定形機(jī)排氣濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)一種基于嵌入式系統(tǒng)的定形機(jī)排氣濕度監(jiān)控系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹了排氣濕度的檢測(cè)方法以及硬件系統(tǒng)的組成，運(yùn)用了模糊PID算法，在ARM上實(shí)現(xiàn)了移植Linux系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)，最終能夠在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示排氣濕度參數(shù)。通過(guò)研究表明：該系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，控制精度高，布匹后整理品質(zhì)好，節(jié)省能源，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

紡織印染行業(yè)中，織物的后整理對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的提高有著重要的影響，定形過(guò)程中合適的內(nèi)部濕度能使織物達(dá)到最佳的品質(zhì)，一般根據(jù)不同布料大約控制在50%～70%之間，如果濕度控制不好，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)布料出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)過(guò)烘會(huì)造成大量能源浪費(fèi)。為了更好地實(shí)現(xiàn)工藝要求，通過(guò)監(jiān)測(cè)排氣濕度來(lái)控制定形機(jī)內(nèi)部的水蒸氣含量。目前，不少企業(yè)仍然在采用較為簡(jiǎn)單的手動(dòng)調(diào)節(jié)方式，通過(guò)調(diào)節(jié)排氣管上閥門的開度來(lái)控制內(nèi)部的濕度。對(duì)此我們?cè)O(shè)計(jì)了一套排氣濕度監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)、在線地檢測(cè)排氣濕度，并加以控制，既能保證定形機(jī)的正常運(yùn)行，又能最大地節(jié)省能源。本文通過(guò)采用參數(shù)自整定模糊PID控制的嵌入式系統(tǒng)對(duì)拉幅定形機(jī)的排氣濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制，利用專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，模擬人的控制行為，實(shí)現(xiàn)一種專家式的非線性控制。

1 檢測(cè)方法

織物在定形過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸氣，同時(shí)也要帶走大量熱能，造成能源浪費(fèi)。為了測(cè)量排氣中水分含量，在定形機(jī)排氣口安裝了二氧化鋯(ZrO2)測(cè)濕傳感器，通過(guò)檢測(cè)氣體中氧的比例進(jìn)而得到水蒸氣的含量，之后將采集到的濕度信號(hào)送入到處理器中計(jì)算出排氣風(fēng)扇的最佳轉(zhuǎn)速，達(dá)到廢氣最佳排濕量，以獲得更好的節(jié)能效果。

排氣濕度的預(yù)設(shè)值通過(guò)U盤讀到嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)不同織物對(duì)于定形機(jī)的工藝要求以及節(jié)能的指數(shù)，利用模糊PID算法求出排氣風(fēng)機(jī)的相應(yīng)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)的觸摸屏能夠顯示出當(dāng)前的排氣濕度信息，同時(shí)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，以便后期對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)行分析和應(yīng)用。根據(jù)資料可知，在一定的排氣濕度范圍內(nèi)，所消耗的成本指數(shù)與織物的蒸發(fā)能力存在某種特定的關(guān)系，排氣濕度值為20%左右時(shí)，是成本指數(shù)和蒸發(fā)能力的平衡點(diǎn)。高于這個(gè)參數(shù)值時(shí)，對(duì)織物的蒸發(fā)效率影響很小，但是所需成本呈指數(shù)倍增長(zhǎng);雖然低于20%時(shí)，成本能有效減少，但同時(shí)也影響了蒸發(fā)效率，達(dá)不到所要求的織物所需品質(zhì)。

2 嵌入式ARM硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

定形機(jī)排氣濕度監(jiān)控系統(tǒng)，主要由測(cè)濕傳感器、現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備、執(zhí)行電機(jī)3個(gè)部分組成。在系統(tǒng)中，以ARM芯片作為嵌入式微處理器，利用二氧化鋯傳感器采集濕度信息、觸摸屏設(shè)置參數(shù)和顯示定形機(jī)的排氣濕度和現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間。設(shè)計(jì)采用三星公司的S3C2440作為主控芯片，該處理器采用ARM9203T內(nèi)核，自帶8路10位的ADC和觸摸屏接口，同時(shí)集成了USB、UART、JTAG等接口，符合設(shè)計(jì)要求，完全能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的功能。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

