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特寬幅織機控制系統
  摘 要:本文介紹特寬幅織機計算機控制系統的分析與設計方法。主要介紹經軸退繞過程數學模型、送經伺服控制系統、張力控制系統、卷取控制系統以及送經-卷取同步控制系統?;跀祵W模型,完成了控制系統組態。在控制算法方面,除了常規的張力閉環和速度閉環控制外,還應用了自整定、信號自適應、變增益以及多模態等先進控制策略??棛C已投入生產使用,用戶取得了良好的經濟效益和社會效益。

  關鍵詞 :特寬幅織機 退繞過程數學模型 自整定 信號自適應 變增益 多模態控制

  1.引 言

 ?。?) 應用行業

    產業用織物包括機織土工布、工業用呢和工業用網。這類織機具有特寬幅、超重型的特點,一般幅寬在4至18米之間,最寬可達30米。國外只有少數幾家公司能夠生產特寬幅織機。因此,研究特寬幅織機控制系統具有重要意義。研制的控制系統也適用于通用織機。

  (2)使用的產品

    特寬幅織機控制系統如圖1所示。使用歐姆龍公司中大型——CS1系列PLC,包括PA209R(電源單元)、CS1H-CPU65H(CPU單元)、CP114(凸輪定位器單元)、CT041(高速計數器單元)、AD081-V1(模擬量輸入單元)、DA08V(模擬量輸出
單元)、ID231(DC輸入單元)、OD231(晶體管輸出單元)、OC211(繼電器輸出單元)、INT01(中斷輸入單元)、ENT21(Ethernet單元)、CPU底板以及擴展底板等。

  2.應用的主要工藝點及要解決的主要問題

    特寬幅織機控制系統框圖如圖1所示。系統由送經伺服控制系統、 卷取控制系統、送經與卷取同步控制系統、織機啟動/制動控制系統、測長及定長控制系統、液壓投梭控制系統、引緯控制系統、單動多臂機構控制系統及自動潤滑系統等組成。主要工藝點是特寬幅織機五大運動的協調運行和最佳匹配。織機在織造過程中,對張力(包括經紗張力、織物張力、緯紗張力等)、速度(包括送經速度、卷取速度、提綜速度、打梭棒打梭速度、引緯速度等)和各執行機構開始動作與結束動作的時間配合等要求很嚴格,若控制不當或彼此之間配合不好,將會影響產品的質量和生產效率,甚至會發生嚴重的生產事故,影響人身安全。

    要解決的主要問題是實現各個部分在動態過程中的高精度協調運行,保證經紗張力、緯紗張力及織物張力符合工藝規定的數值。



  3.應用方案簡介

    織機的控制系統包括10個控制子系統:

    (1) 送經控制系統;

    (2) 卷取控制系統;

    (3) 送經與卷取同步控制系統;

    (4) 織機的啟動控制系統(包括正常啟動、點動、投一梭、前心、后心、上軸);

    (5) 織機的制動控制系統(包括正常關車、斷經自停、斷緯自停、滿匹停車、護經檢測自停、緊急制動);

    (6)測長及定長控制系統;

    (7)液壓投梭控制系統;

    (8) 引緯控制系統;

    (9) 單動多臂機構計算機控制系統;

    (10)自動潤滑系統。

    計算機控制系統由IPC610H型工控機、CS1型可編程控制器(PLC)、SR93型智能調節器及觸摸屏等組成??棛C的運動控制、順序控制和邏輯控制任務由CS1型可編程控制器來完成;溫度和壓力控制任務由SR93型智能調節器來完成。采用PWS6800C-P型觸摸屏,用于工藝參數設定、變量數值顯示、織機的開車、停車以及報警等。

  4.應用方案詳細介紹

  4.1 送經伺服控制系統(電子送經:ELO)

  (1) 送經伺服控制系統組成

    送經伺服控制系統由經軸、減速器1、伺服電機1、伺服驅動器1、導輥、后梁、經紗張力檢測、編碼器、可編程控制器、工控機以及觸摸屏等組成。其作用是:織機每引一緯,經軸送出定量的經紗,并給經紗以一定的張力,以滿足開清梭口、打緊緯紗的要求,獲得一定緊度和結構的織物。

  (2) 經軸退繞過程數學模型

    為了有效地對經軸退繞過程進行控制,首先要建立退繞過程的數學模型。

    經軸上經紗的轉動慣量Jb為:



    轉矩平衡方程式為:





