（机械电子工程专业论文）卷染机组恒张力恒速控制系统的设计与实现.pdf

i 主塑奎望奎兰生堡堡主堂垡塑塞 卷染机组恒张力恒速控制系统的设计与实现 摘要 f 卷染机组是一种用于织物后处理的重要设备，是印染行业用作 染整工艺的重要技术手段，是大中型印染厂必备的关键设备。卷染 机组的恒张力恒速控制问题一直都是传统印染机组发展的技术瓶 颈o j 本文以某厂大型多功能卷染机组改造成恒张力。恒速的项目为背 景，对机组的恒张力恒速控制技术进行了深入的理论分析和实验研 究，并给出了具体的实现方案。 本文主要设计以下内容：( 1 ) 简单介绍了卷染机组的工艺要求、 工作原理和组成结构，其中较详细地介绍了机组液压系统的功能与 结构。( 2 ) 建立了张力和速度的数学模型，给出了采用p d 控制器 的设计与分析，得出了试验结果和仿真结果。( 3 ) 介绍了控制方案 基于工控机的软硬件实现，并对软件设计中涉及的具体问题给出了 决方案。( 4 ) 针对张力和速度的耦合问题，提出了关联分析和解耦 控制方案。最后本文还探讨了将模糊控制应用于恒张力恒速联合控 制的设想，并对大型多功能卷染机组的发展趋势提出了一些看法。 关键词张力控制，速度控制，p d 控制，解耦控制 主壅奎堕盔堂皇堕堡主兰篁堡兰一 d e s i g n a n dr e a l i z a t i o no ft h ec o n s t a n t t e n s i o n - c o n s t a n t v e l o c i t y c o n t r o l s y s t e m o f c o n v o l u t i n g & d y e i n g u n i t a b s t r a c t c o n v o l u t i n g & d y e i n g u n i ti sa i m p o r t a n te q u i p m e n t w h i c hi su s e d i nt e x t i l ea f t e rt r e a t m e n t i t st h ei m p o r t a n tt e c h n i cm e a n sa st od y e i n g a n d r e n o v a t i n gi nc o n v o l u t i n g & d y e i n g t r a d e a n di st h ek e ye q u i p m e n t o f l a r g ec o n v o l u t i n g & d y e i n gf a c t o r y t h ep r o b l e mo f c o n s t a n tt e n s i o n c o n s t a n tv e l o c i t yc o n t r o li n c o n v o l u t i n g & d y e i n gu n i t i st h et e c h n i c c h o k ep o 近i nt h ed e v e l o p m e n to ft r a d i t i o n a lc o n v o l u t i n g & d y e i n g u n i t t h i st h e s i s s b a c k g r o u n d i sa p r o j e c t t h a ti st or e b u f l da l a r g e m u l t i f u n c t i o n a lc o n v o l u t i n g & d y e i n gu n i tf o rc o n s t a n tt e n s i o n c o n s t a n t v e l o c i t y t h i st h e s i sg i v e sd e 印r e s e a c h i n t ot h ec o n s t a n tt e n s i o n c o n s t a n t v e l o c i t yc o n t r o lt e c h n i c s ，a n d a l s og i v e st h er e a l i z a t i o n t h i st h e s i si n c l