特寬幅織機控制系統(tǒng)

摘 要：本文介紹特寬幅織機計算機控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計方法。主要介紹經(jīng)軸退繞過程數(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、信號自適應(yīng)、變增益以及多模態(tài)等先進(jìn)控制策略。織機已投入生產(chǎn)使用，用戶取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
關(guān)鍵詞 ：特寬幅織機　退繞過程數(shù)學(xué)模型　自整定　信號自適應(yīng)　變增益 多模態(tài)控制

1.引 言

（1） 應(yīng)用行業(yè)
產(chǎn)業(yè)用織物包括機織土工布、工業(yè)用呢和工業(yè)用網(wǎng)。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(dá)30米。國外只有少數(shù)幾家公司能夠生產(chǎn)特寬幅織機。因此，研究特寬幅織機控制系統(tǒng)具有重要意義。研制的控制系統(tǒng)也適用于通用織機。
（2）使用的產(chǎn)品
特寬幅織機控制系統(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底板以及擴展底板等。
2.應(yīng)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(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)、織機啟動/制動控制系統(tǒng)、測長及定長控制系統(tǒng)、液壓投梭控制系統(tǒng)、引緯控制系統(tǒng)、單動多臂機構(gòu)控制系統(tǒng)及自動潤滑系統(tǒng)等組成。主要工藝點是特寬幅織機五大運動的協(xié)調(diào)運行和最佳匹配。織機在織造過程中，對張力（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)行機構(gòu)開始動作與結(jié)束動作的時間配合等要求很嚴(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。
要解決的主要問題是實現(xiàn)各個部分在動態(tài)過程中的高精度協(xié)調(diào)運行，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)用方案簡介
織機的控制系統(tǒng)包括10個控制子系統(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） 織機的啟動控制系統(tǒng)（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(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)檢測自停、緊急制動）；
（6）測長及定長控制系統(tǒng)；
（7）液壓投梭控制系統(tǒng)；
（8） 引緯控制系統(tǒng)；
（9） 單動多臂機構(gòu)計算機控制系統(tǒng)；
（10）自動潤滑系統(tǒng)。
計算機控制系統(tǒng)由IPC610H型工控機、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。織機的運動控制、順序控制和邏輯控制任務(wù)由CS1型可編程控制器來完成；溫度和壓力控制任務(wù)由SR93型智能調(diào)節(jié)器來完成。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、織機的開車、停車以及報警等。
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1、伺服驅(qū)動器1、導(dǎo)輥、后梁、經(jīng)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(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)軸退繞過程數(shù)學(xué)模型
為了有效地對經(jīng)軸退繞過程進(jìn)行控制,首先要建立退繞過程的數(shù)學(xué)模型。
經(jīng)軸上經(jīng)紗的轉(zhuǎn)動慣量Jb為：

轉(zhuǎn)矩平衡方程式為：


以上，式（1）～（13）描述了經(jīng)軸退繞過程的動力學(xué)特征，為非線性、時變數(shù)學(xué)模型。
（3） 經(jīng)軸退繞伺服控制系統(tǒng)
針對退繞過程的數(shù)學(xué)模型來設(shè)計退繞伺服控制系統(tǒng)。控制策略包括經(jīng)紗張力閉環(huán)控制、變增益（增益調(diào)度）、變積分時間常數(shù)控制、信號自適應(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，首先實現(xiàn)基礎(chǔ)控制即張力閉環(huán)控制。
•變增益、變積分時間常數(shù)控制
根據(jù)誤差的大小自動改變增益值和積分時間常數(shù)，達(dá)到響應(yīng)快、抑制超調(diào)和無穩(wěn)態(tài)誤差的目的，這就是智能控制的思路。由PLC實現(xiàn)變增益、變時間常數(shù)控制。為實現(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，即16個范圍，當(dāng)誤差落在某個范圍內(nèi)時，相應(yīng)的位變?yōu)镺N，則調(diào)出相應(yīng)的增益值和積分時間常數(shù)。共有16個增益和16個積分時間常數(shù)可供自動調(diào)用，根據(jù)誤差大小自動改變控制器的參數(shù)，從而穩(wěn)定了經(jīng)紗張力。
• 信號自適應(yīng)控制
根據(jù)經(jīng)軸的實際半徑，即每當(dāng)經(jīng)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?zhǔn)顾徒?jīng)量保持在設(shè)定值上，這就是信號自適應(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)計算得到。在張力閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，采用變增益、變積分時間常數(shù)和信號自適應(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、PLC、觸摸屏、伺服驅(qū)動器2、伺服電機2、減速機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運轉(zhuǎn)過程中，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，并且與織機的主傳動系統(tǒng)同步。
PLC讀取經(jīng)紗張力傳感器信號、送經(jīng)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(jù)式（13），協(xié)調(diào)送經(jīng)、開口和卷取伺服系統(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）的模式使電機加速和減速，可從所需轉(zhuǎn)矩計算負(fù)載的慣量，然后根據(jù)慣量自動地決定適當(dāng)?shù)脑鲆妗?br /> （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(dāng)時的負(fù)載慣量，自動地確定適當(dāng)?shù)脑鲆妫⒏鶕?jù)負(fù)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(jù)負(fù)載情況選擇實時自動整定模式，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。實踐證明，增益自整定顯著地改善了伺服驅(qū)動器、伺服電機以及機械裝置之間的匹配性能，縮短了系統(tǒng)的調(diào)試時間。
5.應(yīng)用方案取得的效果
本項目已完成，特寬幅織機已投入生產(chǎn)運行，用戶取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
6.應(yīng)用方案的示范性
本文介紹的特寬幅織機控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計及調(diào)整方法也適用于普通織機。
參考文獻(xiàn)
[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(qū)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(xiàn)任天津工業(yè)大學(xué)計算機技術(shù)與自動化學(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，主要從事自動化和機電一體化的教學(xué)、科研、實驗等工作。