

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