u d e s ( 1 ) t h et e c h n i cr e q u e s t , t h ew o r kp r i n c i p l ea n d t h ec o u s t i t u t i o no f c o n v o l u t i n g & d y e i n gu n i t ( 2 ) e s t a b l i s h i n gt h em o d e l o ft e n s i o na n d v e l o c i t y ，g i v i n gt h ep i dc o n t r o l e rd e s i g na n da n a l y s e s ， a n da l s eg i v i n gt h ee x p e r i m e n t a t i o n lr e s u l t sa n de m u l a t i o n a lr e s u l t s ( 3 ) g i v i n gt h es o f t w a r ea n d h a r d w a r er e a l i z a t i o nw h i c hi sb a s e do ni p c ，a n d a l s eg i v i n gt h er e s o l u t i o no ft h o s ep r o b l e mi ns o f t w a r ed e s i g n ( 4 ) a st o t h et e n s i o n v e l o c i t yc o u p l i n gp r o b l e m ，g i v i n gt h ec o u p l i n ga n a l y s e sa n d r e s o l u t i o n i nt h ee n d , t h i st h e s i sg i v e st h ec o n c e i v i n go ff u z z yc o n t r o l s u s i n gi ne n s i o n - v e l o c i t yc o u p l i n gc o n t r o l ，a l s eg i v e st h eo p i n i o no fl a r g e m u l t i f u n c t i o n a lc o n v o l u t i n g & d y e i n gu n i t sd e v o l p m e n tt r e n d h 占塑窒望查兰生堕堡主兰垡堡塞一 k e y w o r d s t e n s i o nc o n t r o l ，v e l o c i t y c o n t r o l ，p i dc o n t r o l ， c o u p l i n g c o n t r o l h i ：弘，i + ：。蛾勰懑藏j 。磊。瓤 7 圭壅銮望奎堂皇堕堡主兰垡堡兰 第一章绪论 1 1 橱述 卷染机是一种对原布进行染色的机器，它通过将织物张紧，在染料中来回运行达 到对织物的染色。现代的卷染机可对平幅丝绸、棉布、合成纤维、人造丝等织物进行 活性、硫化、还源染料染色，以及退浆、煮练、漂白、皂洗和水洗等加工，是一种在 纺织行业广泛应用的设备，其示意图如下。 ， 1 布筒2 滚筒3 染料4 染缸 图1 1 卷染及示意图 系统运行时动力源驱动主动滚筒，通过织物带动从动布筒转动，使织物在张紧下 通过染缸中的染料，从而达到对织物印染的目的。在如图所示的工况下，布筒2 为主 动，布筒1 为从动。由于从动布筒的驱动力为织物张力，所以只要在从动布筒上施加 一定的负载，则可保证织物是在张紧下通过染缸。 1 2 项目的提出 通过对系统模型的分析发现，随着设备运行过程中，两个布筒不停转动，使得两 个布筒的直径、转动惯量、摩擦转矩等量将随之发生变化，从而使得织物张力和运行 速度发生变化。另外系统中的泄露、温度变化、结构变形等工况变化，同样会使织物 ， 圭堂窒望查兰皇堕堡圭兰垡笙苎 张力和运行速度同出现波动。传统的卷染机在其运行时，由于系统不具备对织物张力 和运行速度进行精确有效的控制，从而造成织物的色差和着色不规则等缺陷，这些问 题成为印染机进一步发展的技术障碍和瓶颈。