    以上,式(1)~(13)描述了經軸退繞過程的動力學特征,為非線性、時變數學模型。

  (3) 經軸退繞伺服控制系統

    針對退繞過程的數學模型來設計退繞伺服控制系統。控制策略包括經紗張力閉環控制、變增益(增益調度)、變積分時間常數控制、信號自適應控制和多模態控制。

  張力閉環控制

    根據式(10)、式(11)和式(13),經軸半徑r1在退繞過程中是逐漸減小的,如果經軸角速度不變,則線速度V1也逐漸減小,導致每織一緯的送經量逐漸減少,造成經紗張力F逐漸增大,這是不允許的。為了使經紗張力穩定在設定值上,首先實現基礎控制即張力閉環控制。

  變增益、變積分時間常數控制

    根據誤差的大小自動改變增益值和積分時間常數,達到響應快、抑制超調和無穩態誤差的目的,這就是智能控制的思路。由PLC實現變增益、變時間常數控制。為實現這種控制,在控制程序中應用BCMP(68)指令,將誤差劃分為16級,即16個范圍,當誤差落在某個范圍內時,相應的位變為ON,則調出相應的增益值和積分時間常數。共有16個增益和16個積分時間常數可供自動調用,根據誤差大小自動改變控制器的參數,從而穩定了經紗張力。

   信號自適應控制

    根據經軸的實際半徑,即每當經軸退繞一層紗線,控制器就自動地改變控制輸出,通過傳動鏈使送經量保持在設定值上,這就是信號自適應控制。經軸半徑信息由式(10)求得,退繞層數n1由編碼器PG1的脈沖數經計算得到。在張力閉環控制的基礎上,采用變增益、變積分時間常數和信號自適應控制,有效地減輕了張力閉環控制的負擔,改善了系統的動態性能,穩定了經紗張力。

  4.2 卷取伺服控制系統(電子卷取:ETU)

    卷取伺服控制系統由工控機、PLC、觸摸屏、伺服驅動器2、伺服電機2、減速機2卷取輥、導輥、胸梁、張力傳感器2以及編碼器等組成,其任務是與主機旋轉保持同步,變緯密自適應,卷取輥應提供足夠的握持力,保證穩定地傳送織物。

  4.3 送經與卷取同步控制

    送經與卷取同步控制裝置的作用是在織機運轉過程中,保持最精確的緯密和恒定的經紗張力,也就是保證送經與卷取完全同步,并且與織機的主傳動系統同步。

    PLC讀取經紗張力傳感器信號、送經量編碼器PG2信號、織物緯密傳感器信號、織物張力傳感器信號、主軸編碼器PG3信號和卷取量編碼器PG4信號,根據式(13),協調送經、開口和卷取伺服系統,保證經紗張力恒定和緯密精確,并防止停車檔產生。

  4.4 伺服系統的自整定

    (1) 常規自動增益整定(nominal gain auto-tuning)

    按照預設定(內部設定)的模式使電機加速和減速,可從所需轉矩計算負載的慣量,然后根據慣量自動地決定適當的增益。

    (2) 實時自動增益整定(real time gain auto-tuning)

    在實際運行期間,實時地計算當時的負載慣量,自動地確定適當的增益,并根據負載的起伏及時地整定增益。在整定前要選擇機械剛性。還要根據負載情況選擇實時自動整定模式,分為負載慣量幾乎不變化、負載慣量變化小和負載慣量變化快三種。實踐證明,增益自整定顯著地改善了伺服驅動器、伺服電機以及機械裝置之間的匹配性能,縮短了系統的調試時間。

  5.應用方案取得的效果

    本項目已完成,特寬幅織機已投入生產運行,用戶取得了明顯的經濟效益和社會效益。

  6.應用方案的示范性

    本文介紹的特寬幅織機控制系統的分析、設計及調整方法也適用于普通織機。

  參考文獻

  [1] 歐姆龍(中國)有限公司.可編程控制器CS1系列編程手冊.上海:OMRON

  [2] 歐姆龍(中國)有限公司.CS/CJ系列可編程控制器指令參考手冊. 上海:OMRON

  [3] Panasonic. 交流伺服電機驅動器MINAS A系列使用說明書.Japan:Matsushita Electric Industrial Co.,Ltd,2002

  作者簡介

    楊公源 教授 現任天津工業大學計算機技術與自動化學院智能控制研究室主任 曾任日本東京都立大學客座研究員,主要從事自動化和機電一體化的教學、科研、實驗等工作。

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