纱线恒力控制器毕业设计.doc

摘要本文所设计的纱线恒张力控制装置以SST89E564RD芯片为其控制核心，硬件部分包含张力测量，张力调节，硬件电路设计及设备产品外形设计等四大模块。张力控制过程中张力调节模块根据张力测量模块所测得张力数据，数据经过处理后以遗传算法来对PID控制器参数进行自适应调整，并生成控制量改变直流无刷电机转速，从而对纱线中的张力进行控制，此设计解决了纺织过程中纱线张力小和张力变化速度快所带来的纱线张力难以控制的问题。关键词：纱线张力控制,自适应,遗传算法,PID控制目录1.前言11.1纱线恒力控制器的背景11.2 研究的目的及意义11.3国内外研究现状11.4课题研究及内容22.系统分析32.1纱线张力的产生和作用32.2纱线张力组成32.3影响张力波动的因素32.4张力控制系统方案设计32.5张力控制系统的测量模块32.5.1 张力测量模块32.5.2纱线张力测量模块设计42.6纱线张力调节模块52.7 电机选择及控制原理63.用遗传算法实现纱线张力的PID控制73.1使用PID进行纱线张力控制的意义73.2 遗传算法PID控制的引入73.3 遗传算法基本原理73.4 基于遗传算法的PID参数优化83.4.1 基于遗传算法整定PID控制器的参数的步骤83.4.2 参数编码与解码93.4.3 初始种群的构建103.4.4 适应度函数的确定104 硬件电路设计114.1 硬件电路功能分析114.2 A/D转换接口114.3 ADC0809与单片机接口设计124.4 直流电机驱动电路134.4.1 驱动电路的选型134.4.2 驱动电路接口设计144.5 人机接口（显示器、按键）155.总体结构及外形设计176，软件设计186.1遗传算法PID的实现186.2 电机驱动程序196.3 A/D转换程序207.总结与结论227.1 研究结论227.2 工作展望22参考文献2323纱线恒力控制器1 前言随着人类生活水平的提高，对衣食住行的要求也随之提高，而衣更具有代表性；人们越来越注重自己的外在表现，尤其是能够体现自己品味和气质的穿着，例如，根据每天的天气或者要见什么人，或去什么地方，来决定穿什么样的衣服；以至于人们对衣物的需求越来越个性化和多样化，这些都是纺织行业需要面对的挑战和机遇。但在纺织过程中，存在很多因素影响产品的质量，其中最关键的一个因素就是纺织过程中纱线张力的恒定问题。本文研究的目的就是要解决这一难题，并设计一套纱线恒张力控制器。1.1纱线恒力控制器的背景纺织业是关系到国民生计的传统行业。我国的纺织企业在新世纪以来得到了快速发展，使纺织机械行业也得到了较大的发展。我国纺织机械制造商的技术含量也得到了提高，但我国的纺织机械部分产品源于对外国设备的仿造，以及专利的购买，少数产品走引进、消化、吸收、二次开发的道路。目前，国内纺织新产品的开发仍然以仿造为主，技术整体水平相比较于发达国家来说仍然比较落后。纺织机械的光机电一体化、自动化、智能化水平急需提高。这些都是造成我国纺织设备水平低下，产品档次低下，质量和生产率低下的原因1。在纺织过程中，无论是绕线，编织，纺织还是染色等，纱线中的张力对于产品质量、品质以及生产率都会产生极大的影响，因此当务之急是通过来控制纱线张力来提高产品质量。1.2 研究的目的及意义纱线张力控制对于纺织工艺的质量和效率是一个极其重要的参数。它决定了包装的结构和外形，而且它对于不同的工艺的生产率具有重要的意义，比如缠绕、扭曲和布线，以及随后的工艺，例如机织和针织、染色等。然而，大多数的纱线是用原始的方法来张紧的，造成质量和生产率低下。与此同时，纱线张力的变化带来了在其他一些方面的变化。首先，它影响了所生产的纱线的物理性能，例如它的拉伸强度和弹性，以及它的应力应变特征。纱线张力过大将会在纱线的分子结构发生变化，这将会影响所生产纱线的外形、染色能力以及质地2。对于中国国内的情况，以纺织设备纱线张力控制作为应用对象，运用现代控制技术研制一套可以应用在纺织行业多个工艺中的控制设备，例如织布、绕线、纺织、染色等。