电液比例控制卷染机的出现正是为了解 决这一问题，它从织物张力和在染料中走布的线速度是影响织物色差和着色强度的主 要因素为出发点，运用电液比例技术的特点，实现对系统运行的全程实施恒张力和恒 速控制。系统采用数字p i e ) 控制算法，电控系统选用研华工控机和模拟量输入输出板 卡。理论分析和实验、仿真结果显示，控制效果较明显。 从系统的建模和分析中可以看出，该控制系统有两个被控对象( 张力和速度) 和 两个操纵变量( 电液比例流量阀和电液比例溢流阀) 构成，属于多变量控制系统。由 于系统中的两个被控对象和两个操纵变量存在着耦合关系，单纯将恒张力控制和恒速 度控制作为两个互不相干的回路各自单独进行控制，达不到良好的控制效果，因此本 文提出了应用多变量控制系统的关联分析与解耦控制的控制方案，在后面章节中将详 细讲述如何将多变量控制理论运用到该系统中去。 1 3 项目的意义 卷染机是一种用于织物后处理的重要设备，是印染行业用作染整工艺的重要技术 手段，是大中型印染厂必备的关键设备。经过卷染处理后的织物通常即可直接上市， 供作制衣、装饰等各种用途。因此大型卷染机在纺织机械行业中有着重要的的位。我 国每年卷染机的销售量在一千五百台左右，其中大型多功能卷染机在三百台左右，是 纺织印染机械行业单机产量最大的品种之一。 随着对染整工艺要求的不断提高，卷染机的发展也不断加快，尤其是近几年来， 时装的变化越来越快，各种织物层出不穷，对织物的染整要求千变万化。这种状态大 大加速了卷染机的更新换代和技术发展。运用恒张力恒速控制技术对传统的印染机组 行业进行技术改造是当今世界纺织印染机械行业的发展潮流。 目前，世界上占据大型卷染机发展领先地位的三大公司为：意大利的美塞拉公司 ( s s e r a ) 、德国的门折尔公司( m e n z e l ) 和葡萄牙的挪费尔公司 ( n 0 髓i l ) ，这些大型卷染机生产厂家在机组恒张力和恒线速度控制技术上都已研 究了多年，投入了大量的人力、物力和财力，从最新公布的机型来看，已取得较大的 成功。而目前国内在这一领域的研究还无人问津，使得高档的大型多功能卷染机这一 产品国内的发展大大滞后于国际潮流。 上海交通大学申请硕士学位论文 国际市场上的大型卷染机产品凭借其技术上的优势，占据了很大一部分国内市 场，严重挤压着国内纺织印染机械生产厂家的生存空间。为提高自身产品的竞争力， 江苏仪征轻纺机械厂和本文作者所在单位合作，提出了该项目。项目通过电液比例技 术和计算机技术的结合，对传统的印染机组进行数字化改造，在解决机组中恒张力和 恒线速度控制问题上取得了一定的效果，为突破传统印染机组发展的技术瓶颈和加快 我国高档大型多功能卷染机械的快速发展作了有益的尝试。同时文中对张力和速度的 建模与分析、对机组张力和线速度的关联分析与解耦控制方案设计等，都对以后的设 计人员有一定的借鉴意义。 圭塑窒望查堂皇堕堡主兰垡笙苎一 第二章大型多功能卷染机组的工艺要求和结构 2 1 卷染的工艺要求 染整工艺为织物在完成纺纱和织造工艺之后的一种后处理工艺，目的是使织造好 的织物获得所要求的物理和化学变化( 其中以化学变化为主) ，变为洁白、柔软和具 备各种性能的织物。简单地说就是对原布进行漂白或染色、软化或硬化、平整或加毛 等加工处理。 影响染整工艺性能的主要因素有：( 1 ) 浸染织物的化学溶液： ( 2 ) 使得织物在液 体中运动的机械装置；( 3 ) 及织物本身的物理、化学特性等。本文研究的对象是使得 织物在液体中运动的机械装置，即大型多功能卷染机组。 对于本文研究的双滚筒大型宽幅卷染机来说，影响织物性能的主要因素有两个， 即织物在溶液中的线速度和织物在溶液中的张力。工艺希望这两个量在系统运行过程 中保持恒定，这样加工出来的织物才是最理想的。织物线速度的快慢决定了织物在溶 液中浸染时间的长短，如果不是恒定的显然将会导致印染后的织物颜色不均；织物在 溶液中张力的恒定也同样十分重要，太大会使织物在印染过程中出现皱痕，甚至会造 成织物伸长，破坏织物本身的质量，而如果张力太小则会使织物无法得到有效的印 染，这些都会导致印染后的织物颜色不均。实际上不同的织物在不同的溶液、不同的 温度不同的湿度下，其张力和线速度的要求是不一样的，尤其是随着现代生活的发 展，织物朝着轻、薄、透、软的方向变化，染整工艺中张力和速度问题越来越敏感， 控制要求也越来越高。下表给出了部分织物对染整工艺中张力和速度的敏感程度。 