控制系統(tǒng)對(duì)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和計(jì)算，可以控制排氣扇的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到預(yù)期的控制效果。同時(shí)輸出的排氣濕度信息可以實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上，結(jié)合圖形應(yīng)用軟件，可以繪成相關(guān)曲線。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分采用U盤作為整個(gè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)媒介，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以為以后研究提供最佳的控制曲線。

3 控制方式選擇

對(duì)于排氣濕度這樣具有滯后性、非線性、時(shí)變性的控制對(duì)象，理論研究和工程實(shí)踐都充分證明了單純采用PID控制和模糊控制都很難取得較好的控制效果。而采用Fuzzy_PID復(fù)合控制方式是一種最佳的解決方案。

常規(guī)離散PID控制算法為

其中，k為采樣序號(hào)，T為采樣時(shí)間。

在監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用了模糊自適應(yīng)PID控制，實(shí)現(xiàn)了PID參數(shù)的在線自適應(yīng)功能，進(jìn)一步完善了PID控制的最佳性能，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好地效果。模糊自適應(yīng)PID控制器以排氣濕度偏差e和偏差變化率ec為輸入，通過(guò)模糊控制規(guī)律對(duì)常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的P、I、D參數(shù)進(jìn)行自整定，其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

模糊PID控制器建立主要是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模糊規(guī)則的建立，模糊PID控制子程序流程圖如圖3所示。利用Matlab的Simulink模塊對(duì)常規(guī)PID算法和模糊PID算法進(jìn)行比較分析，初始濕度值設(shè)置為0%，目標(biāo)濕度值設(shè)置為20%，最后得到的系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖4所示。

通過(guò)MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)分析兩種控制方法的效果對(duì)比來(lái)看，模糊自適應(yīng)PID控制器具有超調(diào)量小、響應(yīng)時(shí)間短，但是調(diào)節(jié)時(shí)間改善不明顯。模糊自適應(yīng)PID控制器不僅保持了常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單、使用方便、魯棒性較強(qiáng)、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，而且具有模糊控制的靈活性、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括Linux操作系統(tǒng)的配置、移植，ARM控制程序的設(shè)計(jì)，基于QT的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，以及硬件驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和加載，由于最后要在ARM中實(shí)現(xiàn)，需要構(gòu)建交叉編譯環(huán)境。我們采取的方案是在Windows平臺(tái)下對(duì)QT應(yīng)用程序進(jìn)行開發(fā)，之后將程序源代碼復(fù)制到Linux操作系統(tǒng)中，利用QT的跨平臺(tái)特性，對(duì)程序進(jìn)行重新構(gòu)建。QT應(yīng)用程序利用多種進(jìn)程間通信的方法，實(shí)現(xiàn)調(diào)用控制程序的功能。軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖5。

4.1 操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)的移植

嵌入式Linux操作系統(tǒng)可移植、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、同時(shí)適用于不同的硬件平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)需要多個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，包括ADC數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)、觸摸屏驅(qū)動(dòng)以及PWM驅(qū)動(dòng)。操作系統(tǒng)內(nèi)核移植的主要過(guò)程就是對(duì)于內(nèi)核代碼的正確修改，然后對(duì)內(nèi)核進(jìn)行配置以設(shè)置目標(biāo)平臺(tái)和指定交叉編譯器路徑，最后進(jìn)行編譯，以生成內(nèi)核映像文件。其中主要是對(duì)Linux的內(nèi)核的配置，包括對(duì)支持驅(qū)動(dòng)的模塊加載，支持的S3C2440硬件平臺(tái)、網(wǎng)口、觸摸屏、U盤等，以上Linux內(nèi)核配置已經(jīng)能基本滿足本控制系統(tǒng)的要求，然后運(yùn)行make dep，make clean，make zImage編譯指令則可生成新的內(nèi)核映像文件，拷貝到目標(biāo)板上即可運(yùn)行。