系统仿真技术基于免疫反馈算法的缝纫设备振动控制研究林君焕1，陈月芬2，张国庆（ 1.台州职业技术学院机电学院，浙江台州000 2.台州学院物理与电子工程学院，浙江台州000）的执行机构采用超磁致执行器，能满足振动控制精度和频响的要求。在完成系统的总体设计后，研究了超磁致伸缩执行器工作原理以及缝纫设备机身的振动特性，并分别对他们进行建模。设计了一种基于人工免疫原理的免疫反馈控制器，采用MATLAB环境中的Simulink工具对控制系统进行建模仿真，并在工业缝纫机上进行了现场实验测试，结果证明该系统能很好地抑制缝纫时引起的机身振动。

　　1引言缝纫设备在缝纫时的动态运动状态如臂传动轴旋转、针杆的垂直往复运动等机构传动不可避免地引起机身的振动。振动的干扰极大地损害了缝纫设备的缝纫性能，影响布料的针迹、平整度等加工指标。本文提出了一种基于超磁致系统仿真技术执行器和免疫反馈控制器的缝纫设备主动振动控制系统。该系统结构设计以执行器作为支柱，设置在缝纫设备与基面之间。检测振动位移信号作为控制系统输入，通过免疫反馈控制算法对输入信号进行计算处理后，输出适当控制量经功率放大驱动超磁致伸缩执行器产生相应的输出力作用于缝纫设备底座以抵消机身的振动。通过MATLAB仿真和现场试验，证明了该系统对缝纫设备的振动具有较好的抑制效果，提高了缝纫机的缝纫性能。

　　2系统总体设计缝纫设备主动振动控制系统主要由缝纫设备底座、超磁致伸缩驱动器、测振传感器、电荷放大器、数据多功能采集卡、工控机（ PC机）、功率放大器以及工业缝纫机等组成。主动振动控制系统组成如图1所示。该振动控制系统的工作流程是：缝纫设备工作时，其主电机运转带动各种机构运动引起自身的振动，带动底座的振动。位移传感器测得底座上的振动位移信号，经过放大环节和低通环节后送入控制系统。控制系统通过PCI7483多功能数据采集卡等对传感器输出的模拟量进行A/D转换为数字量，然后加入免疫反馈控制算法，经算法处理的信号再经过D/A转换为控制电流信号作为输出，经功率放大器放大，控制超磁致伸缩驱动器产生相应的驱动力作用于缝纫设备底座来抑制机身的振动，从而达到抑制振动的目的。

　　3系统建模3.1超磁致执行器建模超磁致伸缩材料在受压力状态下应变明显提高，且其抗压强度较大，所以使用时应对它施加合适的预压力。超磁致伸缩执行器的力学模型图如图2所示分别为激励线圈的匝数和长度 U，I为输入电压和电流，GMM棒在长度方向上由分离元件弹簧、阻尼器、质量组成，设分别为GMM棒的长度、半径、横截面积、质量密度和内部阻尼系数 K分别为GMM棒的等效刚度系数、等效阻尼系数和等效质量。考虑到施压连接刚度，负载是一个质量－弹簧－阻尼型负载，设K分别为负载（包括弹簧、顶杆和质量负载）等效刚度系数、阻尼系数和质量。根据压磁方程和力学定律可得式中： H为磁场强度 S为磁场为常数时的柔顺系数 d为压磁系数。

　　为便于后续整个控制模型的动力学分析可将式（ 1）的执行器驱动电流I与输出位移x关系模型转换为驱动电流I与输出力F的关系模型并作拉普拉斯变换，可得s为复变量。

　　3.2缝纫设备机身振动分析与模型建立根据缝纫设备机身振动特性，可以将其振动抽象为一种典型的弹簧质量阻尼系统的运动［3－4］。其动力学模型图如图2所示。传感器A林君焕，等：基于免疫反馈算法的缝纫设备振动控制研究测得缝纫设备M（质量为m）的位移x，其信号由控制器C进行放大和变换，产生功率较大的控制信号输入到驱动器E中，使驱动器产生控制力f以抵消机身的振动。

　　针对缝纫设备机身M进行动态力学分析知，M受外力作用时将以质量弹簧阻尼形式运动，此处M的外力作用来自执行器输出力f和缝纫设备机身振动作用力f共同作用于机身之合力。由动力学原理得：式中： m为机身质量 c为机身的等效阻尼系数 k为式等效刚度系数。