表2 1+ 很重要 一重要+ ”一次重要“一般不重要 织物厚度密度装布长度装布重量张力敏速度敏 名称( m m )( g m 2 )( m )( k 酌感级感级 1 0 0 醋脂纤维o 2 1 2 96 5 1 32 1 8 4 奉簟+ + 粘胶纤维 o 2 5 1 3 35 2 7 01 8 0 2 l o 泓棉0 4 5 2 6 52 8 9 51 9 9 4 无鹅绒棉 o 62 9 52 1 7 l 1 6 6 5 天鹅绒1 0 3 8 71 3 0 31 3 1 1 大麻1 1 7 3 01 1 8 42 2 4 8 4 蠢建蕊赣 蠹j 。 耋；蕊；o 圭塑窒望查兰皇堕堡主兰堡堡壅 2 2 卷染机的组成与结构 如右图给出的卷染机组的实 物图，它可对不同的平幅丝绸、 棉布、合成纤维、人造丝、麻毛 等织物进行活性、硫化、还源染 料染色，以及退浆、煮练、漂 白、皂洗和水洗等加工，集一条 染整生产线于一机的大型综合设 备。一台卷染机组主要由四大部 分组成：柜架和机箱、传动控制 部分、溶液控制部分和电器控 制部分。下面将一一介绍。 图21机组实物图 柜架和机箱：水平支架、溶液机箱、进出布的辅助装置及导布架等等。 传动控制部分：油箱、液压泵组、液压马达、滚箱、压力、转速传感器及响应的辅 助装置。 溶液控制部分：输液泵、排液泵、混料装置、加热装置、液位控制器及响应的管道 和阀门 电控部分：配电箱、工控机及各种输入输出板卡、比例放大器、各种继电器以及相 应的接线和开关，还有十分重要的是控制软件。 在绪论中已经给出了卷染机组的示意图( 图1 1 ) ，从示意图上可以看出，卷染机 组的机械部分主要是一个染缸、两个滚筒和两个导向滚筒。除此之外还有一些辅助部 件，包括各种盖、壳和管。下图给出了本系统的某一型号的总体机械结构。 恤 一御队 ，奄 剥l l 6阿 f ：i( 匠 是 = 惭恻1 ii 1 9 8 5 图2 2机组机械结构图 e ：妊；，、，。 藏囊囊麓毽i 矗巍。，i 圭塞銮望奎兰! 堕堡主兰堡堡兰 对于卷染机这样的机电设备，从机械加工制造的角度来看，其技术含量和工艺要 求并不高，其技术的难点在于其控制系统，这就是下面将要讲述的a 2 3 卷染机组的工作原理 在绪论中已指出，卷染机组运行时动力源驱动主动滚筒，通过织物带动从动布筒 转动，使织物在张紧下通过染缸中的染料，从而达到对织物印染的目的( 参见图1 ) 。这 里需重点讲述的是机组中织物张力形成的原理。首先给出机组液压系统的原理图： o 泵l 一电液比例调速阀2 溢流阀3 1 一马达1 32 马达2 4 一电液比例溢流阀 图2 3系统原理图 系统运行过程中，由一个定量泵对两个液压马达供油，卷染机的两个滚筒由这两 个液压马达分别驱动，两个马达通过卷绕在滚筒上的织物相互作用，发生联系，产生 张力。 在如上系统原理图所示的工况中，马达1 为主动马达，马达2 为从动马达。机组 运转时调定电液比例溢流阀的压力作为马达2 的背压，此时马达进口的压力小于马达 2 的背压，所以对于马达l ，液压力产生驱动转矩，而对于马达2 ，由于其处于泵工 况，所以液压力产生阻力转矩，这时缠绕在马达1 上的布筒通过织物对缠绕在马达2 上的布筒产生拉力，克服马达2 的液压阻力转矩，带动系统转动，这样就产生了织物 的张力。 由于对马达2 其主动转矩为织物张力，需克服马达2 的液压阻力转矩，因此，通 过控制电液比例调压阀的压力即可控制马达2 上的阻力转矩，从而控制织物的张力。 由此可见，在上图所示的工况中，马达2 是系统的负载。当然，系统中还存在摩擦转 矩、惯性转矩等负载。 j 圭堡至望奎堂皇堕堡主兰垡堡苎 一一 以上介绍的是液压系统的工作原理，接下来将要详细介绍系统的功能和结构。 2 4 电液比例恒张力控制系统 对于恒张力控制系统的实现，比较传统的方法是采用制动盘式。即在卷染机的大 卷筒上，装上一套盘型刹车装置，如图3 2 。刹车的制动转矩由一组小型伺服油缸来实 现，用液比例阀通过控制伺服油缸的压力来实现对刹车制动转矩比例控制。比例溢流 阀装有集成电子原器件，由压力传感器送来的反馈信号与计算机的控制信号一起，经 比例阀放大器来控制比例溢流阀。这种系统的特点是实现起来比较容易，且具有从零 压开始精确调整的特点，它对比例溢流阀的要求也比较低，但其控制过程中的环节比 较多。 然而在实际使用中，由于印染厂的现场大多处在潮湿、高温、粉尘大的环境下， 对这一盘式控制来说影响很大，经常造成制动转矩的不稳定，刹车片过热，易损坏， 从而对张力控制系统的可靠性产生影响。