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　　摘 要：本文介紹特寬幅織機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法。主要介紹經(jīng)軸退繞過(guò)程數(shù)學(xué)模型、送經(jīng)伺服控制系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、卷取控制系統(tǒng)以及送經(jīng)－卷取同步控制系統(tǒng)。基于數(shù)學(xué)模型，完成了控制系統(tǒng)組態(tài)。在控制算法方面，除了常規(guī)的張力閉環(huán)和速度閉環(huán)控制外，還應(yīng)用了自整定、信號(hào)自適應(yīng)、變?cè)鲆嬉约岸嗄B(tài)等先進(jìn)控制策略。織機(jī)已投入生產(chǎn)使用，用戶取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　關(guān)鍵詞 ：特寬幅織機(jī)　退繞過(guò)程數(shù)學(xué)模型　自整定　信號(hào)自適應(yīng)　變?cè)鲆?nbsp;多模態(tài)控制

　　1.引 言

　　（1） 應(yīng)用行業(yè)

    產(chǎn)業(yè)用織物包括機(jī)織土工布、工業(yè)用呢和工業(yè)用網(wǎng)。這類織機(jī)具有特寬幅、超重型的特點(diǎn)，一般幅寬在4至18米之間，最寬可達(dá)30米。國(guó)外只有少數(shù)幾家公司能夠生產(chǎn)特寬幅織機(jī)。因此，研究特寬幅織機(jī)控制系統(tǒng)具有重要意義。研制的控制系統(tǒng)也適用于通用織機(jī)。

　　（2）使用的產(chǎn)品

    特寬幅織機(jī)控制系統(tǒng)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(jì)數(shù)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(kuò)展底板等。

　　2.應(yīng)用的主要工藝點(diǎn)及要解決的主要問(wèn)題

    特寬幅織機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由送經(jīng)伺服控制系統(tǒng)、 卷取控制系統(tǒng)、送經(jīng)與卷取同步控制系統(tǒng)、織機(jī)啟動(dòng)/制動(dòng)控制系統(tǒng)、測(cè)長(zhǎng)及定長(zhǎng)控制系統(tǒng)、液壓投梭控制系統(tǒng)、引緯控制系統(tǒng)、單動(dòng)多臂機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)及自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成。主要工藝點(diǎn)是特寬幅織機(jī)五大運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行和最佳匹配。織機(jī)在織造過(guò)程中，對(duì)張力（包括經(jīng)紗張力、織物張力、緯紗張力等）、速度（包括送經(jīng)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(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)始動(dòng)作與結(jié)束動(dòng)作的時(shí)間配合等要求很嚴(yán)格，若控制不當(dāng)或彼此之間配合不好，將會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，甚至?xí)l(fā)生嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，影響人身安全。

    要解決的主要問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的高精度協(xié)調(diào)運(yùn)行，保證經(jīng)紗張力、緯紗張力及織物張力符合工藝規(guī)定的數(shù)值。

　　3.應(yīng)用方案簡(jiǎn)介

    織機(jī)的控制系統(tǒng)包括10個(gè)控制子系統(tǒng)：

    （1） 送經(jīng)控制系統(tǒng)；

    （2） 卷取控制系統(tǒng)；

    （3） 送經(jīng)與卷取同步控制系統(tǒng)；

    （4） 織機(jī)的啟動(dòng)控制系統(tǒng)（包括正常啟動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、投一梭、前心、后心、上軸）；

    （5） 織機(jī)的制動(dòng)控制系統(tǒng)（包括正常關(guān)車、斷經(jīng)自停、斷緯自停、滿匹停車、護(hù)經(jīng)檢測(cè)自停、緊急制動(dòng)）；

