专利名称：基于fpga的自调匀整控制系统及控制方法
技术领域：
本发明属于信号与信息处理及纺织技术领域，具体涉及一种基于FPGA的自调勻 整控制系统，本发明还涉及利用该系统进行控制的方法。
背景技术：
自调勻整系统是一种用来控制棉条粗细不勻的自动调节装置。自调勻整系统自动 控制输出棉条的定量，是采用自动调节牵伸倍数的办法。它在棉条太粗时加大牵伸，太细时 则减小牵伸，最后使输出棉条始终维持一定范围的粗细和定量，它在现代纺织工业中有着 极其重要的地位。该系统是一个强扰动(输入棉条线密度不断变化)、大延迟(勻整点到检 测点的延时)的定值(输出棉条的线密度为一定值)控制系统。在传统的自调勻整控制中，大多是采用PID控制，这种控制过程较为复杂。传统的 PID控制在工业生产中虽然得到广泛应用，但是对于大滞后、非线性的复杂系统，常规PID 控制很难保证其控制效果处于最佳状态。而模糊控制不需要控制对象的精确数学模型，它 是一种基于规则的控制，依据操作人员的控制经验和专家的知识，通过查表就可以得到控 制量，实现简单，控制效果好。采用模糊推理的方法实现PID参数kp、kp kd的在线自整定， 不仅保持了常规PID控制系统原理简单、使用方便、鲁棒性较强等优点，而且具有更大的灵 活性、整定性、控制精度更好，是目前较为先进的一种控制系统。随着FPGA(现场可编程门阵列)技术的迅猛发展，FPGA以其独有的优势在电子设 计领域得到愈来愈广泛的应用，FPGA最明显的优势在于集成度高、体积小、功耗低、可靠性 高、电路设计灵活。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于FPGA的自调勻整控制系统，解决了现有控制系统 难以建立精确数学模型，操作复杂，控制效果不佳的问题。本发明的另一目的是提供一种采用上述系统进行控制的方法。本发明所采用的技术方案是，一种基于FPGA的自调勻整控制系统，包括依次连接 的喂入检测点、牵伸机构及输出检测点，喂入检测点上还依次连接有检测机构a和控制器， 控制器的输出端通过执行机构和牵伸机构相连接，所述的输出检测点还通过检测机构b和 控制器相连接。本发明所采用的另一技术方案是，一种基于FPGA的自调勻整控制方法，采用一种 基于FPGA的自调勻整控制系统，其结构为包括依次连接的喂入检测点、牵伸机构及输出 检测点，喂入检测点上还依次连接有检测机构a和控制器，控制器的输出端通过执行机构 和牵伸机构相连接，输出检测点还通过检测机构b和控制器相连接，具体按照以下步骤实施步骤1 在控制器内设定线密度值，将棉条放入喂入检测点，检测机构a对棉条线 密度进行检测，得到喂入棉条的实际线密度值，将棉条的实际线密度值传递给控制器；
步骤2 将上步检测后的棉条输送至牵伸机构，控制器将步骤1得到的实际线密度 值与设定线密度值进行比较，根据模糊控制规则得到牵伸比的初始调整值，将得到的牵伸 比的初始调整值传递给执行机构，执行机构根据牵伸比的初始调整值得到初始牵伸比，然 后控制牵伸机构按照初始牵伸比对棉条进行牵伸，使得棉条的线密度值和设定线密度值相 同，得到勻整后的棉条；步骤3 将步骤2得到的勻整后的棉条输送至输出检测点，检测机构b对勻整后的 棉条进行检测，得到棉条勻整后的线密度值，检测机构b将棉条勻整后的线密度值反馈给 控制器，控制器将棉条勻整后的线密度值与设定线密度值进行比较，根据模糊控制规则得 到牵伸比的调整值Δ u,将得到的牵伸比的调整值Δ u传递给执行机构，执行机构根据牵伸 比的调整值Δ u得到调整后的牵伸比，然后控制牵伸机构按照调整后的牵伸比对下一个棉 条进行牵伸，重复该步骤，完成基于FPGA的自调勻整控制。本发明的特点还在于，其中的步骤2中的控制器根据模糊控制规则得到牵伸比的初始调整值，具体按照 以下步骤实施A 确定模糊PID控制器的输入变量即误差的精确值e和输出变量即误差变化率精 确值ec，输入变量即为输入棉条的实际值与设定值的偏差以及偏差变化量，偏差变化量是 通过对偏差的求导得到，输出变量为二维模糊PID控制器三个参数kp，ki; kd，其中，kp为比 例系数，&为积分系数，kd为微分系数；B 将步骤A中得到的误差精确值e和误差变化率精确值ec量化到模糊论域变成 误差模糊值E及误差变化率模糊值EC，即将偏差和偏差变化量量化到[-3，3]论域段，定义 输入、输出模糊变量的模糊子集；由模糊控制器的控制规则表，确定模糊子集隶属函数曲线 的形状，利用matlab中的模糊控制工具箱对PID模糊控制器进行仿真；C 在simulink中建立自调勻整系统模糊PID的系统仿真模型，将步骤B中做好的