这种控制方式在我国目前的生产状态下很难 实现。 l 一电液比例阀2 - 比例放大器 3 - 压力传感器4 - 伺服油缸5 - 盘式制动器卷筒6 - 织物 图2 4 盘式制动恒张力控制方案 圭塑奎塑茎兰! 堕壁主兰垡鲨茎 一 综观各家所长，结合自身的实际情况，机组采用了比例压阀背压加载，在系统的 液压马达进、出口上，增设二组压力传感器，获取反馈控制信号，其液压系统图见图 3 3 。这一设计充分利用的液压系统本身的优点，简单有效地实现了背压加载电液比例 恒张力控制。 2 5 卷染机组的液压系统 如右所示液压系统的外观图。液压系 统是卷染机组中的核心部分，无论从产品 造价比重还是从技术含量或从对产品质量 的影响来说，这一部分都可以说是整个机 组的关键设备。该卷染机组采用全套 b o s c h 公司的零部件总成，再配上自行 研制的电控系统，可有效的达到恒张力和 恒线速度控制的要求。液压系统结原理如 下所示( 更详细的原理图见附录一) 。图2 5 液压系统外观图 ! 一算压泵：2 一卸荷阀；3 蓄能器：4 比倒漉撼煳：5 、j 4 一单向阀 6 、7 一换向阀； 8 、9 - 背压倒；i o 遥控压力阀；l l 冷却器ll l 源度传感器1 3 一水触 图2 6 液压系统结构图 圭塑奎塑查兰生堡堡主兰垡望苎 该液压系统为阀控液压马达系统： ( 1 ) 系统在泵1 的出口设计有个溢流阀，控制系统的压力，当溢流阀的压力调 定之后，比例节流阀4 的进口压力将保持不变。 ( 2 ) 比例节流阀4 完成对系统的调速，两个液压马达由其控制其转速，考虑到成 本的原因，该系统中选用的比例节流阀没有压力补偿的功能，其流量随负载的波动而 波动，因而当张力发生变化时马达转速亦发生变化。 ( 3 ) 电磁换向阀6 、7 控制液压马达的换向，卷染机运行过程中滚筒的换向动作 由电控系统向换向阀6 、7 发出指令，从而改变两个滚筒主动或从动的工况。 ( 4 ) 在液压马达的回油口分别接有溢流阀8 和比例溢流阀9 作为液压马达的背 压，液压马达在工作时，主动马达出油口通过溢流阀8 直接回油箱，而被动马达则先 通过比例溢流阀9 ，然后再通过溢流阀8 回油箱。通过控制比例溢流阀9 ，可调节被动 马达的负载，从而调节织物张力。 2 6 主要液压元器件介绍 可以看出该液压系统中，处于最关键环节的液压元器件是两个电液比例阀，一个 是比例溢流阀，一个是比例节流阀，选择b o s c h 公司的产品，下面作简要的介绍。 本系统中选择的比例溢流阀采用锥阀结构，高精度比例电磁铁通过控制弹簧的预 压缩量来实现对阀口的压力控制，性能安全可靠。系统中织物的张力通过接在被动马 达回油端的比例溢流阀来控制，从控制器输出的控制量以电压信号发给该比例溢流阀 的放大器，从而控制被动马达的背压。 本系统中选择的比例流量阀采用滑阀结构，高精度比例电磁铁直接作用在阀芯 上，通过控制阀芯的位置来实现对流量的控制：比例电磁铁后面有位移传感器，通过 放大器构成一个小闭环，来保证阀芯位置的控制精度。 本系统中选择的比例调速阀实际上严格来说是比例节流阀。节流阀作为一种流量 控制阀，结构简单、价格低廉，但节流阀对于流量控制来说控制精度自然不高，其流 量随负载的波动而波动，因此仅适合于对速度稳定性要求不高的场合。流经节流阀灼 流量为： 厅 q = 巳彳( 工) ，二劬 y p 式中 g 一流经节流阀的流量 c d 一一节流阀阀口流量系数 圭塑奎垄盔堂宝堕塑主兰垡堡壅一一 a ( x 1 一节流阀通流截面积( 可通过比例点磁铁调节其大小) p - 油液密度 4 争一节流闽进出口压差 也就是说，在节流口前后压差4 p 一定时，通过改变节流口面积a ( x ) 的大小即可改变 节流阀的出口流量，比例节流阀的原理即是用比例电磁铁来改变通流截面积。因此从 调节流量来看，当然希望a ( x ) 调定以后流量g 能保持不变，然而从式可看出其流量特 性取决于节流阀前后的压差4 p 是否保持稳定。在本系统中，节流阀出口压力即为马 达的进口压力，其在系统运行过程中显然会有较大的波动，但节流阀的进口压力已经 被前置的溢流阀调定，这样简单通过改变比例节流阀的控制电压就无法达到精确的控 制系统流量。 