(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111320769.8 (22)申请日 2021.11.09 (71)申请人 河北工业大 学 地址 300130 天津市红桥区丁字沽光 荣道8 号河北工业大 学东院330# 申请人 江苏科瑞德智控自动化科技有限公 司 (72)发明人 肖艳军　王晓亮　韩芙蓉　刘萍　 刘伟玲　 (74)专利代理 机构 天津翰林知识产权代理事务 所(普通合伙) 12210 代理人 付长杰 (51)Int.Cl. G01L 1/22(2006.01) G06F 30/17(2020.01)G06F 30/20(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种剑杆织机专用的张力检测系统及控制 策略 (57)摘要 本发明为一种剑杆织机专用的张力检测系 统及控制策略， 包括张力感知模块、 张力信息处 理与传输模块、 供电电源模块、 张力变换与温度 采集模块， 张力感知模块包括弹性体， 弹性体的 材料屈服强度不小于900MPa， 弹性体分为上下两 个机械部件， 下部机械部件的尾端通过螺栓及连 接件固定在织机的固定后梁上， 上下两个机械部 件交界位置设置有将张力辊卡合住的开孔， 张力 辊卡在该开孔位置并通过螺栓固定； 弹性体的形 变范围集中在中间区域， 在形变范围集中的弹性 体的正反面中间区域均开设盲孔， 盲孔内黏贴应 变片。 针对剑杆织机的机械结构和 张力检测、 控 制原理进行研究， 实现对剑杆织机张力信息的高 精度、 宽量程和强抗干扰性检测， 实现对织机经 纱张力的稳定控制。 权利要求书3页 说明书13页 附图8页 CN 114034417 A 2022.02.11 CN 114034417 A 1.一种剑杆织机专用的张力 检测系统， 包括张力感知模块、 张力信 息处理与传输模块、 供电电源模块， 所述张力感知模块包括 弹性体、 应变片及 全桥、 调零电路， 其特征在于： 该张 力检测系统还包括张力变换与温度采集模块， 张力变换与温度采集模块、 张力信息处理与 传输模块、 供电 电源模块均集成在一 块电路板上； 所述弹性体的材料屈服强度不小于900MPa， 弹性体整体采用分体式结构， 分为上下两 个机械部件， 并且分别设置螺栓孔， 下部机械部件的尾端通过螺栓及连接件固定在织机的 固定后梁上， 下部机械部件的头端和上部机械部件为卡式结构， 上下两个机械部件交界位 置设置有将张力辊卡 合住的开 孔， 张力辊卡在该开 孔位置并通过螺 栓固定； 剑杆织机中当张力辊对弹性体进行力的作用时， 弹性体的形变范围集中在中间区域， 在形变范围集中的弹性体的正反面中间区域均开设盲孔， 在正和/或反面的盲孔内黏贴应 变片； 上述张力变换与温度采集模块， 包括抗混叠滤波电路、 A/D转换模块、 环境温度检测模 块， 抗混叠滤波电路和A/D转换模块共同构成张力变换电路， 张力信号经过抗混叠滤波电路 进行滤波处理， 然后将信号输入到A/D转换模块进行A/D转换； 环境温度检测电路用于检测 环境温度； 上述张力信 息处理与传输模块， 包括信 息运算与处理核心、 通讯模块和存储扩展模块， 信息运算与处理核心获取A/D转换后的张力信息和环境温度信息， 信息运算与处理核心中 设置滤波算法和数据拟合模块， 得到准确张力数字量。 2.根据权利要求1所述的张力检测系统， 其特征在于， 所述滤波算法为采取中值滤波与 限幅滤波相融合的滤波方式， 能够对频率在0.01Hz以下的信号进行滤波操作， 中值滤波的 具体实现过程为： 首先对某个参数进行N次的连续采样， N通常情况下选取奇数， 然后把这N 次采样的数值结果根据从小到大 的顺序进行排列， 再选择中间值作本次采样的最终值， 经 过中值滤波后， 采样值的波动范围明显减小， 超过一半数据的波动幅度减少超过50％； 限幅 滤波运用限幅原理， 限幅滤波的数据源为中值滤波后的数据， 对输入信号进行判断， 将超过 预设门限值的全部瞬时值消减到 接近先前设置的门限值， 设置门限值 为150。 3.