　　将式（ 3）进行拉氏变换，得到式（ 4）4基于人工免疫模型的控制器设计在生物的免疫系统中，存在T细胞和B细胞。B细胞能分泌出抗体来跟外部入侵的抗原结合，实现消除抗原。T细胞可分为抑制T细胞、辅助T细胞，在免疫应答过程中能促进和抑制B细胞的增殖和分化，对免疫调节起着重要的作用。人工免疫反馈控制就是通过基于免疫系统T细胞调节机理的免疫应答来实现的。T细胞的整个调节过程为：免疫应答初期，抗原浓度大，抗体浓度小时，T起主要作用，应答过程将受到促进免疫应答后期，抗原浓度小而抗体浓度大时，T起主要作用，应答过程将受到抑制，以保证免疫系统的稳定性。抗原浓度和抗体浓度都小时，达到免疫稳定阶段，免疫应答结束［5］。T细胞的调节过程也可以由表1所示免疫应答过程抗原浓度抗体浓度T细胞作用抗原入侵大极小免疫初期大小促进免疫后期小大抑制免疫末期极小小按照T细胞在免疫应答过程中的调节机理，可得免疫应答模型：式中： Ab（ k）表示免疫系统第k代的抗体 Ag（ k）表示免疫系统第k代的抗原 K表示T细胞的免疫应答促进效果 K表示T细胞的免疫应答抑制）表示第d代前抗体与第d代前抗体浓度差，且d免疫应答工作机制与反馈控制系统模型有着诸多共性，可将免疫系统的免疫应答模型转化为控制系统领域的控制器模型，转化过程如表2所示。

　　免疫系统振动控制系统（抗原、抗体）繁殖的第k代控制系统的第k个采样时刻第k代的抗原浓度第k个采样时刻设置值与输出量偏差e（ k）第k代的抗体浓度第k个采样时刻的控制器输出u（ k）在免疫系统中由于抗原浓度不会出现负值，系统仿真技术因此免疫反馈算法只是抗原浓度大于零时的模型。而实际控制系统中偏差存在负值，需要对反馈算法作一定的变形即将偏差e（ k）正负因素考虑在内，另外也考虑到积分器在消除稳态误差方面的优越表现，提出一种综合了积分器的新型免疫反馈控制器，表示如下：5系统仿真与试验5.1缝纫设备主动振动控制系统仿真具建立缝纫设备主动振动控制系统Simulink仿真模型，如图3所示。

　　图中： y为目标位置，d为滞后时间 Gain为比例增益 integrator为积分器 Subtract为减法运为执行器 interference为振动源信号 object为控制对象。

　　由执行器和文献［8］可以确定振动控制系统模型中各参数： N =1 000，A则执行器模型和刀架模型中的各参数计算可得Hz，f=120 Hz下的振动控制系统仿真结果。图中表明了控制前后缝纫机振动控制对比效果，振动幅度分别降低了80，90，66.7.仿真结果证明所设计的缝纫设备主动振动控制系统具有很好的鲁棒稳定性、抗干扰能力和时域性能，可在较宽频率范围内抑制由干扰所引起缝纫设备的振动，振动控制效果明显控制效果在频率100 Hz左右*佳。

　　5.2缝纫设备主动振动控制系统试验与分析以工业缝纫机作为振动控制试验对象，针对不同转速产生的缝纫机振动，采用所设计的控制系统实现工业缝纫机的主动振动控制。以工业控制计算机为控制核心，采用VB语言与MATLAB程序结合编写其测控软件。目前工业缝纫机*高转速可达6 000 r/min以上，缝纫时正常转速在3 000 r/min左右。振动控制试验时，设林君焕，等：基于免疫反馈算法的缝纫设备振动控制研究定缝纫机主电机转速分别为3 000 r/min （ 50 Hz）。根据采样定理，测控系统采样频率应大于100 Hz.现将系统采样频率扩大10倍，为1 000 Hz，这样相对于振动频率来说，系统采样频率能满足缝纫机主动振动控制的实时性要求，从而实现缝纫机的振动控制。

　　本系统对于缝纫机振动的控制效果如图7所示。可以看出转速在3 000 r/min时，对缝纫机振动进行主动振动控制后，振动幅度从原来的40μm减少为大约20μm，系统的振动幅度衰减率约为50，达到了满意的控制效果。

　　6结语本文采用超磁致执行器作为执行元件，以免系统仿真技术疫反馈控制算法为控制器，设计了一种基于超磁致执行器和免疫反馈控制器的缝纫设备振动主动控制系统，对缝纫设备机身振动进行控制，并将振动位移作为控制指标对振动控制性能进行了仿真和现场实验研究，获得了良好的振动控制效果。

　　［3］莫凡芒，孙庆鸿。精密机床半主动隔振系统多目标优［5］张毅，杨秀霞。基于遗传算法的模糊免疫控制器设计［6］谈英姿，沈炯，吕震中。免疫PID控制器在气温控制系统中的应用研究［J］。中国电机工程学报，2002，22［7］李国平，陈子辰。超磁致伸缩驱动器输出特性的实验林君焕男（ 1982－），浙江温岭人，讲师，硕士，主要研究方向为振动控制，信号处理。

　　陈月芬女（ 1981－），浙江黄岩人，讲师，硕士，主要研究方向为智能算法，信号处理。