基于DSP的拉丝机恒张力控制PID调节器设计与实现

３ 软件设计
３１ 算法介绍 ． 为了减小运算过程中的累计误差和节省ＤＰ Ｓ 的内 存开销， 系统采用增量式 Ｐ Ｉ Ｄ控制算法。由于系统在 启动过程中输出会有较大的偏差， 此时在积分项的作 用下， 往往会产生较大的超调和长时间的波动， 所以， 我们引人了积分分离 Ｐ ｍ控制算法， 该算法在偏差 。 （） ｋ较大时， 取消积分作用， 。ｋ较小时才将积分 偏差 （）
行片选， 并通过数据总线 Ｄ一 从ＡＳ ４ ｏＤ Ｄ７ 读取转换 ７
结果。
② Ｄ Ａ转换单元 ／ ＤＡ ／ 转换芯片采用 Ａ Ｄ公司生产的 Ａ ６７ 为 １ Ｄ６， ２ 位单路 Ｄ Ａ ／ 转换器， 有两种输出量程可供选择（ ｖ和 ｌ ｏ
作用投人， 为积分分离闭 则有： 设ａ 值， ① 当Ｉ ｋＩ ｐ 采用Ｐ 控制， ）＞ 时， ｅ （ Ｄ
张力反馈调节为细调， 以此保证控制精度。系统的控 制原理如图 １ 所示。
１ 控制原理
考虑到收线机实际运行上的原因， 除了张力控制
环外， 系统还需外加转速控制环， 这是因为［： ’①无张 」
力时应使设备稳定运行。例如在空载调试和启动瞬间 等张力控制环尚未建立的情况下。②在钢丝断线时， 电动机负载转矩消失， 电动机可能超速的情况下， 系统 也能正常运行。 系统的给定值由两路组成， 一路为本机给定值， 由 本机面板设定， 范围从 一１ ． ％ 一＋１ ． ％； ００ ００ ０ ０ 另一 ００ 路由外部给定输人提供， 范围从 一 ｏ ｌ ｖ一十 ｏ 。这两 ｌ ｖ 路均表示张力给定值， 但只有其中的一路有效， 由转换
换时间为４ ， ｐ 完全能满足系统的高速要求。 ｓ 使用时，
② 当Ｉ（ ＜ － 时， 。幻！ ｐ 采用Ｐ ｍ控制，
Ａ Ｏ ＴＯ ＩＭ Ｕ Ｌ Ａ Ｉ Ｎ ｏ． ｏ８ ｇｓ ２０ ＵＴ ＭＡ Ｉ Ｎ ＭＥＶ ＴＯ Ｖ ｌ ６ ． ｕ ｕｔ ５ Ｔ ２ Ｎ Ａ ０
基于 Ｄ Ｐ的拉丝机恒张力控制 Ｐ 〕 Ｓ Ｄ 调节器设计与实现 杨爱民， 等
开关Ｊ实现。反馈信号包括张力反馈和速度反馈， Ｏ 其 中张力反馈信号由张力传感器提供， ｌ 一＋ ｏ 为一 ｏ ｖ ｌ ｖ 的电压量； 速度反馈信号由光电编码器提供 Ａ Ｂ ， 相脉 冲， 通过对其进行测定可判断出电机的转向和转速。
系统输出为一电压值， 范围从一 ｏ 一＋ ｏ ， ｌ ｖ ｌ 直接控 ｖ
电电压 Ｖ ； 二 ｃ 当Ｖ 低于预设门限值时， ＤＰ 使 Ｓ处于复
位状态， 从而避免了因 ＤＰ Ｓ 处于不确定状态而对系统 输出产生误动作。
③ 制板时将接地线设计成闭合环路［， ［ 显著地 ３ ］
缩短线路的长度并降低了线路阻抗， 从而减少了干
图 ２ 系统硬件结构图
பைடு நூலகம்扰。