根据权利要求1所述的张力检测系统， 其特征在于， 所述数据拟合模块使用遗传算法 与BP神经网络融合实现数据拟合， BP神经网络架构选择采取三层结构设计， 两个输入、 一个 输出， 其中两个输入分别为在相同温度下 的张力的实际采样值和理论采样值， 即张力的实 际采样值与理论采样值构成的数据集， BP神经网络的激活函数选择RELU函数， 去除整个神 经网络输出的线性化， 使 得整个神经网络模 型呈非线性化， 使用trainlm函数作为输入节 点 的训练函数， 输出层传递函数使用purelin函数， 隐含层传递函数使用tansig函数， 根据BP 神经网络输入层、 输出层和隐含层神经元数量， 确定权值和阈值个数， 进而确定遗传算法种 群的编码长度， 通过遗传算法优化BP神经网络的初始权值和阈值， 得到的最优个体对应BP 神经网络的初始权值和阈值赋值， 再通过训练获得在特定环 境温度下采用遗传算法与BP神 经网络融合拟合后的曲线， 该曲线综合了环境温度 因素和实际采样值、 理论采样值的内在 联系， 表现出线性的形式， 拟合 误差不大于 0.0105％。 4.根据权利要求1所述的张力检测系统， 其特征在于， 该张力 检测系统的检测精度达到 0.01％～0.15％FS， 且拥有0～800kg的宽量程； 所述弹性体的下部机械部件的尺 寸大小为， 长16.5cm、 宽3cm、 高6cm， 其中固定张力辊的孔洞应设置为直径3.5cm的圆孔， 弹性体采用权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114034417 A 242CrMo材 料制成。 5.根据权利要求1所述的张力检测系统， 其特征在于， 张力检测系统的最大量程为 800kg,盲孔区域的应变为0.5～0.6mm/m， 应变片型号为BF350 ‑3AA， 电桥电路为直流电桥， 采用全桥电路的接法， 全桥电路为四个桥臂全部使用相同的应变片， 四个应变片均安装在 一侧的盲孔内， 采用电位器和电阻相结合的方式， 对电路进 行分压， 达到调节电桥桥臂电阻 平衡的效果， 实现全桥电路调零。 6.根据权利要求1所述的张力检测系统， 其特征在于， 张力变换与温度采集模块对 张力 感知过程中混入的噪声， 采用标准双路运算放大器LM358B搭建抗混叠滤波电路完成硬件的 抗干扰功能， 利用AD7730芯片模块及其外围电路组成模数转换模块， 实现模拟电压信号到 数字离散信号的转换， 并且选用DS18B20数组温度传感器实现检测系统对于环境温度的检 测， 使用BP神经网络来抵消温度对于电桥电路输出电压的影响， 保证测量的精度， 实现温度 补偿； 张力信息处理与传输模块采用STM32单片机作为运算处理核心， 并配备CAN通讯接口实 现与织机主控系统的传输， 利用AT24C512芯片实现张力重要信息的掉电保存功能， 防止重 要数据丢失， 实现数据复盘； 供电电源模块作为独立的模块对其它3个模块进行供电， 织机主控系统电路板的24V电 源作为输入， 通过电源转换电路， 转 化为5V和3.3V两种电压标准。 7.一种剑杆织机专用的张力控制策略， 其特在于， 以模糊PID与传统PID控制结合方式 对剑杆织机的经纱张力进 行控制， 构建基于模糊PID的经纱张力闭环控制系统， 实现对经纱 张力的稳定控制， 张力控制策略以建立织机经纱张力数学模型为基础， 选定以送经轴为控制对象， 定区 间采集张力， 同时 以PID控制为框架， 结合模糊理论对输出张力进行控制， 能够根据所设定 的模糊规则自动调整控制参数， 实现了对织机张力的稳定控制。 8.根据权利要求7所述的剑杆织机专用的张力控制策略， 其特在于， 所述织机经纱张力 数学模型为： 其中， Ft为经纱所受的总张力， n为绕过张力辊的纱线根数， A0为单根纱线横截面积， E为 纱线的弹性模量， L0为送经轴A与纱线切点和摩擦辊B与织物切点之间的纱线 长度，△L0为张 力初始化设定后纱线形变 量，△L’为纱线两端速度差造成的形变 量， vA和vB分别为两切点 上 的线速度； 保证线速度差vB‑vA恒定且趋近于0， 能保证经纱的张力恒 定且误差保持在一定范围内， 即只需调整送经轴和卷 取轴转速即能达 到控制张力稳定的目的。 9.根据权利要求7所述的剑杆织机专用的张力控制策略， 其特在于， 定区间采集张力的 过程是： 对张力的采集过程中的开口、 打纬和引纬动作对采集效果的影响进行了 分析， 取每 个周期内的45 °～55°的10°范围作为经纱张力采样的角度区间。 10.根据权利要求7所述的剑杆织机专用的张力控制策略， 其特在于， 通过运用ANSYS   Workbench软件对弹性体结构进行有限元分析， 使得弹性体的受力满足剑杆织机张力检测 的原理， 确定弹性体应力分布的集中区域， 设置盲孔位置及形状， 安装应变片， 确定张力感权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114034417 A 3