研究的目的在于解决纺织过程中纱线张力难以进行控制的难题。1.3国内外研究现状 由于国外对纱线张力控制方面的研究起步较早，所以对此研究已经比较深入，例如日本村田机械、意大利的萨维奥公司、德国赐来福公司等少数几家厂商垄断着国际市场上络丝机的生产和销售，中国以及其他国家的纺织机械厂商在短时间内在自动化程度和设备性能上很难超越他们3。在对纱线张力进行测量方面，英国的里茨大学用了两年多的时间来开发出了一台先进的张力检测仪器，通过CCD摄像头来检测纱线中的张力大小，实现了对纱线中张力进行非接触的测量；在纱线张力控制方面国外已经有成熟的产品投放于市场4。德国赐来福公司开发的新一代 Autoconer338 型络丝机单锭独立的张力控制系统，锭位计算机不能直接控制齿轮，而是通过对步进电机的控制来间接的控制齿轮，然后两个张力盘被旋转的齿轮带动起来旋转，与纱线运动方向相反3。此外，美国研究学者开发出的一种用于整经机的新型张力控制装置KN，不仅可以精密而恒定的控制任何退绕速度范围内的纱线张力，使纱线退绕张力均匀一致，不受任何输入张力波动的影响，而且结构简单，易于推广5。在国内，对于起步较晚，对于纱线张力控制的研究都基本处于追赶阶段。但仍然有不少走在学术前沿的学者，例如非接触式纱线卷绕张力动态检测方法的研究的作者谢正权，提出了与英国里茨大学相似的方法，来实现对纱线的无接触张力测量6；这种方法基于弦振理论与图像处理技术的结合。学者肖晓涛在基于MEMS传感器纱线张力传感器模块的研究中提出了一种新型的张力测量方法基于MEMS传感器的纱线张力测量模块，将纱线的张力转化到纱线振动频率及其能量上面，利用MEMS加速度芯片来测量纱线的振动7。由此可见，国内对于纱线张力测量方法的研究也是走在前沿的，只是在产业化市场化方面存在不小差距。1.4课题研究及内容本文的研究对象为纱线中的张力，控制目标为保证纱线的张力恒定，通过对纱线张力产生和波动的原因的分析，提出了张力控制各个模块的设计方案，系统的软硬件的设计，以实现对纱线张力进行的实时控制。本课题的研究内容如下： (1).纱线张力的测量模块 (2).纱线张力的调节模块 (3).控制算法的选择和实现 (4).电路的硬件设计 (5).控制器结构外形设计 (6).控制软件的设计2 系统分析本章首先对纱线张力的产生和作用、纱线张力组成、影响张力波动的因素简要说明。最后在张力分析的基础上，根据实际要求的功能来设计本系统的控制方案。2.1纱线张力的产生和作用纱线因受到退绕、摩擦、拉伸等作用而受力，这个力就是纱线张力，它是决定纱筒密度、成形和品质的重要因素。纱线张力适当，能使卷装的纱筒密度均匀，无硬边，成形良好而又不损伤纱线的物理结构，且在后道工序中能过顺利退绕；张力不均，则严重影响产品质量8。2.2纱线张力组成纱线张力主要有附加张力、退绕张力和摩擦张力组成。附加张力主要有安装在络丝机上的张力施加装置产生。退绕张力主要由退绕点张力、分离点张力和气圈作用力产生的从分离点到导纱器之间的张力。摩擦张力主要是由于纱线运动过程中与导纱零部件摩擦所产生的张力，这个力相对于退绕张力和附加张力较小，一般可以忽略。所以本文重点分析退绕张力和附加张力，附加张力才是我们可控制的，是保持纱线张力恒定的主要手段3。2.3影响张力波动的因素影响退绕张力波动的因素包括退绕高度、卷装速度、倒纱距离、纱线特数等，主要跟退绕高度有关。所以选择合适的退绕高度才是最有效的。2.4张力控制系统方案设计通过对纱线张力的组成和影响纱线张力的波动因素分析可知，退绕对纱线张力波动影响最大，但很难建立一个精确的控制模型，从而进行有效的控制。只能通过人为的附加的张力装置来控制纱线的张力，以实现张力的恒定。根据对上述张力控制系统的功能分析可知，系统可认为分为四大模块：数据采集（测量）模块、调节与执行模块、显示与设定模块、控制模块。2.5张力控制系统的测量模块2.5.1 张力测量模块纺织业中有很多种测量张力的方法，应用比较广泛的主要是：电阻应变片传感器法、电感应式、电容式、微机电系统张力测量法、谐振频率测量法、荷重测量法、CCD图像传感器纱线张力测量等，本系统优先选用电阻应变片式张力传感器作为测量元件。