实际上，在该系统中为了控制织物的张力，需要控制被动马达的背压，这样就改 变了节流阀出口压力也就改变了节流阀前后的压差，使得织物的线速度出现波动：同 样当控制织物线速度时，也会对马达进口压力产生影响，从而直接影响到织物的张 力。由此可见，在对织物张力和线速度进行控制时，需对这两个耦合的控制量作关联 分析，才能达到良好的控制效果。对于这个问题，本文最后一章将作详细的论述。 比例溢流阀的特性曲线和性能参数如下： 1 歹一 缓2 ) 1 1 力 r v 蠢茚 w 髓 刀 l - _ _ 一 1 ，霉位谢羹 铂盐t 图2 _ 7 。 稳态动态性能： 滞环2 ，分辨率1 5 ，响应时间：上升( 3 0 m s ，下降( 7 0 m s 在设计控制程序时需要将阀的特性曲线装到程序中，可以简单地将其写成分段函数的 形式，v 单位伏，p 单位b a r ： 圭塑奎望查堂! 堕堡主兰堡堡苎一 厂弓1 。0 ( v m 2 ) 一片l = 3 5 一7 0 ( 9 v 。 9 ) 024e81 0 1 ：2 i v 一 图2 8 稳态动态性能： 滞环0 3 ，灵敏度1 5 ，响应时间：上升2 5 m s ，下降1 5 m s 同样将其特性曲线简单地写成分段函数，v 。单位伏，q 单位l m i n 厂g = 0( v 2 ) q = 6 2 一1 2 4( 1 0 m a x ) u = m a x ； e l s ei f ( u ? i 九q = 、，j 2 1 2 m 丙 这一点在计算相对增益矩阵时将要用到。 6 3 2 相对增益 。的物理意义及回路选择的原则 当九。尸1 时，回路间无关联。它表示无论其它回路是否作用于该回路，对该回路的 输入输出不产生影响，也就是回路间无关联。 当九。i - = o 时，回路问严重关联。它表示当没有其它回路作用于该回路时，该回路将 不能被控制，所以关联严重。 当九。尸一时，回路间严重关联。它表示当有其它回路作用于该回路时，该回路将不 能被控制，与上一情况恰恰相反，关联严重。 当x 。( 0 时，回路间严重关联。它表示当有其它回路作用于该回路时，该回路输 入输出增益将变为负值，这往往会导致系统变为不稳定。 当0 ( 九。( 1 时，回路问有关联。它表示当有其它回路作用于该回路时，该回路 输入输出增益将变大，系统稳定性有所下降。 当l ( x 。( o o 时，回路间有关联。它表示当有其它回路作用于该回路时，该回路 输入输出增益将变大，系统稳定性有所增加。 从以上相对增益 。的物理意义可以给出控制回路选择的原则，即根据相对增益矩 阵选择使控制回路间输入输出变量配对，归纳如下： ( 1 ) 对于每一个被控变量弘，应当选择最接近1 的正相对增益的控制量甜，。 ( 2 ) 绝不能用相对增益为负的被控变量和控制量做配对。 ( 3 ) 相对增益阵为是衡量系统静态相关程度的尺度，所以上述控制回路的选择原理 并不适用于系统动态关联分析。 6 , 3 3 该系统相对增益矩阵的计算及回路选择 系统输入输出关系见式( 6 2 3 ) 和( 6 2 5 ) ，首先计算该系统的相对增益矩阵： 当系统中两个回路开环时，控制量l ，作用于被控变量y ，的增益为： 剿：? 丝岛 6 k l i ( 麒l + 口1 ) 当速度回路闭合时，即m 为常数，则控制量蜥作用于被控变量乃的增益为： 3 8 圭塞壅望奎堂旦透堡主兰堡堡塞一 皇划：二! 兰! 抛i 。 鸭 则控制量蜥作用于被控变量y ，的相对增益为： 亟i “= 静；焉务 f l u l k 控制量蜥作单位阶跃变化，即q ( s ) ：三，得： - 。碌- - g 鬲i 2 2 了2 3 根据相对增益矩阵性质，矩阵的每行每列的元素之和都为1 ，则可得系统的相对增益 矩阵，如下： g 人= 臣 将各个参数按通常情况下的取值带入，即可得到该系统相对增益矩阵的实际值， ，；0 8 1 ，参数不同情况下该矩阵的值会略有变化。 q p t j r q 8 1q 1 9 t ” 爿i i i l l 9q 8 l ff 根据前面论述的相对增益 。的物理，从该系统的相对增益矩阵可以看出两个回路 间存在着一定的耦合关系，但耦合并不十分严重。当对控制要求不是太高时，可以将 两个回路单独控制；如果控制要求很高时，则需要采用下面的解耦控制。根据控制回 路选择的原则，显然应该选择g 控制v ，户。控制f 。 6 4 解耦控制系统的设计 ，一 圭塑銮望查兰旦堕堡圭兰焦笙苎 一 则系统中的耦合比较严重，需要设计解耦控制系统进行解耦，这里采用前馈解耦 法。