    （6）測(cè)長(zhǎng)及定長(zhǎng)控制系統(tǒng)；

    （7）液壓投梭控制系統(tǒng)；

    （8） 引緯控制系統(tǒng)；

    （9） 單動(dòng)多臂機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；

    （10）自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)。

    計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由IPC610H型工控機(jī)、CS1型可編程控制器（PLC）、SR93型智能調(diào)節(jié)器及觸摸屏等組成。織機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制、順序控制和邏輯控制任務(wù)由CS1型可編程控制器來(lái)完成；溫度和壓力控制任務(wù)由SR93型智能調(diào)節(jié)器來(lái)完成。采用PWS6800C-P型觸摸屏，用于工藝參數(shù)設(shè)定、變量數(shù)值顯示、織機(jī)的開(kāi)車、停車以及報(bào)警等。

　　4.應(yīng)用方案詳細(xì)介紹

　　4.1 送經(jīng)伺服控制系統(tǒng)（電子送經(jīng):ELO）

　　（1） 送經(jīng)伺服控制系統(tǒng)組成

    送經(jīng)伺服控制系統(tǒng)由經(jīng)軸、減速器1、伺服電機(jī)1、伺服驅(qū)動(dòng)器1、導(dǎo)輥、后梁、經(jīng)紗張力檢測(cè)、編碼器、可編程控制器、工控機(jī)以及觸摸屏等組成。其作用是：織機(jī)每引一緯，經(jīng)軸送出定量的經(jīng)紗，并給經(jīng)紗以一定的張力，以滿足開(kāi)清梭口、打緊緯紗的要求，獲得一定緊度和結(jié)構(gòu)的織物。

　　（2） 經(jīng)軸退繞過(guò)程數(shù)學(xué)模型

    為了有效地對(duì)經(jīng)軸退繞過(guò)程進(jìn)行控制,首先要建立退繞過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。

    經(jīng)軸上經(jīng)紗的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jb為：



    轉(zhuǎn)矩平衡方程式為：

    以上，式（1）～（13）描述了經(jīng)軸退繞過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特征，為非線性、時(shí)變數(shù)學(xué)模型。

　　（3） 經(jīng)軸退繞伺服控制系統(tǒng)

    針對(duì)退繞過(guò)程的數(shù)學(xué)模型來(lái)設(shè)計(jì)退繞伺服控制系統(tǒng)。控制策略包括經(jīng)紗張力閉環(huán)控制、變?cè)鲆妫ㄔ鲆嬲{(diào)度）、變積分時(shí)間常數(shù)控制、信號(hào)自適應(yīng)控制和多模態(tài)控制。

　　張力閉環(huán)控制

    根據(jù)式（10）、式（11）和式（13），經(jīng)軸半徑r1在退繞過(guò)程中是逐漸減小的，如果經(jīng)軸角速度不變，則線速度V1也逐漸減小，導(dǎo)致每織一緯的送經(jīng)量逐漸減少，造成經(jīng)紗張力F逐漸增大，這是不允許的。為了使經(jīng)紗張力穩(wěn)定在設(shè)定值上，首先實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)控制即張力閉環(huán)控制。

　　變?cè)鲆妗⒆兎e分時(shí)間常數(shù)控制

    根據(jù)誤差的大小自動(dòng)改變?cè)鲆嬷岛头e分時(shí)間常數(shù)，達(dá)到響應(yīng)快、抑制超調(diào)和無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差的目的，這就是智能控制的思路。由PLC實(shí)現(xiàn)變?cè)鲆妗⒆儠r(shí)間常數(shù)控制。為實(shí)現(xiàn)這種控制，在控制程序中應(yīng)用BCMP（68）指令，將誤差劃分為16級(jí)，即16個(gè)范圍，當(dāng)誤差落在某個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，相應(yīng)的位變?yōu)镺N，則調(diào)出相應(yīng)的增益值和積分時(shí)間常數(shù)。共有16個(gè)增益和16個(gè)積分時(shí)間常數(shù)可供自動(dòng)調(diào)用，根據(jù)誤差大小自動(dòng)改變控制器的參數(shù)，從而穩(wěn)定了經(jīng)紗張力。