传感器的使用如图所示：（b）（a）FR4R3R1R2传力块罗拉3罗拉2罗拉1罗拉2图2-1 电阻应变传感器张力测量系统2.5.2纱线张力测量模块设计为了实现纱线测量的功能，本文设计了一套机械装置，设计中测量装置主要由传感器，导纱杆和导纱轮组成。纱线先经过导纱杆传输，再通过传感器，然后经过导纱轮送给下一级纺织设备。对此装置的力学分析可知，和为纱线两端的张力，只有当三者的角度为如图3-3所示时，才会有，而机构所构成的角度，根据力的合成与分解原理可以得到 。由于，所以可以得出 。这样设计可以使得更加简单方便地测量纱线张力，即使传感器收到的张力随时保持与纱线张力相等，而不需要复杂的三角运算。图2-2 纱线张力角度关系在具体应用应变式传感器时，当压力F作用在传感器上的一端上，传感器上面的应变片会发生相应的应变形变，然后转化为电阻的变化，通过测量相应的电压值就可以得到压力的大小，从而测量到张力的大小。图2-3 传感器原理图2.6纱线张力调节模块在精确测量了纱线的张力之后，紧接着该利用所测得的数据来调节纱线的张力，纺织工业中比较常用的对纱线张力进行调节的张力控制装置基本上分为：摩擦式和旋转式。摩擦式张力控制装置是以纱线与静止的张力盘产生摩擦，这种摩擦使张力增加。摩擦式纱线张力装置有盘式、杆式、杠杆式和球型结构8 。以上介绍的几种张力装置，目前都广泛应用于纺织工艺中，尤其是盘式张力装置。由于它们结构简单，价格便宜，能够实现一定的控制调节功能。但最主要的缺陷就是纱线的磨损，如果遇到不规则的纱线就会产生张力的峰值波动，而这些都没有实现张力的自动控制调节9。除此之外，另外一种纱线张力调节方法就是，锭盘式张力装置，它是将纱线固定在可旋转的张力构件上，牵拉力施加在旋转张力构件上。由于纱线在张力构件上绕了圈，且无滑动摩擦，在送纱的时候张力构件也会随之转动，当纱线张力过大时，就转的越快，以减小纱线张力；当张力过小时，就转的越慢，从而增大纱线张力。由于这种旋转式装置无滑摩擦，所以纱线的摩擦损坏较小，从而比摩擦式的张力调节更加精确可靠8。图2-5 锭盘式张力装置本文经过比较可得知，锭盘式张力装置更容易实现自动调节控制，且调节精度也比较高。同时，在实际应用中，也对此设计方案进行了调整：纱线从导纱孔A送入，经过锭盘并在其上绕几圈后从导纱孔B送出。我们选择直流电机来作为调整纱线张力的动力源，通过改变直流电机的转速来调节纱线的张力。当需要增大纱线张力时，可以使送纱速度小于纱线卷绕速度；反之若要减小纱线张力，则需要使送纱速度大于纱线卷绕速度10。 2.7 电机选择及控制原理电机分为直流和交流电机，而交流电机主要应用为一般普通交流电机，变频电机，伺服电机等。由于在本课题中实际应用设备尺寸较小，故优先选用直流电机。而直流电机有有刷电机和无刷电机，在实际生活中应用很广，成本也比较低，也易于控制。直流无刷电机可以看作是一种特殊的步进电机，使由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。直流无刷电机的转子极数是一定的，通过改变定子的旋转磁场的旋转速度来调节电机的速度，调速后又通过速度反馈信号来控制和调整转速，以达到期望的速度，从而可以实现从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，即在额定转矩下稳定调速的性能11。由于在纱线控制过程中调速很频繁，故只有容易调速，可控性强的无刷电机才能达到要求。3 用遗传算法实现纱线张力的PID控制3.1使用PID进行纱线张力控制的意义传统的PID控制器由于存在原理简单、使用方便、适应性强、安全可靠等优点，成为了工业控制中应用最广泛、发张最成熟的一种控制器。但其也存在诸如：鲁棒性较弱、PID参数难调、基于精确的数学模型等缺陷10。而工业控制中影响纱线张力的因素很多，大多数动态系统很难建立精确的数学模型，传统PID控制无法实现满意的控制效果。