定形機排氣濕度監控系統設計

摘要：設計一種基于嵌入式系統的定形機排氣濕度監控系統。重點(diǎn)介紹了排氣濕度的檢測方法以及硬件系統的組成，運用了模糊PID算法，在A(yíng)RM上實(shí)現了移植Linux系統和設備驅動(dòng)，最終能夠在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示排氣濕度參數。通過(guò)研究表明：該系統具有很好的穩定性，控制精度高，布匹后整理品質(zhì)好，節省能源，具有非常廣泛的應用前景。

紡織印染行業(yè)中，織物的后整理對產(chǎn)品質(zhì)量的提高有著(zhù)重要的影響，定形過(guò)程中合適的內部濕度能使織物達到最佳的品質(zhì)，一般根據不同布料大約控制在50%～70%之間，如果濕度控制不好，會(huì )導致生產(chǎn)布料出現嚴重的質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)過(guò)烘會(huì )造成大量能源浪費。為了更好地實(shí)現工藝要求，通過(guò)監測排氣濕度來(lái)控制定形機內部的水蒸氣含量。目前，不少企業(yè)仍然在采用較為簡(jiǎn)單的手動(dòng)調節方式，通過(guò)調節排氣管上閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)控制內部的濕度。對此我們設計了一套排氣濕度監控系統，能夠實(shí)時(shí)、在線(xiàn)地檢測排氣濕度，并加以控制，既能保證定形機的正常運行，又能最大地節省能源。本文通過(guò)采用參數自整定模糊PID控制的嵌入式系統對拉幅定形機的排氣濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測與控制，利用專(zhuān)家的經(jīng)驗知識，模擬人的控制行為，實(shí)現一種專(zhuān)家式的非線(xiàn)性控制。

1 檢測方法

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。為了測量排氣中水分含量，在定形機排氣口安裝了二氧化鋯(ZrO2)測濕傳感器，通過(guò)檢測氣體中氧的比例進(jìn)而得到水蒸氣的含量，之后將采集到的濕度信號送入到處理器中計算出排氣風(fēng)扇的最佳轉速，達到廢氣最佳排濕量，以獲得更好的節能效果。

排氣濕度的預設值通過(guò)U盤(pán)讀到嵌入式系統的數據庫，根據不同織物對于定形機的工藝要求以及節能的指數，利用模糊PID算法求出排氣風(fēng)機的相應轉速，系統的觸摸屏能夠顯示出當前的排氣濕度信息，同時(shí)對運行數據進(jìn)行記錄，以便后期對數據的進(jìn)行分析和應用。根據資料可知，在一定的排氣濕度范圍內，所消耗的成本指數與織物的蒸發(fā)能力存在某種特定的關(guān)系，排氣濕度值為20%左右時(shí)，是成本指數和蒸發(fā)能力的平衡點(diǎn)。高于這個(gè)參數值時(shí)，對織物的蒸發(fā)效率影響很小，但是所需成本呈指數倍增長(cháng);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，達不到所要求的織物所需品質(zhì)。

2 嵌入式ARM硬件系統的設計及實(shí)現

定形機排氣濕度監控系統，主要由測濕傳感器、現場(chǎng)控制設備、執行電機3個(gè)部分組成。在系統中，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、觸摸屏設置參數和顯示定形機的排氣濕度和現場(chǎng)時(shí)間。設計采用三星公司的S3C2440作為主控芯片，該處理器采用ARM9203T內核，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，符合設計要求，完全能夠實(shí)現監控系統的功能?？刂葡到y結構框圖如圖1所示。

控制系統對采集回來(lái)的數據進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲和計算，可以控制排氣扇的轉速，以達到預期的控制效果。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，結合圖形應用軟件，可以繪成相關(guān)曲線(xiàn)。系統的數據存儲部分采用U盤(pán)作為整個(gè)系統的存儲媒介，存儲的數據可以為以后研究提供最佳的控制曲線(xiàn)。

3 控制方式選擇

對于排氣濕度這樣具有滯后性、非線(xiàn)性、時(shí)變性的控制對象，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復合控制方式是一種最佳的解決方案。

常規離散PID控制算法為

其中，k為采樣序號，T為采樣時(shí)間。

在監控系統的設計中，采用了模糊自適應PID控制，實(shí)現了PID參數的在線(xiàn)自適應功能，進(jìn)一步完善了PID控制的最佳性能，在實(shí)際應用中取得了較好地效果。模糊自適應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)模糊控制規律對常規PID調節器的P、I、D參數進(jìn)行自整定，其控制結構框圖如圖2所示。

模糊PID控制器建立主要是根據專(zhuān)家經(jīng)驗進(jìn)行模糊規則的建立，模糊PID控制子程序流程圖如圖3所示。利用Matlab的Simulink模塊對常規PID算法和模糊PID算法進(jìn)行比較分析，初始濕度值設置為0%，目標濕度值設置為20%，最后得到的系統響應曲線(xiàn)如圖4所示。

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

4 軟件系統設計及實(shí)現

軟件系統設計主要包括Linux操作系統的配置、移植，ARM控制程序的設計，基于QT的人機交互界面設計，以及硬件驅動(dòng)的設計和加載，由于最后要在A(yíng)RM中實(shí)現，需要構建交叉編譯環(huán)境。我們采取的方案是在Windows平臺下對QT應用程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)，之后將程序源代碼復制到Linux操作系統中，利用QT的跨平臺特性，對程序進(jìn)行重新構建。QT應用程序利用多種進(jìn)程間通信的方法，實(shí)現調用控制程序的功能。軟件系統總體設計框圖如圖5。

4.1 操作系統和驅動(dòng)的移植

嵌入式Linux操作系統可移植、實(shí)時(shí)性強、同時(shí)適用于不同的硬件平臺，能夠實(shí)現設計要求。系統需要多個(gè)設備驅動(dòng)程序，包括ADC數據采集驅動(dòng)、觸摸屏驅動(dòng)以及PWM驅動(dòng)。操作系統內核移植的主要過(guò)程就是對于內核代碼的正確修改，然后對內核進(jìn)行配置以設置目標平臺和指定交叉編譯器路徑，最后進(jìn)行編譯，以生成內核映像文件。其中主要是對Linux的內核的配置，包括對支持驅動(dòng)的模塊加載，支持的S3C2440硬件平臺、網(wǎng)口、觸摸屏、U盤(pán)等，以上Linux內核配置已經(jīng)能基本滿(mǎn)足本控制系統的要求，然后運行make dep，make clean，make zImage編譯指令則可生成新的內核映像文件，拷貝到目標板上即可運行。