各硬件单元说明如下： ① Ａ Ｄ转换单元 ／ 采用 Ｂ 公司的 Ａ Ｓ７ 作为 Ａ Ｄ转换单元 ， Ｂ Ｄ７４ ／ 为 １位连续逼近型并行输出， ２ 采样频率高达 １ ｋｚ可 ２ Ｈ； ５ 配置为双极性输人（ ｌｖ ｌｖ 。由于需对两路 一 ｏ － ） ＋ｏ 电压信号进行采样， 还需一多路转换开关 Ｍ Ｃ０ 来 Ｐ５８ 切换两路输入；Ｓ 通过控制 Ａ Ｓ７ 的 ＲＣ ＤＰ Ｄ７４ ／ 引脚进
Ｍ Ｄ 引脚控制其工作方式。而系统的报警输出和按 ＯＥ 键输人则与 ＤＰ Ｓ 的普通 ｖ ０口相联， 考虑到驱动报警
式中： Ｘ为测得的脉冲频率（ ； ｆ）Ｎ为编码器线数（ 线／ 转）Ｖ ； 为最高转速（ ｍ ）Ｙ ｒ ｉ ； ／ ｎ 为转换为百分数后的转
速。
输出继电器的电流较大， ＮＮ 可用 Ｐ 型三极管９１驱动 ０３
外部给
定输入
图 １ 系统控制原理 图
① 加减速环节
避免因给定量突变给系统带来的冲击， 其加减速
时间可由 用户设定。 加速时间 ｔ的意义为： 。 当该环节
输人由０００突变为 土１００％， ． （ ０１ 〕 ０． ０ 该环节输出经加速
时间的斜坡渐变为土０． ％， 减速时间 勺的意 １ ０ 反之， ００
《 自动化仪表） ６ 第２ 卷第８ ２０ 年８ 期 ０５ 月 义则为该环节输人由土１ ． ％突变为 ００％时， ００ ００ ． ０ 该 环节输出经减速时间的斜坡渐变为００％ ． ０ ② 限幅报警环节 当输人超过该环节的输人上、 下限时， 输出被限制 在该环节的上、 下限， 并且进行报警。该环节的输人 上、 下限可设置。
Ｐ１ １ ）
ＤＰ ｉ ｄ ｗ ｇ ｉ ｅ ｐｎ ｄ ｉｌ ｍｔｄ Ｓ Ｗｒ ｉ ｍｃｎ Ｅ ａ ｅ ｃｔ ｒｉ ｅｏ ｅｒｎ ａ ａ ｘ ｄ ｒｃ ａ ｏ ｈ ｉａ ｔ
０ 引言
在拉丝机收线过程中， 保持钢丝所受张力恒定是 保证成品钢丝质量的一个重要条件。如果张力过大， 则拉丝机成品卷筒与收线机间钢丝质量会因受力过大 而受到影响， 甚至被拉断。反之， 若张力过小， 则又会 在成品卷筒和收线机间形成松线 、 乱线等现象， 严重影 响了生产的正常进行。为避免上述问题的发生， 需要 在收线过程中能调节钢丝张力并使之在一定范围内保 持稳定。为此， 我们设计了一种采用闭环控制结构的 Ｐ 调节器， Ｉ Ｄ 其控制参数可由用户输人， 调节器输出直 接控制拖动收线机的变频器， 从而达到控制收线机钢 丝张力的目的。
基于 Ｌ７ 的拉丝机恒张力控制 Ｐ ） ：； ， Ｉ 调节器设计与实现 杨爱民． 等
基于 Ｄ Ｐ的拉丝机恒张力控制 ＰＤ调节器设计与实现 Ｓ Ｉ
Ｄ ｓ ｎ Ｉ ｌ ｎ ｔ ｎ Ｄ Ｐ ｓｄ Ｃ ｎｒｌｒ ｅｓ ｎ ｎｒ ｅｉ ａｄ ｅ ｔ ｉ ｏ Ｓ Ｂ ｅ ＰＤ ｔ ｌ ｉＴｎｉ Ｃ ｔ ｌ ｇ ｎ ｍｐ ｍｅ ａｏ ｆ ａ Ｉ ｏ ｏｅ ｎ ｏ ｏ ｏ ｏ Ｗｉ Ｄａ ｎ Ｍａｈ ｅ ｆ ｅ ｗｉ ｒ ｒ ｇ ｃｉ ｎ