所以引入了遗传算法对PID参数进行整定的思想。3.2 遗传算法PID控制的引入整定控制器的参数是PID控制应用中最关键的部分，虽然PID算法很简单，但如果控制器的参数不合适，就无法达到满意的效果。整定过程就是一个预设的控制系统，通过调整整个控制系统的参数，使系统的过渡效果和控制性能最优化。遗传算法是一种基于生物自然选择与遗传机理的随机搜索算法。是通过模拟自然界的生物自然进化的过程来搜索最优解的一种方法11。纱线张力控制器是整个张力系统的调节器。由于在实际情况下，外界的干扰很容易影响系统的运行，因此纱线张力控制器要求具有抵抗外界干扰的能力，并且能够随着外界的变化而自动调整系统的参数，因此提出了自整定PID控制器的想法。自整定的过程分为三个部分：过程中扰动的产生；对扰动响应进行评估；对控制器的参数进行计算及调整11。对于PID控制器参数进行优化, 遗传算法是将目标函数转化为基因组群, 以适应度函数为优化目标, 通过基因操作得到下一代优化基因组合, 如此反复迭代, 直到满足最优收敛目标为止。遗传算法能得以广泛应用的原因是它对所优化目标的先验知识要求甚少,一般只需知道其数值关系即可, 无需有连续性和可微性的限制，遗传算法大大降低了优化算法对于系统模型的要求, 扩大了优化算法的适用范围。另一个重要原因是它的全局收敛性,由于遗传算法群体的多样性, 使其尽可能在全方向上搜索, 而且遗传算法使用随机规则进行操作, 不是某个确定性的规则, 因此可以很快达到最优解附近12。3.3 遗传算法基本原理和传统搜索算法不同，遗传算法从一组随机产生的初始解，称为“种群”，开始搜索过程。种群的每一个个体都是问题的一个解，称为“染色体”。染色体是一串符号，比如一个二进制字符串。这些染色体在后续迭代中不断进化，称为“遗传”。在每一代中用“适值”来测量染色体的好坏。生产的下一代染色体，称为后代。后代是由前一代染色体通过交叉或变异运算形成的。新一代形成中，根据适值的大小选择部分后代，淘汰部分后代，从而保持种群大小是常数。适值高的染色体被选中的概率较高。这样经过若干代之后，算法收敛于最好的染色体，它很可能就是问题的最优解或次优解12。3.4 基于遗传算法的PID参数优化3.4.1 基于遗传算法整定PID控制器的参数的步骤 （1）基因表达首先，将决策变量编码为二进制串，串长取决于需要的精度，即参数的范围。一般由用户自己定义，这样才能使计算量尽量小。通过确立了二进制码和参数之间的关系，就可以接下来进行解空间操作。（2）选择初始种群待优化参数为 , 用一定比特数的0, 1 二进制码对自变量进行编码, 形成基因码链, 每一个码链代表一个个体, 如x 有32 种可能取值, 则可以用5 bit 的二进制码00000 11111来表示, 将 的基因组合在一起形成码链. t = 0, 随机产生n 个个体, 形成一个群体 , 该群体代表优化问题的一些可能解的集合. 遗传算法是从这些群体出发, 模拟进化过程, 择优汰劣, 最后选择出优秀的群体和个体, 满足目标函数的优化要求13.（3） 确定适值函数为了筛选最优解，需要建立一个适应度函数来评估控制量。将染色体的基因型转换为表现型，即将二进制串转化为十进制值，然后计算目标函数值，将目标函数值转化为适值，适值函数值越大的，染色体性能越好，就越接近最优解。（4）遗传算法的操作初始的种群会经过复制，交叉，变异，然后就产生了新的一代，而新的一代的每一个个体都会由适值函数来确定是否满足了要求，如果不满足则继续进行操作直到最优解为止。参数 编码 种群1计算适配值是满足要求 否种群1种群2复制交叉变异遗传操作种群2 寻优结束 图3-1 遗传算法流程图利用遗传算法来对 进行优化的具体步骤如下所示：（1）编码，先确定编码的长度和参数的范围然后再进行编码操作； （2）产生由n 个体构成的初始种群P(0)，这个过程是随机的；（3）将种群里的每一个个体都进行解码，然后计算出每一个个体的适配度值f； （4）对种群P(t)进行遗传操作（复制，交叉和变异），产生出下一代的种群；（5）重复步骤（3）和步骤（4），直到参数已经收敛或者是达到了预定的指标值3。 