模糊控制器嵌入仿真模型中，模糊PID控制对象，初始参数，kp0 = 5. 5，ki0 =1. 45，kd0 = 0. 45，解答器采用ode3，仿真时间50 ；D 将步骤C中的仿真模型在QuartusII里实现将输入变量设定值和反馈值相减 得到误差和误差变化量，然后将误差及误差变化量进行模糊量化，在模糊查找表中查找得 到模糊PID参数值，将所得参数值与误差经乘加后得到牵伸比的初始调整值。其中的步骤3中的控制器根据模糊控制规则得到牵伸比的调整值Au，具体按照 以下步骤实施A 确定模糊PID控制器的输入变量即误差的精确值e和输出变量即误差变化率精 确值ec，输入变量即为输入棉条的实际值与设定值的偏差以及偏差变化量，偏差变化量是 通过对偏差的求导得到，输出变量为二维模糊PID控制器三个参数kp，ki; kd，其中，kp为比 例系数，&为积分系数，kd为微分系数；B 将步骤A中得到的误差的精确值e和误差变化率精确值ec量化到模糊论域变 成误差模糊值E及误差变化率模糊值EC，即将偏差和偏差变化量量化到[-3，3]论域段，定 义输入、输出模糊变量的模糊子集；由模糊控制器的控制规则表，确定模糊子集隶属函数曲 线的形状，利用matlab中的模糊控制工具箱对PID模糊控制器进行仿真；
C 在simulink中建立自调勻整系统模糊PID的系统仿真模型，将步骤B中做好的 模糊控制器嵌入仿真模型中，模糊PID控制对象
权利要求
1.一种基于FPGA的自调勻整控制系统，其特征在于，包括依次连接的喂入检测点(1)、 牵伸机构(2)及输出检测点(3)，所述的喂入检测点(1)上还依次连接有检测机构a(4)和 控制器(7)，所述的控制器(7)的输出端通过执行机构(6)和牵伸机构(2)相连接，所述的 输出检测点⑶还通过检测机构b (5)和控制器(7)相连接。
2.一种基于FPGA的自调勻整控制方法，其特征在于，采用一种基于FPGA的自调勻整控 制系统，其结构为包括依次连接的喂入检测点(1)、牵伸机构(2)及输出检测点(3)，所述 的喂入检测点(1)上还依次连接有检测机构a(4)和控制器(7)，所述的控制器(7)的输出 端通过执行机构(6)和牵伸机构(2)相连接，所述的输出检测点(3)还通过检测机构b (5) 和控制器(7)相连接，具体按照以下步骤实施步骤1 在控制器(7)内设定线密度值，将棉条放入喂入检测点(1)，检测机构a(4)对 棉条线密度进行检测，得到喂入棉条的实际线密度值，将棉条的实际线密度值传递给控制 器⑵；步骤2 将上步检测后的棉条输送至牵伸机构(2)，控制器(7)将步骤1得到的实际线 密度值与设定线密度值进行比较，根据模糊控制规则得到牵伸比的初始调整值，将得到的 牵伸比的初始调整值传递给执行机构(6)，执行机构(6)根据牵伸比的初始调整值得到初 始牵伸比，然后控制牵伸机构(2)按照初始牵伸比对棉条进行牵伸，使得棉条的线密度值 和设定线密度值相同，得到勻整后的棉条；步骤3 将步骤2得到的勻整后的棉条输送至输出检测点(3)，检测机构b (5)对勻整后 的棉条进行检测，得到棉条勻整后的线密度值，检测机构b (5)将棉条勻整后的线密度值反 馈给控制器(7)，控制器(7)将棉条勻整后的线密度值与设定线密度值进行比较，根据模糊 控制规则得到牵伸比的调整值Au，将得到的牵伸比的调整值Au传递给执行机构(6)，执 行机构(6)根据牵伸比的调整值Διι得到调整后的牵伸比，然后控制牵伸机构(2)按照调 整后的牵伸比对下一个棉条进行牵伸，重复该步骤，完成基于FPGA的自调勻整控制。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的自调勻整控制方法，其特征在于，所述步骤2中 的控制器(7)根据模糊控制规则得到牵伸比的初始调整值，具体按照以下步骤实施A 确定模糊PID控制器的输入变量即误差的精确值e和输出变量即误差变化率精确 值ec，输入变量即为输入棉条的实际值与设定值的偏差以及偏差变化量，偏差变化量是通 过对偏差的求导得到，输出变量为二维模糊PID控制器三个参数kp，ki; kd，其中，kp为比例 系数，h为积分系数，kd为微分系数；B 将步骤A中得到的误差精确值e和误差变化率精确值ec量化到模糊论域变成误差 模糊值E及误差变化率模糊值EC，即将偏差和偏差变化量量化到[-3，3]论域段，定义输入、 输出模糊变量的模糊子集；由模糊控制器的控制规则表，确定模糊子集隶属函数曲线的形 状，利用matlab中的模糊控制工具箱对PID模糊控制器进行仿真；C 在simulink中建立自调勻整系统模糊PID的系统仿真模型，将步骤B中做好的模糊控制器嵌入仿真模型中，模糊PID控制对象，初始参数，kp0 = 5. 