（控制理论与控制工程专业论文）造纸网织机计算机控制系统.pdf

中文摘要 随着电子技术、计算机技术和控制理论的不断发展，计算机控制技术在纺 织行业的应用得到了迅速发展，其中宽幅织机控制方法的研究成为纺织行业中研 究焦点。目前我国的织机控制大部分是机电控制方式，自动化水平不高，生产效 率低，产品质量不高，更没有人机界面。因此研制和开发织机的计算机控制系统 对振兴我国的纺织行业具有重大意义。 对织机控制方法的研究主要包括两大部分内容。一是对投梭引纬的控制， 另一个是对送经和卷取张力控制。其中送经和卷取张力的控制策略决定了产品的 质量。目前送经张力控制方法有机械送经、交流伺服送经、液压送经。在控制策 略上有模糊控制、p i d 控制、智能控制。本论文采用液压送经方案，并首次建立 了液压送经的数学模型，在控制策略上提出一种非线性张力观测器和滑模张力观 测器，提高了送经和卷取张力的精度。针对织机的投梭引纬要求，本论文提出一 种角度规则控制法，满足织机的精确定位控制要求。 本论文以造纸网织机为研究对象，首先分析了原系统存在的问题，提出计 算机控制系统设计方案，设计了织机电气控制系统图，设计了现场层和监控层软 硬件系统，在此基础上，建立了液压送经系统数学模型。现场运行及仿真表明， 研制的织机可靠性高，监控能力强，生产效率高，产品质量高。通过对液压送经 的波形分析，提出非线性张力观测器和滑模张力观测器控制策略。在理论上证明 了所提方法的正确性和有效性。 关键词：织机液压送经伺服阀观测器张力控制计算机控制 角度规则 w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i c s 、c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o n t r o lt h e o r y ， c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g ye x p a n d sr a p i d l yi nt h ea p p l i c a t i o no ft e x t i l ei n d u s t r y ， w h i l et h ef o c u si sw i d eb r e a d t hl o o m sc o n t r o lm e t h o d n o w a d a y s ，m o s to fl o o m c o n t r o lm e t h o d sa r ee l e c t r o m e c h a n i c a lc o n f f o lw i t hal o w e ra u t o m a t i c sl e v e l ， l o w e r e f f i c i e n c ya n di n f e r i o rp r o d u c tq u a l i t y ，a n de v e nw i t h o u th u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e i nt h i sa s p e c t ，t od e v e l o pa n dd e s i g nl o o m sc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mah u g e i n f l u e n c ew i l lb ei n d u c e dt ot h ef l o u r i s ho f o u rc o u n t r y st e x t i l ei n d u s t r y t h e r ea r et w om a i na s p e c t sa m o n ga l ll o o mc o n t r o lm e t h o d s o n ei st h ec o n t r o l o fp i c k i n gs h u t t l ea n dp r o p u l s i o n ；a n dt h eo t h e ri sl o o ml e to f fa n dt a k i n gu pt e n s i o n c o n t r o ls t r a t e g i e sw h i c hd e t e r m i n et h ep r o d u c t sq u a l i t y m e c h a n i c a l 、a cs e r v oa n d h y d r a u l i c l o o ml e to f fc o n t r o lm e t h o d sa r et h ef r e q u e n t l yu s e dt e n s i o nc o n t r o l m e t h o d s a n dc o n t r o ls t r a t e g i e si n c l u d ef u z z yc o n t r o l ，p dc o n t r o la n di n t e l l i g e n t c o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r ，h y d r a u l i cl o o ml e to f fm e t h o di sp r o p o s e db ye s t a b l i s h i n gi t s m o d e l 、i t l lan e wn o n l i n e a rt e n s i o no b s e r v e ra n ds l i d i n gm o d et e n s i o no b s e r v e ra tt h e s a m et i m e ，w h i c hw i l le n h a n c et h ep r e c i s i o no fl o o ml e to f fa n dt a k eu pt e n s i o n a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fp i c k i n gs h u t t l e ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e wa n g l e p r i n c i p l eb a s e dc o n t r o lm e t h o dt os a t i s f yi t sh i g h e rp r e c i s i o no r i e n t a t i o nr e q u i r e m e n t c o n s i d e r i n gm a k i n gl o o ma st h eo b j e c t ，t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h eo r i g i n a l p r o b l e mo ft h es y s t e m ，p r o p o s e si t sc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e md e s i g ns c h e m e ， d e s i g n st h es c h e m e so fi t s e l e c t r i cc o n t r o l s y s t e m a n d p r e s e n t s i t sl o c a la n d m o n i t o r i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e m f u r t h e r m o r e ， b a s e do na b o v ew o r k s ， h y d r a u l i cl o o ml e to f fs y s t e m sm a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d l o c a lo p e r a t i o n a n ds i m u l a t i n gr e s u l t ss h o w st h a tt h i sn e wl o o mh a st h eh i g h e rp e r f o r m a n c eo n d e p e n d a b i l i t y ，m o n i t o r i n ga b i l i t y ，e f f i c i e n c ya n dq u a l i t ya tt h es a m et i m e u n d e r t h ea n a l y s i so fh y d r a u l i cl o o ml e to f f , n o n l i n e a ra n ds l i d i n gm o d et e n s i o no b s e r v e r c o n t r o ls t r a t e g yi s p r o p o s e da n d i t s v a l