考虑如下图5 3 所示的双输入双输出解耦控制系统，解耦装置( d ( s ) ) 串接在控制 器g c ( s ) 输出端和执行器输入端之间。此时 y ( 印= g 。0 ) d ( d p ( s )( 6 - 3 1 ) 其中d ( s ) 的结构图如图5 4 ，表达式为： 肿麟；篙 c s 蚴 解耦装置的目的就是为了使g 。( s ) d ( j ) 为对角阵，这样两个控制回路间就没有关联 了。 图5 2解耦控制系统 图5 2 解耦器结构 图5 2 所示的解耦控制系统相当于前馈校正。这里将d 。( s ) 和d 2 ：( s ) 设为1 ，对于 速度控制回路来说，张力控制对速度的影响可以看作干扰，用前馈方法校正：同样对 于张力控制回路来说，速度控制对张力的影响可以看作干扰，也用前馈方法校正。这 样就可以按照前馈控制的不变性原理来设计解耦器。 对于双输入双输出控制系统，由不变性原理可得： q l l d 1 2 + g m = o ( 6 3 3 ) q 2 2 d 2 l + q 2 l = o ( 6 3 4 ) 州= 群 s s ， 州= 等 睁。s ， 圭塑奎望查兰宴塑堡主兰垡堡塞一 这样采用前馈解耦后有： 荆删= 黜乏啦k 日2 ，1 鱼! 墨叟鱼丝塑二鱼些尘! 垒! 塑o = 1q 2 。2 咝觜一 可见采用前馈解耦后得到的传递函数为对角阵，这样就解除了系统两个回路间的 的耦合关系。 对于该系统，由于是非线性的，因此首先要将其线性化，写成如下形式： y i ( j ) = g p l i ( s ) u 1 ( j ) + g p t 2 ( s ) ( s ) y 2 ( s ) = g ( s ) u l ( s ) + g p 2 2 ( j ) u 2 ( j ) 然后再按照上述步骤计算出解耦控制器d 倒。 r_，j 圭堂奎望盔兰生堕堡主兰垡垒奎一 第七章总结与展望 7 1 课题总结 大型卷染机组的恒张力控制和恒速控制是该系统发展的国际潮流，目前国内尚未 出现这样的产品，本文通过对系统的建模分析，提出了一套初步的解决方案和试验分 析，内容涉及以下几个方面： ( 1 ) 针对传统卷染机组中的问题，设计出了一套全新的液压控制系统。该系统具有 稳定、高效、污染少等优点，使得对张力和速度控制可以达到较高的水平，很大地提 高了机组档次。 ( 2 ) 根据机组液压控制系统的结构功能和控制要求，提出了张力和速度控制方案， 对其中的恒张力控制方案给出了试验曲线，对恒速控制方案给出了仿真曲线，有一定 的控制效果。 ( 3 ) 针对系统中恒张力控制和恒速度控制的耦合问题，给出了定量的关联分析和解 耦控制方案。 由于该系统的设计目前处于探索性阶段，加上各方面的条件限制，使得设计中还 有许多不如意的地方，主要有以下三个方面： ( 1 ) 在恒张力控制系统中，没有将布匹张力直接作为反馈信号，而采用压力、转 速等信号通过计算得出张力值，这个计算方程从数学模型中得来，并不能准确得出实 际的张力值，因此实际的控制效果必定不会很理想。 ( 2 ) 对于系统中的耦合问题，本文仅仅给出了一个数学模型和理论分析结果，其 正确性还需通过实验验证，同时本文给出的关联分析是建立在系统静态响应之上的， 其动态下的分析还有许多工作要做。 7 2 模糊控制理论用于恒张力恒速联合控制的构想 对于系统中恒张力恒速控制的耦合问题， 一个解决方法，考虑到下面两个方面的问题， 前面论述的关联分析和解耦控制方案是 自然我们会想到模糊理论的运用： 一方面，从前面章节分析中可以看出，系统在运行过程中随着滚筒的转动两个滚 筒的转动惯量不断发生变化，因此该系统属于变结构控制系统，特别是当带动的布筒 圭塑窒堕奎兰旦堕堡主兰垡堡苎一 很大时，系统结构的变化会对控制器的性能有相当的影响，甚至会使系统变得不稳 定。在这种情况下，控制器的设计如果还是采用定参数的p m 控制器，效果也许不够 理想。 另一方面，多变量输入输出系统控制一直都是控制中的一个难点，文中给出的关 联分析和解耦控制方案是否可行还有待实验论证，无论如何，要想提高系统控制的精 度，前面给出的数学模型还远远不够，还需给出更精确的数学模型，这一点直接决定 着控制效果，同时这一点也是十分困难的。 由此我们自然会想到模糊控制器在该系统中的运用，模糊控制器的设计不需要对 系统的数学模型有精确的了解，同时由于模糊控制器所具有的鲁棒性使其在变结构控 制系统中有广泛的应用。