3.4.2 参数编码与解码将由二进制转为十进制可按下式计算：的值域是, 是所设定的二进制编码的长度。公式如下所示：（3-1） 3.4.3 初始种群的构建确定整个种群的大小以及各个参数的二进制码的长度：本文中选取种群的大小为40， 的二进制码长度分别都为10，组合在一起构成了长度为30的染色体，入表3-1所示： 表3-1 PID控制器参数染色体构成1010103.4.4 适应度函数的确定遗传算法只需要依靠适应度函数的大小来作为评判的标准，以种群里每一个个体的适应度来进行判断。适应度函数主要取决于具体问题的目标函数，且满足连续、单值、最大化、非负等要求。故我们选择了时间乘误差的绝对值积分（ITAE），它是一个综合的性能指标。如下公式所示：(3-2) 当参数 发生变化的时候，ITAE的值也会发生相应变化，筛选找出J的最小值，通过对J值得评判就可知寻优何时结束。4 硬件电路设计4.1 硬件电路功能分析硬件电路主要是A/D转换模块、驱动电路模块、存储器模块以及显示模块。其中A/D转换电路用于纱线张力测量模块中，主要功能是将电阻应变片式张力传感器和电桥输出的模拟电压转化成数字信号，输入单片机。驱动电路用于纱线张力调节模块中，主要是驱动直流电机，实现纱线张力的调节14。人机交互包括两大部分：键盘输入和液晶显示。由于单片机片内RAM掉电后数据丢失，所以需要扩展一片E2PROM，来永久保存张力设定值、张力标定值和张力测量值等数据。4.2 A/D转换接口本系统纱线测量模块使用线性霍尔传感器KW3503，电压的输出范围在，实际需要的分辨电压为0.1V。ADC数字编码的位数越多，其分辨率越高，但成本也越高。综合考虑本系统的实际需求、系统扩展、性能指标及成本因素，本系统最终采用NS公司出品的ADC0809作为AD转换器件。ADC0809对于本系统具有较高的性价比，它是逐次比较8位8通道A/D转化器，其硬件地址设计如表1所示：表1 地址码与输入通道的对应关系表地址码对应的输入通道系统地址ADD CADD BADD A000IN 04000H001IN 14100H010IN 24200H011IN 34300H100IN 44400H101IN 54500H110IN 64600H111IN 74700H4.3 ADC0809与单片机接口设计ADC0809与8051单片机的硬件接口有三种方式：查询方式、中断方式和等待延时方式。本系统ADC0809与单片机SST 89E564RD的接口选择查询方式，接口电路如图61所示。由于ADC0809片内无时钟，可利用单片机提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器74LS74二分频后获得，ALE引脚的频率是8051单片机的时钟频率的16。单片机的晶振频率采用12MHz，则ALE引脚的输出频率为2MHz，再二分频后为1MHz，符合ADC0809对时钟频率的要求。地址译码引脚A、B、C分别与地址总线的高8位A8、A9、A10相连，以选通IN 0IN 7中的一个通道。将P26(单片机地址总线次高位A14)作为片选信号，因此通道IN 0的系统地址为4000H，依次类推，通道IN 7的地址为4700H。在启动AD转换时，由单片机的写信号WR和P27控制ADC的地址锁存和转换启动。如图61所示，ALE和START连在一起，因此，ADC0809在锁存通道地址的同时也启动转换。在读取结果时，用单片机的读信号RD和P27引脚经或非门后，产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。转换结束后，EOC输出高电平，经非门反向后，产生的负脉冲送至P33引脚供单片机查询1。 图4-1 ADC0809与单片机接口电路图4.4 直流电机驱动电路4.4.1 驱动电路的选型单片机输出的PWM波形，电压范围为，不能够直接驱动直流电机（本系统采用的直流电机额定电压为+12V），因此还需要相应的驱动电路。 