i d i t ya n dt h ee f f e c t i v e n e s sa r ev e r i f i e d t h e o r e t i c a l l y k e y w o r d s ：l o o m ，h y d r a u l i cc o n t r o l ， s e r v ov a l v e ， o b s e r v e r s ，t e n s i o nc o n t r o c o m p u t e rc o n t r o l ，a n g l ep r i n c i p l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：砒锄j 签字日期：洲，年月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅叁翌有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘注盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：黝， 1 导师签名：力 签字日期：历矿年月，日签字日期：乃，厂年f 月c 乒日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着国内外先进制造技术的发展，织物的需求量日益增加，质量要求也越来 越高。常见工业用织物包括造纸聚脂网、土工布、工业用呢、地毯底布和环保， 化工等工业用网。本论文设计造纸网织机，用于生产造纸用网。纸张在我国是一 项消耗量巨大的产品，已经成为人们日常生活中不可缺少的一部分。在生产过程 中，纸浆在造纸网上沉淀脱水形成纸张雏形，所以造纸用网的质量将直接影响纸 张生产的质量优劣。造纸网由金属合金或特殊的聚酯材料制成，网线按照特定的 织造要求编织而成，纸张的质量直接与网织机的结构、控制方式有关。 1 1 1 国际织机发展 1 7 8 5 年英国人爱德蒙卡特赖特( e d m u n d c a r t e r i g h t ) 发明了第一台用动 力传动的力织机，从此开始了工业化织造的年代，但是力织机所采用的引纬原理 在本质上与早期人类所使用的平织机并没什么不同，两者都是用梭子( 引纬器) 载物运纬纱，通过由经纱形成梭口，使经纬纱交织丽成为织物，因此这种织机也 称为有梭织机。l g 世纪末期，力织机又进一步发展成为自动织机，由于采用了 自动织机，一个织布工可以看管的台数扩大到十多台甚至数十台，从而大大地提 高了劳动生产率。2 0 世纪开始，领先的设计者开始背离了用梭子载纬的传统引 纬原理，试制从固定安装的大卷筒子上抽取纬纱，出现了无梭织机。 近几年来，国际上织机控制的发展趋势可以概括为：高速化，智能化，高可 靠性和多用性，以适应纺织物小批量、多品种，高质量的需求。主要体现在以 下几个方面： 1 计算机技术的应用：自动控制技术使织机的原动力技术有了根本的变化，加 上伺服电机和步进电机的应用，使织机的速率在较大范围变化，以适应各种纱线 和织物的织造技术要求。 2 送经卷取系统的改进：送经和卷取均为单独传动，并应用微电脑和电子技术， 可随时调整织机在运转过程中经纱的张力和纬密，确保织物的优质化。 3 织造工艺的改进：受控的纬纱张力器的应用使引纬变成更积极的过程，这样 减少了纬纱的张力，使现代化的织造技术更适用于纤细、易损的纬纱。 4 自动断纬技术：通过断纬自动处理装置，减少织机停台时间，提高织造效率 4 自动断纬技术：通过断纬自动处理装置，减少织机停台时间，提高织造效率 和速度。 第一章绪 论 当前国外织机的机械速度和入纬率都在普遍提高，并大量采用机电一体化技 术，以“电”代“机”以简化机构，提高速度和可靠性。 1 1 2 我国织机发展 我国织机研究工作起步较晚，造纸网织机机电一体化产品量少面窄，总体设 计水平不高，特别是在适应性、自动化控制方面与国际先进水平还有相当大的差 距，国内的高档织机市场主要被国外织机占有。据不完全统计，全国拥有各类织 机中大部分为有梭织机 2 1 。而且国内的网织机控制系统大多还是五十年代、七、 八十年代从国外引进的网织机机械系统，它以继电器接触器为主要元件，控制方 式很落后。因此，我国的网织机控制系统有巨大的开发潜力【3 j 。 1 2 织机的分类 按织物所用的原料、织物的厚重程度分： 轻型织机一如丝织机等，用以织制轻薄型织物； 中型织机一如棉、亚麻、毛织机等； 重型织机一如帆布、地毯、呢绒织机等。 按照所制织物的宽度分： 狭幅织机一筘幅1 1 0 c m 以下的织机； 阔幅织机一筘幅1 1 0 c m 以上、1 9 0 c m 以下织机； 特幅织机一筘幅1 9 0 c m 以上的织机。 