　　 信號(hào)自適應(yīng)控制

    根據(jù)經(jīng)軸的實(shí)際半徑，即每當(dāng)經(jīng)軸退繞一層紗線，控制器就自動(dòng)地改變控制輸出，通過(guò)傳動(dòng)鏈?zhǔn)顾徒?jīng)量保持在設(shè)定值上，這就是信號(hào)自適應(yīng)控制。經(jīng)軸半徑信息由式（10）求得，退繞層數(shù)n1由編碼器PG1的脈沖數(shù)經(jīng)計(jì)算得到。在張力閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，采用變?cè)鲆妗⒆兎e分時(shí)間常數(shù)和信號(hào)自適應(yīng)控制，有效地減輕了張力閉環(huán)控制的負(fù)擔(dān)，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，穩(wěn)定了經(jīng)紗張力。

　　4.2 卷取伺服控制系統(tǒng)（電子卷取:ETU）

    卷取伺服控制系統(tǒng)由工控機(jī)、PLC、觸摸屏、伺服驅(qū)動(dòng)器2、伺服電機(jī)2、減速機(jī)2卷取輥、導(dǎo)輥、胸梁、張力傳感器2以及編碼器等組成，其任務(wù)是與主機(jī)旋轉(zhuǎn)保持同步，變緯密自適應(yīng)，卷取輥應(yīng)提供足夠的握持力，保證穩(wěn)定地傳送織物。

　　4.3 送經(jīng)與卷取同步控制

    送經(jīng)與卷取同步控制裝置的作用是在織機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，保持最精確的緯密和恒定的經(jīng)紗張力，也就是保證送經(jīng)與卷取完全同步，并且與織機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)同步。

    PLC讀取經(jīng)紗張力傳感器信號(hào)、送經(jīng)量編碼器PG2信號(hào)、織物緯密傳感器信號(hào)、織物張力傳感器信號(hào)、主軸編碼器PG3信號(hào)和卷取量編碼器PG4信號(hào)，根據(jù)式（13），協(xié)調(diào)送經(jīng)、開(kāi)口和卷取伺服系統(tǒng)，保證經(jīng)紗張力恒定和緯密精確，并防止停車檔產(chǎn)生。

　　4.4 伺服系統(tǒng)的自整定

    （1） 常規(guī)自動(dòng)增益整定（nominal gain auto-tuning）

    按照預(yù)設(shè)定（內(nèi)部設(shè)定）的模式使電機(jī)加速和減速，可從所需轉(zhuǎn)矩計(jì)算負(fù)載的慣量，然后根據(jù)慣量自動(dòng)地決定適當(dāng)?shù)脑鲆妗?BR>
    （2） 實(shí)時(shí)自動(dòng)增益整定（real time gain auto-tuning）

    在實(shí)際運(yùn)行期間，實(shí)時(shí)地計(jì)算當(dāng)時(shí)的負(fù)載慣量，自動(dòng)地確定適當(dāng)?shù)脑鲆妫⒏鶕?jù)負(fù)載的起伏及時(shí)地整定增益。在整定前要選擇機(jī)械剛性。還要根據(jù)負(fù)載情況選擇實(shí)時(shí)自動(dòng)整定模式，分為負(fù)載慣量幾乎不變化、負(fù)載慣量變化小和負(fù)載慣量變化快三種。實(shí)踐證明，增益自整定顯著地改善了伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)以及機(jī)械裝置之間的匹配性能，縮短了系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間。

　　5.應(yīng)用方案取得的效果

    本項(xiàng)目已完成，特寬幅織機(jī)已投入生產(chǎn)運(yùn)行，用戶取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　6.應(yīng)用方案的示范性

    本文介紹的特寬幅織機(jī)控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)及調(diào)整方法也適用于普通織機(jī)。

　　參考文獻(xiàn)

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

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

　　[3] Panasonic. 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MINAS A系列使用說(shuō)明書(shū).Japan：Matsushita Electric Industrial Co.,Ltd,2002

　　作者簡(jiǎn)介

    楊公源 教授 現(xiàn)任天津工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化學(xué)院智能控制研究室主任 曾任日本東京都立大學(xué)客座研究員，主要從事自動(dòng)化和機(jī)電一體化的教學(xué)、科研、實(shí)驗(yàn)等工作。