脉冲进行判向（ 判别正反转） 和测频。由Ｔ 公司给出 Ｉ
该环节位于外部给定输人通道上， 用于抑制该通 道上的扰动。死区宽度也可由用户设置。 ④ 速度转换环节 该环节用于将测得的转速值转换为百分数， 转换 算法如下：
Ｙ＝
的 计算公式可算出２当ＤＰ 钟频率ｆ Ｍｚ ［， Ｓ的时 ］ ＝ Ｈ ２ Ｏ 时， Ｐ 路 论上可 得的 高 Ｑ 电 理 Ｅ 测 最 频率几 为４ Ｍ ｚ 班 ． Ｈ， ５
间（Ｓ； Ｍ）Ｔ为微分时间（ｓ；（）ｅｋ １，（ 一 ） Ｄ ｍ）ｅｋ，（ 一 ）ｅｋ ２ 为 ｋ （一 ） 第 次、ｋ １次和（ 一 ） ｋ ２次采样时刻输人偏差 值；ｕｋ为第 ｋ Ｄ （） 次采样时刻增量输出值。
完全能满足系统 ０ ｌ ｋｚ 一 ０ Ｈ 的测频要求。 ０ ④ 显示、 报警及按键输人 显示模块由六位七段 ＬＤ组成， Ｉ ７１ 芯片 Ｅ 由 Ｃ ２８ Ｍ 进行显示驱动。ＩＭ ２８ ８ Ｃ ７１ 为 位并行接 口芯片，Ｓ 通 ＤＰ
（ ｘ６０ Ｘ ０ ０
Ｎ ｘ Ｖ
过数据总线巧一 乌与其交换数据， 并通过Ｉ ７１的 Ｃ ２ Ｍ ８
Ｄ（） Ｋ ｅ ） ｅｋ １ ［ ｋ 一 （ 一 ）＋ ｕｋ ＝ ｐ （ ］
ＫＴ ｋ／， ｐ ｘ ｐ （）Ｔ＋ＫＴ ， Ｄ ［（ 一 ） （ ） ２（ 一１ ／ ２ ］Ｔ ） ｅｋ ２ ＋ｅｋ 一 ｅｋ ） （
式中： 凡为比 增 Ｔ 采 周 ｉ）Ｔ 积 时 例 益；为 样 期（ ； 分 ｍ ， 为
杨爱 民 Ａ
满
范咯 果
（ 西北工业大学自 动化学院， 西安 ７０７） １ ２ ０ 摘 要 文章介绍了一种用于拉丝机恒张力控制的Ｐ） Ｈ 控制器的控制原理， 以定点数字信号处理器Ｍ Ｓ２Ｆ２ 为核心的数字控制系 Ｗ３Ｏ４。 统的硬件构成及各个硬件单元的工作原理， 并对所采用的控制算法和软件流程进行了 详细说明。 最后， 文章给出了一种简易Ｐ 控制 Ｉ Ｄ 参数的整定法。实验结果表明， 经该方法整定出的参数使该控制器获得了良 好的控制效果。 关键词 Ｐ Ｉ Ｄ控制 ＤＰ 拉丝机 扩充临界比例度法 Ｓ Ａ ｓａ Ｔｅ ｔｌ ｇ ｃ ｌｏＰ ｃ ｔｌｒ ｉｃ ｓｎｔｓｎ ｔｌ ｄ ｗ ｇ ｈ ｅ ｒｅｅ． ｈ ｄａ ｏｔ ｄ ｉｌ ｂ ｒ ｔ ｃ ｒｌ ｐｎｉｅ Ｉ ｏ ｒ ｅｕ ｄ ｏ ｔｔ ｉ ｃ ｒ ｏ。 ｒ ｉ ｍｃｉ ｉｐ ｓ ｔ Ｔｅ ｗｒ ｆ ｉｔ ｔ ｃ ｈ ｏ ｏｉ ｒ ｐ ｆ ｎ ｎ ｎ ｉ Ｄ ｏ ｓ ｎ ａ ｅ ｏ ｏ ｏ ｆ ｅ ｎ ｎ ｎ ａ ｎ ａ ｎ ｓ ｎｄ ｈ ａ ｅ ｈ ｇａ ｅ ｒ ｅ ｃ ｔｌｒ ｅ ｂｓ ｏ ａ ｄ ｏｔ ａｓｎ ｐ ｃ ｓ Ｔ Ｓ２Ｆ ０ ｈ ， ，ｓ ａｔ ｏｅｔｎｌ ｃ ｌｏｅ ｈ ｗｒｕｉ ， ｏｒｌ ｓｔ ａ ｄ ｆｅ ｐｎｄ ｉｌ ａ ｒｅ ｏ Ｍ ３Ｏ２ ａｔ ｎ ｅ ｙ ｍ ｅ ｎ － ｉ ｉｔ ｉ ｌ ｓｒ ｏ ｓ ｘ ｉ ｇ ｇ ｏ ４ ｓ ｅ ａｗｌ ｈ ｐ ａｏ ｐｎｉｅ ａ ｈｄａ ｔ ｅ ｓ ｒｉａ ｒ ｐ ｆ ａ ｅ ｎｓ ｅ ｉ ｃ ｒ ｄ ｃｂｄ玩ａ ｉ ｎ ａ ｔ ｃ ｔｌ ｒ ｍ ａｄ ｗｒｆｗｈｒ ， ｅ ｏｎｅ ｉｄｔｌ ｈ ｓ ｐ ｔ ｉ ｍｔ ｄ Ｉ ｃ ｔｌ ｍｔｓ ｅ ｒｅ． ｄ ｔ ， ｏ ｒ ａｏｔ ｓ ｓｔ ｅ ｃ ｔ ｓｉ ｄｉ ｌｈ ｎ ｌ ｉ ｏ ｅ ｏ ｇ ｈ ｎ ｏ ａ ｌ ａｓ ｘ ｕｄｄ ｅ ｉＴｅ ｌ ｕ ｎ ｅｏ ｏＰ ｏ ｒ ｐｒ ｅｒｉ ｆ ｏ ｐ ｎ ａ ． ｉ ｅ ｇ ｈ ｆ ｎ ａ ｅ ｓ ｍ ｎ Ｄ ｏ ａ ｐ ｉ ａｅ ｔ ｈ ｘ ｓ ｏ ａ ｃ ｏ ｏ ｆ ｔ ｂ ｅ ｉ ｈ ｎ ｇ ｅ ｏ ｉ ｅ ｎ ａ ｔ ｅ ａ ｎｂ ｉ ｅｏ ｇ ｅ ｆａｙＴ ｅｅ ｅｍ ｎ ｌ ｌｓ ｗ ｔ ｔ ｌｎｃ ｔｌ ｃｉｏｔｎ ｗｈ ｔ ｉ ｐｒ ｅｒｃ ｔ ｕ ｄ ｔｓ ｈｄ ｉ ｎ ｌ ．ｈ ｘ ｒ ｅｔ ｒｕ ｌ ｓ ｅ ｅｅｔ ｒ ｅｅ ｓ ｉｄ ｔ ｕ ｎ ａ ｍｔｓ ｒ ｔ 场 ｈ ｍ ｔ ． ｖ ｉ ｎ
Ｄ（） ［（） ｅ 一 ） ｋ １ ＋ ｕｋ ＝ ｅｋ 一 （ Ｋ ｐ ］
２Ｖ ； ０ ）内含输出运放， 只需外接反馈电阻即可， 最长转
ＫＴ［ 一 ） （ ） ｐＤ ｋ ２ ＋ｅｋ － ｅ （ ２（ ｅｋ一１］Ｔ ）／ （） １
继电器。
２ 硬件设计
系统采用 Ｉ Ｔ公司的高性能 ＤＰ Ｓ２Ｆ４ 作为 Ｓ Ｔ ３Ｏ２０ Ｍ 控制器， 能满足拉丝机张力调节过程对实时性和高速 性的要求。系统硬件结构如图２ 所示。
为了提高调节器的控制精度， 我们采用的抗干扰 措施主要有： ① ＡＤ ／ 输人和脉冲编码信号均用高速光祸进行 隔离。 ② 采用 Ｍ ＸＭ公司生产的微处理器监控芯片 Ａ Ｉ Ｍ Ｘ０ 为 ＤＰ Ａ ７６ Ｓ 提供可靠的复位信号， 并监视 ＤＰ Ｓ供
制变频器， 为统一量化起见， 在系统进行 Ｐ Ｉ Ｄ运算时，
输人输出 均被转换为一０． ％一＋ ０． ％的数字 １ ０ ００ １ ０ ００
量。由于收线电机在不同转速时， 所对应的张力也不
同， 根据速度反馈计算出一个张力值为 Ｆ， ｔ 反馈张力
为 凡， 给定值为 Ｒ则偏差 Ｅ＝Ｒ一 Ｋ ｘ ＋ ｘ ， （ ， ， 凡 Ｆ 凡） ， 其中Ｋ， ， 凡为加权系数。速度反馈调节为粗调，
③ 死区环节
ＤＰ Ｓ 通过数据总线 巧一 Ｉ Ｄ６传送数据， Ｄ 向Ａ６ Ｄ ７ 并通过
控制 Ａ ６７ Ｄ６ 的引脚 Ｃ 来选通该芯片。 Ｓ ③ 测速单元 速度传感器使用光电编码盘， 其返回信号为两相
正交编码脉冲； 利用ＴＳ Ｏ ４ 自 Ｍ３ Ｆ ０ 带的ＱＰ 路可对 ２２ Ｅ电