按照织物的用途分： 常用织机一一般织制衣着和装饰用织物等； 专用织机一织制造纸毛毯、地毯、帆布等。 有梭织机按照用梭的数目分： 单梭箱织机一只能制织一种纬纱品种的织物； 多梭箱织机一能织若干纬纱品种的织物。 按开口机构形式分： 踏盘开口织机一用凸轮机构完成开口运动，织造平纹、斜纹、缎纹等织物 多臂开口机构一多臂机构完成开口运动，织造小花纹和组织较复杂的织物 提花开口织机一用提花机构来完成开口运动，织造大花纹织物。 按照引纬方式分： 有梭织机一有梭子引纬的常规织机； 无梭织机一分喷气织机、喷水织机、剑杆织机、片梭织机等【4 】。 。 第一章绪 论 1 3 研究意义 片梭织机主要用于织造工业用网，在纺织行业中占有很重要的地位，目前国 内的许多厂家都在使用该种织机。片梭织机是最早实用化且产品适应性最强的无 梭织机。片梭织机生产的产品质量优异，布面平挺光洁，织入光边完美整齐。片 梭织机对产品的适应能力强，长期经济性好，能源消耗少，纬纱的废边少，物料 消耗少，更换品种的费用较低。国内的许多纺织单位使用的织机多为机械式连动 控制结构，因而转速较低、生产过程周期长、操作复杂，控制精度低，不能够随 时调整生产工艺参数，也不能进行高档织物的纺织，高档织物的纺织还依赖国外 进口的织机，这很不适应我国纺织大国的现状，所以研制织机的计算机控制系统 对于提高我国纺织行业的技术水平有着重要意义。 目前，采用计算机控制，实现人机对话，完成各种先进控制功能，是高档 织机的标志和发展趋势。而送经卷取系统作为新型织机的通用性的运动机构，对 提高织机的织造速度和运转效率，改善织物质量，具有重要意义。 1 4 液压送经控制系统 液压技术主要是由于武器装备对高质量控制装置的需要而发展起来的。随 着控制理论的出现和控制系统的发展，液压技术与电子技术的结合日臻完善，从 而产生了广泛用于武器装备的高质量电液控制系统( 高响应能力、高精度、高功 率一质量比和大功率的控制系统) 。同时液压技术广泛地推广应用于许多工业部 门吼 造纸网织机送经装置大多采用机械式，也有的采用电子式送经装置，能否 在织造过程中保持均衡一致的经纱张力，是衡量送经机构性能的主要标志。机械 送经系统结构复杂，送经精度低，不能满足高质量产品要求，液压伺服系统和交 流伺服系统将会在送经系统中展现它的优越性。本论文采用液压伺服控制，液压 伺服控制与交流伺服控制系统相比，最突出的优点是体积小，重量轻、惯性小， 而产生的力矩可以非常大。在小功率系统中，采用电气伺服控制还是很有效的。 电液伺服控制可以允许较大的放大倍数，功率放大倍数可达1 0 6 ，可以获得较高 的动态与静态精度，时间常数o 1 l 旷s ，而电气控制一般在0 5 l o s ，抑制 能力强。此外，液压伺服系统调速范围宽，传动平稳，特别是低速具有良好的稳 定性，散热方便【6 】。其缺点是需要油过滤器。在送经系统中如何找到一种控制算 法简单，实现容易同时又能够较好的满足高精度的动态性能的要求的控制方法， 使经线张力恒定不变成为本论文主要研究的课题之一。 ，第一章绪 论 1 5 主要贡献和创新点 论文创新点之一：在国内首次将现场层p l c 和监控层计算机控制系统应用到 织机控制系统中，能随时监控织机的运行状态，便于维护，能根据实际要求灵活 方便地改变网纹的编织图案。 论文创新点之二：在控制方式上采用角度控制原则。通过角度编码器检测织 机的角位移，在不同的角度控制织机的多臂开口、引纬、投梭、平综、送经、卷 取。 论文创新点之三：将机械送经改成液压送经，并建立了液压伺服送经的数学 模型，提高了送经的精度。同时提出张力观测器，进一步提高了送经的精度，节 省了力传感器。 1 6 主要工作及结构安捧 论文的主要工作：在织机系统中，根据工艺要求，设计了整个织机的电气图； 设计了监控层页面、现场层p l c 的软硬件系统；建立了液压控制系统模型；设计 了力观测器；现场调试，运行良好。 结构安排： 第二章造纸网织机控制系统结构分析设计，本章介绍了造纸网织机系统的 总体结构，织机系统主要包括机械系统和计算机控制系统两大部分，主要介绍织 机机械系统构成、织机工作原理，为织机计算机控制设计、电气设计奠定基础。 第三章织机计算机控制系统设计方案，本章主要介绍织机计算机控制系统 设计思路、控制方案、控制系统结构。根据织机系统工艺要求及电器设备特点， 采用监控层和现场层可编程控制器p l c 控制，通过编程可改变工艺流程，同时 使人机对话更为方便。 第四章织机送经卷取控制系统设计，根据国际织机发展趋势，具有高精度、 快响应的张力控制系统成为本章选择对象和研究方向。本章主要介绍送经卷取系 统的机械结构、工作原理和液压伺服送经控制系统设计，并建立液压伺服送经的 数学模型，设计力观测器。 