鉴于这些优点，可以构想将模糊控制器用于系统中恒张力恒 速的联合控制，考虑如下的控制系统结构： 图6 1 模糊控制系统框图 通常的模糊控制器都是双输入单输出的结构模式，采用的输入是误差和误差的变 化率两个输入量，计算出控制量，实际上相当于一个p d 控制器。上图所示的模糊控 制系统采用的是一个双输入双输出模糊控制器，这里输入量分别是张力误差和线速度 误差，通过模糊化、模糊决策和逆模糊化的一些了运算得出对比例溢流阀和比例流量 阁的控制信号，实际上相当于一卜p 控制器，通常情况下这样的结构会使系统的动态 响应品质不够，但前面章节的分析指出在该系统中，采用p 环节作控制器已经可以达 到一定的效果，因此这里设想采用上图所示的模糊控制器还是有一定的根据的。 通常在设计模糊控制器时需要有以下几个步骤： ( 1 ) 精确量模糊化，这里涉及到隶属度函数的问题。 ( 2 ) 模糊规则，对于双输入双输出模糊控制器其模糊规则可描述为： 诖e f | a n d e 。| t h e n u ia n du ，1 4 3 圭塑奎垄查兰皇堕塑主堂垡丝奎一 谴e f 2 a n de v 2 t h e nu i 2a n du 2 2 诖e 陬a n d e 。t h e n u i q a n d u 抽 r 3 ) 模糊判决。 对于上面设想的将模糊控制器用于恒张力恒速度控制系统，其实际的可行性还需 要考虑。一方面，在常规模糊控制器的设计中，控制效果的优劣直接取决于于隶属度 函数和模糊规则的确定是否合理，这在双输入单输出模糊控制器的设计中已经是一个 有相当难度的工作，而本系统中采用的是双输入双输出模糊控制器，其模糊规则是否 总结得出? 另一方面，这样的一个控制器实际上是一个p 环节控制，系统的动态响应 是否能够满足要求? 这两方面的问题需要通过实际的操作和试验来验证其可行性。 7 3 卷染机的发展趋势和技术需求 从技术发展的趋势看来，过去比较注重速度控制，认为恒线速度是提高染整工艺 整体水平的重要技术基础，近年来随着织物向轻、薄、透、软的方向发展，逐步提出 了张力和线速度是影响染整水平的两大因素，恒张力和恒线速度控制缺一不可。从当 前意大利m e z z r a 公司公布的最新机型q u i c k e r l 3 5 0 系列中，可以看出大型多功能 卷染机组的发展将会有以下几方面趋势： 上海交通大学申请硕士学位论文 ( 1 1 染、浆、洗的集成化。卷染机组的集成化将会使得染、浆、洗等工艺连续完 成，从而减少工艺复杂程度，提高生产效率，如下图6 1 所示的联合卷染机组机械系 统结构图； ( 2 ) 机组过程及功能的自动化高度自动化。现有的卷染机组自动化程度普遍不高， 使操作人员操作劳动强度大，容易出现操作失误现象，影响生产质量，机组过程及功 能的自动化高度自动化将是发展的不然趋势。显然这样的大系统其协同工作对控制的 要求将更加复杂。 ( 3 ) 恒张力控制和恒速度控制的要求更加严格。由于目前时装的变化越来越快，各 种织物层出不穷，对工艺的要求千变万化，特别是流行的轻、薄、透、软织物，其印 染工艺对张力和速度的要求十分苛刻，这就要求系统具有大的控制范围和小的控制误 差。本文给出的双输入双输出系统的关联分析和解耦控制是张力和速度联合控制的理 论基础。 ( 4 ) 其它控制要求的提出。如图6 1 中的系统，比现有机组多了一个压轧装置，用 于压轧印染后的布匹，这里就存在一个对压轧力进行控制的问题。类似的问题随着对 印染工艺的要求不断提高会越来越多。 圭塑奎望奎兰生堕堡圭堂垡堡奎一 致谢 首先要感谢我的导师詹永麒教授! 詹老师学识渊博、治学严谨，他不仅是我学业 上的引路人，更重要的是他给了我事业上的智慧和经验，这将是我一生的财富。 要感谢施光林老师! 旆老师强闻博知、待人热心，每一个和他在一起的学生都不 会忘记他给我们带来的轻松和愉快。 要感谢媒科院液压所的芮丰和杨路，在做试验期间无论遇到什么困难我都没有发 过愁、泄过气，因为我知道他们会为解决这些困难竭尽全力。 要感谢我的父母，因为来自父母亲情是我力量的起源。 要感谢机电控制研究所的所有老师们，感谢所有我的同学们，我的一生将会因为 曾在这里学习生活过而更加精彩。 刘小字 二零零一年二月 圭壅窒望奎兰宴堕堡主兰垡堡苎一 参考文献 f 1 1 曹璎珞、曹德欣，计算方法，中国矿业大学出版社，1 9