5, ki0 =1. 45，kd0 = 0. 45，解答器采用ode3，仿真时间50 ；D 将步骤C中的仿真模型在QuartusII里实现将输入变量设定值和反馈值相减得到误差和误差变化量，然后将误差及误差变化量进行模糊量化，在模糊查找表中查找得到模 糊PID参数值，将所得参数值与误差经乘加后得到牵伸比的初始调整值。
4.根据权利要求2所述的基于FPGA的自调勻整控制方法，其特征在于，所述步骤3中 的控制器(7)根据模糊控制规则得到牵伸比的调整值Διι，具体按照以下步骤实施A 确定模糊PID控制器的输入变量即误差的精确值e和输出变量即误差变化率精确 值ec，输入变量即为输入棉条的实际值与设定值的偏差以及偏差变化量，偏差变化量是通 过对偏差的求导得到，输出变量为二维模糊PID控制器三个参数kp，ki; kd，其中，kp为比例 系数，h为积分系数，kd为微分系数；B 将步骤A中得到的误差的精确值e和误差变化率精确值ec量化到模糊论域变成误 差模糊值E及误差变化率模糊值EC，即将偏差和偏差变化量量化到[-3，3]论域段，定义输 入、输出模糊变量的模糊子集；由模糊控制器的控制规则表，确定模糊子集隶属函数曲线的 形状，利用matlab中的模糊控制工具箱对PID模糊控制器进行仿真；C 在simulink中建立自调勻整系统模糊PID的系统仿真模型，将步骤B中做好的模糊控制器嵌入仿真模型中，模糊PID控制对象
5.根据权利要求3或4所述的基于FPGA的自调勻整控制方法，其特征在于，所述步骤 D中的将步骤C中的仿真模型在QuartusII里实现，具体按照以下步骤实施a 将设定值与反馈值相减得到误差的精确值e，将前后两次误差相减得到误差变化率 精确值ec ；b 将上步得到的误差精确值e和误差变化率精确值ec进行模糊量化，得到误差模糊值 E、误差变化率模糊值EC，首先将模糊论域范围内输入的精确量进行量化，使其符合论域范 围，将模糊论域按基本元素的不同分为若干段，每一段对应于一个论域中的基本元素，当输 入精确值落入某个论域范围段时，经过模糊量化后，对应此精确量的输出量即为此论域的 基本元素值；c 将步骤b中得到的误差和误差变化量的量化结果作为模糊查找表的输入，模糊控制 器采用增量式PID算法，在MATLAB中建立模糊逻辑函数的模型，把所有E，EC的组合输入模 糊推理模型里，求出在这些输入下kp，K和kd的值，设变量A = kp+ki+kd，B = -(kp+2kd)，C =kd，即对kp，Iii和kd的值进行线性组合，制作出一份以E，EC为输入，以A，B，C为输出的 控制表，其中高三位是偏差E的量化地址，低三位是偏差变化率EC的量化地址；d 调用函数库里的LPM_MULT宏模块，将步骤c中产生的A，B, C值和步骤a中产生的 e (k)、e (k-1)、e (k_2)，实现 A 与 e (k)、B 与 e (k_l)、C 与 e (k_2)的相乘，其中，e (k)为本次 误差，e(k-l)为下一周期误差，e(k_2)为e(k_l)后一周期的误差；然后调用paralleladd 将三个值相加得到控制量。
全文摘要
本发明公开的一种基于FPGA的自调匀整控制系统及控制方法，在控制器内设定线密度值，将棉条放入喂入检测点，检测机构a对棉条线密度进行检测，得到喂入棉条的实际线密度值，将棉条的实际线密度值传递给控制器；将检测后的棉条输送至牵伸机构，控制器将得到的实际线密度值与设定线密度值进行比较，控制牵伸机构按照初始牵伸比对棉条进行牵伸，检测机构b将棉条匀整后的线密度值反馈给控制器，控制牵伸机构按照调整后的牵伸比对下一个棉条进行牵伸。本发明通过FPGA技术来实现模糊PID算法控制，把系统的硬件和软件充分的结合，使得硬件的成本降到最低，同时保证了系统算法模块的简化，减少了处理器对算法的运算，提高了系统的运行速度。
文档编号D01H5/38GK101995845SQ20101053185
公开日2011年3月30日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者张涛, 朱耀麟, 李兰君, 王延年 申请人:西安工程大学