采用集成驱动电路是最佳方案。集成驱动电路的种类很多，如LG9110，LMDl8200。L293、L298，TA7267等等15。根据本系统的要求，直流电机的工作电流较大，且需要长时间不间断的工作。综合考虑性能指标和价格因素，本系统的直流电机选用ST公司的L298N作为集成驱动电路。L298N是ST公司的产品，驱动电流可达到2A，抗干扰性很强。其内部集成了2个H桥以及桥臂上开关管的推动电路、防止桥臂直通的控制逻辑电路。L298芯片内有两个相同的模块，可以控制两个直流电机，使用两路PWM信号对其施加调速控制。每个模块有3个控制输入端：一个使能端和两个方向控制端。3个输入端的控制电平与电机转动状态的关系如表2所示。其中H表示高电平，L表示低电平，x表示高电平或低电平。INl、IN2共同控制一电机，IN3、IN4共同控制一电机。表2 L298N的功能表 ENA（B）IN1（IN3）IN2（IN4）功能HHL正转LH反转=IN2（IN4)=IN1(IN3）快速停止LXX停止 4.4.2 驱动电路接口设计 L298N 驱动直流电机的应用原理如图4-2所示： 图4-2驱动电机电路根据L298N的应用原理，本系统中直流电机的驱动电路接口电路如图53所示。器件UI为L298N，其INl(引脚5)接单片机的引脚P17(CEX4)，即单片机PWM波形的输出端口。因为本直流电机只有一个转动方向，所以L298N的IN2(引脚7)直接连到高电平。器件U2A为比较器LM393，主要作用限制过流和保护L298的作用。LM393的同相端(引脚3)直接连到了一个可变电位计R4上，电位计的参考电压是可调的，调节电位计的参考电压能调节L298的限流电压。LM393的反相端(引脚2)接到L298的SENA检测端1。 图4-3 直流电机驱动电路4.5 人机接口（显示器、按键） 图4-4显示及按键电路图图4-4(a)为显示电路原理图及相应的显示器实物，在本设计中使用LCD1602 做为显示设备，图4-4(b)为按键电路原理图。 1602C 型字符型液晶显示屏是一种专门用于显示数字、字母、符号等的点阵式的LCD， 目前常用16*1，16*2，20*2 和40*2 行等模块。在本次设计中使用16*2 型号，外形如图4-4(a)所示，具体引脚及功能如表3 所示：表3 LCD1602接口功能 脚号符号引脚功能脚号符号引脚功能1GND电源地9D22VDD电源正10D33V0显示偏压信号11D44RS数据/命令控制,H/L12D55R/W读/写控制，H/L13D66E使能14D7数据I/O7D0数据I/O15BL1背光电源正8D116BL2背光电源负1602 字符发生存储器（CGROM)里存储了160 个点阵字符图形，这些字符图形已经满足本次课题设计中的使用要求，显示屏上主要显示的内容有温度，转速，压力等，而这些字符及图形都能在字符发生存储器（CGROM)里找到3。 5.总体结构及外形设计由于纱线张力控制器在纺织设备上是作为一个附加设备而存在的，故在完成既定功能的同时也要对设计进行更紧凑的处理，这样才能更好提高空间利用率，也利于附加设备的安装，通过对导纱轮尺寸的初步计算，导纱轮的直径确定在55mm，另外对参考无刷电机尺寸，电路控制板尺寸以及液晶显示屏尺寸总体结构及外形如图所示，设备总体长度设计为260mm，宽度是90mm。 图5-1 纱线张力控制器外形结构6 软件设计软件是在硬件的基础上实现的。上面已经确定了纱线张力控制系统的硬件电路，现在来设计软件及调试。软件部分分为：算法、电机驱动程序、A/D转换。6.1遗传算法PID的实现算法步骤如下：（1）先确定染色体里各子串的长度、群体的规模大小以及交叉的概率、变异的概率等； （2）产生初始的种群；（3）对每一个个体的适应度值进行计算；（4）通过适应度值的检查来判别是否要重新生成新的个体，如果不需要就可以直接进入下一步，如果需要产生新的个体，则先会把最优的个体保存起来，然后把剩下的个体重新进行生成，对重新生成的个体进行适应度值的计算，然后执行第五步；（5）保存最优的个体，其余个体则用赌轮法选择将配对的个体；（6）配对个体选出后进行两点交叉；（7）计算新一代的群体个体适应度值；（8）检查是否满足了终结的条件，如果满足则程序结束，找出最优解；如果不满足则跳到第四步继续进行运算2。 遗传算法PID整定由12个函数组成，它们分别是：函数名：void inherit（void） /遗传算法PID参数 调用函数： Found（unsigned int*colony,unsigned int*health) /计算初始群体适应值，并找出最小值 Evaluation_unit(unsigned int unit） /评估个体适应值 Roulette（unsigned int*health,unsigned int health_sum) /赌盘轮转 Variation(unsigned int baby) /对基因进行变异 Evaluating(unsigned int*health,unsigned*mini_p)/取得最小适应值的个体id函数名：unsigned int evaluating_unit(unsigned int unit)/评估个体适应值调用函数：unsigned int ad(void) / A/D采集 unsigned int filter_8pj(unsigned int temp) /滤波 unsigned int filter_yj(unsigned int new_data) /滤波 void redressal(unsigned int k_dip); /对基因进行解码 int pid(int nonce,int aim); /增量PID调整 void output(unsigned char pwm); /系统输出 函数名:unsigned int found(unsigned int *colony,unsigned int *health) /计算初始群体适应值，并找出最小值 调用函数： unsigned char evaluating(unsigned int *health) /评估个体适应 函数名:unsigned char roulette(unsigned int *health,unsigned int health_sum) /轮盘赌转 调用函数： rand() /产生0 1的随机值 函数名:unsigned char evaluating(unsigned int *health) /取得最小适应值的个体id函数名:unsigned int variation(unsigned int baby) /对基因进行变异 函数名:unsigned int ad(void) /A/D采集函数 函数名:filter_8pj() /8位递推平均值滤波 函数名:filter_yj() /一阶软件滤波 函数名:void redressal(unsigned int k_dip) /PID参数解码 函数名:int pid(unsigned char ek) /增量式PID控制 公式：uk=kp(ek-ek_1+ki*ek+kd(ek-2ek_1+ek_2) 函数名：void output(unsigned char DAC) /生成DAC电压控制量 6.2 电机驱动程序本系统采用PWM方式驱动张力调节模块中的直流电动机。单片机硬件产生PWM波形，通过驱动电路，对直流电机进行调速控制。功能框图如图6-1所示： PWM驱动电流驱动芯片L298N单片机直流电机 图6-1 直流电机驱动程序功能框图单片机产生PWM波形的基本方法有两种：软件实现和硬件实现。本系统采用的方法是硬件产生PWM波形，利用SST 89E564RD单片机自身具有的PCA(Programmable CounterArray)功能，可以硬件实现8位PWM输出，使得单片机软件干预更少，更易于信号生成和处理。PCA为可编程计数器阵列，它提供了一个16位定时/计数器和5个捕捉/比较模块。每个捕捉，比较模块有独立的I/O口。各捕捉比较模块可独立工作在以下6种模式：边缘触发捕捉、软件定时、高速输出、频率输出、8位PWM脉宽调制。PCA的脉宽调制输出无法随意改变其波形的频率，对于8位而言，其波形频率为PCA时钟频率的256分频。当PCA的16位时钟计数器低8位CL与CCAPnL相等时，CEXn引脚为高电平，并持续到CCAPnL溢出时(即从OxFF变为Ox00)。CL溢出时，CEXn引脚变为低电平，并将CCAPnH值自动载入CCAPnL1。8位PWM占空比（高电平持续时间与周期之比）公式：（6-1）根据上式可得：（6-2）单片机硬件产生PWM初始化代码如下：/PWM输出口CEX4(P1，7)/PCA初始化void pca_initO CMOD=0x00； /1112 F_clock；ECF=0不允许PCA溢出中断 CCAPM4=0x42； ，腧出口CEX4为8位PWM输出模式 CCON=0x40； /启动PCA计数器执行下面的代码就可启动硬件产生PWM：CCAP4H=pwm_value； /pwrn_value为8位PWM的数值 /CCAPnH值自动载入CCAPnL /注*占空比与CCAP4H成反比关系*6.3 A/D转换程序本系统中ADC0809与单片机接口方式为查询方式，接口电路详见第六章硬件电路设计。由接口电路图分析可知，ADC0809的系统地址为0x4000，在软件编写中，应令A15=l；A8、A9、A10给出被选择的模拟通道地址；执行一条写命令，启动AD转换：然后循环查询EOC状态。一直等到EOC为低电平时，AD转换结束，读取相应的结果，A，D转换程序流程图如图6-2所示: 开始通道、数据区地址初始化启动ADC0809NEOC=0Y读取并存储A/D转换结果结束图6-2 ADC0809查询方式流程图7 总结与结论7.1 研究结论纱线张力对于纺织产品的质量和生产率很关键，但要解决这个问题，存在许多的难点，这里的因素有很多，包括：传感器的要求过高，放线速度过快对电机要求高，更重要的是控制器的成本高，难以大规模应用，只能用在比较重要和精密的场合。主要结论如下： （1)由于纱线张力受到很多因素的影响，无法建立一个精确的数学模型，因此简单的PID反馈控制难以达到要求，所以引入了遗传算法来对PID控制器的参数进行自整定。 （2）通过比较多种张力测量方法，选择了设计结构简单、成本低、精度较好的半导体应变传感器测量方法。 （3）通过分析了多种张力调节方案，本着纱线摩擦损耗最小的原则，选择了锭盘张力调节装置，即旋转式张力调节方法；同时选择了直流无刷电机作为驱动元件。 （4）优化了纱线张力控制器的空间布局，完成了总体结构及外形设计。 （5）完成了各个功能模块的硬件电路设计，原理图绘制。 （6）完成了各个部分功能的软件设计。7.2 工作展望由于时间和精力所限，只完成了纱线恒力控制器的硬件和软件设计，需进一步完善对硬件和软件的调试、测试和实验工作。也无法保证系统运行的稳定性和可靠性。因此还有很多需要进一步改进和完善的必要，例如：稳定性、反应灵敏度、调节方案等。参考国外的先进纱线张力控制器可知，还可以实现系统对于环境变化做出快速反应，实现参数的自适应，同时对机器运行状况进行实时监控，反馈回控制中心，以实现监控、检测、控制、集中管理的智能化控制系统；除此之外，也可以实现不同的纺织设备的通信，实现动态数据交换，根据不同的情况设置相应的参数，以实现效益的最优化。参考文献1陈永刚.嵌入式纱线张力控制系统研究D.苏州大学，2006年2Vivek Prasad Shankam Narayana, A Novel Method for Dynamic Yarn Tension Measurement and Control in Direct Cabling ProcessD.United States:North Carolina State University,in December 20053符海辉.基于DSP的纱线张力控制系统的研究D.哈尔滨理工大学，2013年4Qin Weigan