第五章织机的p l c 系统设计。本章主要介绍织机p l c 电气系统设计和p l c 软硬件设计方法。 第六章织机监控层控制系统设计，本章主要介绍监控层s i m a t i cw i n c c 的 组态功能、特点、组成、织机监控层设计画面。 第三章织机控制系统结构分析 第二章织机控制系统结构分析设计 本章介绍了造纸网织机系统的总体结构，织机系统主要包括机械系统和计 算机控制系统两大部分，主要介绍织机机械系统构成、织机工作原理、机械设计 特点、织机传动结构。 2 1 织机工作原理 织机的结构简图如图2 1 所示。经纱s 从织轴l 上引出，绕过后梁3 ，并 穿过综框4 的综眼，综框上下分别运动，使穿入综眼中的经纱分成两层，形成梭 口，使经纱与纬纱交织成织物，然后经过胸粱6 ，导网辊7 ，最后将织物卷在卷 网辊a j 钔。 图2 1 织机的结构简图 s 一经纱1 一织轴2 导辊 4 一综框5 一打纬机构6 一胸梁 2 2 织机整体结构设计 3 一后粱 7 一导网辊 织机由机械系统和计算机控制系统两大部分组成。机械系统主要由多臂变 换、送经、投梭、引纬、卷取五大部分组成。计算机控制系统由监控层p c 和现 第二章织机控制系统结构分析 场层p l c 及电气控制柜组成。 织机按其功能可分为以下几个机构： 多臂开口机构一按织物的要求，将经纱上下分开，形成梭口；开口方式： 机械传动多臂开口，1 7 片综； 投梭机构一用梭子或载纬器将纬纱引入梭口：投梭方式：气动投梭； 卷取机构一将织物引离织口，卷到卷网辊上；卷取方式：液压马达积极 卷取； 打纬机构一将引入梭口的纬纱推向织口；打纬方式：四连杆打纬； 引纬机构一用引纬器将纬纱推向织口；引纬方式：片梭式双侧引纬； 送经机构一从织轴上均匀的送出经纱，以满足织物的需要；送经方式 液压伺服电机的半积极半消极送经方式。 2 3 织机传动系统图 织机传动系统如图2 2 所示，织机的送经、多臂开口、卷取、引纬、投梭 分别通过三个驱动源实现；电动机驱动多臂开口机构；液压马达驱动送经和卷取 机构；主轴角度编码器控制气缸投梭、控制电磁阀驱动引纬系统，织机工作中各 个运动之间的配合由电器互锁软件编程实现 图2 2 织机传动系统图 2 4 织机引纬工作原理 片梭织机不同于有梭织机，是依靠带有梭夹的片梭从筒子上引纬。在实际织 造过程中，由于织造的是工业用织物，此类织物经、纬线很粗，纬向负荷大的特 点，因此采用片梭式双侧引纬方式来实现。 第二章织机控制系统结构分析 引纬工作原理：片梭由梭壳及装在梭壳内的梭夹组成，两者用钉联结。梭夹 两臂的端部组成一个钳口，钳口之间有一定的夹持力。当钳1 3 闭合时，梭夹就把 纬纱头夹住；当钳口张开时，纬纱头就释放，或把新的纬纱头送入钳口。在片梭 织机上，每引入一根纬纱，梭夹就必须开闭两次，即：钳1 3 张开( 送入纬纱头) 一钳口闭合( 夹住纬纱进行引纬) 一钳口张开( 引纬完毕后，钳口张开释放纬纱 头) 一钳口闭合，实现引纬动作。为了使梭夹开闭，在片梭的一端有一圆孔，当 在中间伸入张钳器时，钳口张开，当张钳器退出圆孔时，钳口就闭合”。图2 3 所示为片梭织机引纬原理图，工作过程描述如下： 1 一递纬夹2 一张力平衡杆3 一压纱器4 一筒子5 、7 、8 一导纱器 6 一片梭9 一边纱钳i 0 - - 剪刀 1 1 一定中心器1 2 - - 钩边针1 3 - - 输送链 图2 3 引纬工作原理图 第二章织机控制系统结构分析 1 片梭6 开始从输送链1 3 送往引纬位置。这时梭夹钳口逐渐张开，并向握持着 纬纱头的递纬夹1 靠近。同时张力平衡杆2 位于最高位置使纬纱张紧，压纱器3 则压紧纬纱。 2 片梭6 到达引纬位置。这时张开的梭夹钳口对准递纬夹的钳口。张力平衡杆 2 与压纱器3 保持上述状态。 3 完成把纬纱从递纬夹转交给梭夹的交接过程。这时梭夹口闭合，握住纬纱， 递纬夹的钳口则张开，即完成了纬纱的交换过程，同时，片梭6 已作好向梭口飞 行的准备，压纱器3 则开始上升，而张力平衡杆2 则开始下降。 4 投梭。握持纬纱的片梭从引纬侧飞经梭口到达压梭侧。这时纬纱从筒子4 上 退绕下来( 5 、7 、8 为导纬器) 。压纱器3 升到最高位置以解除对纱线的制动， 张力平衡杆2 则降到水平位置。 5 压梭及片梭回退。片梭6 在压梭侧被制动后，依靠片梭回退器( 图中未画出) ， 将片梭推回到靠近布边处。这一动作的目的是为了使钩入布边的纬纱头的长度控 制在最低限度内。这时压纱器3 最大程度地压紧纬纱，张力平衡杆2 则略为上升， 这样，就可以使由于片梭回退而松弛的纬纱( 在梭口中) 被张紧到适当的程度。 同时递纬夹1 移动靠近布边处，递纬夹钳口开始第二次张开。 6 递纬夹准备夹纬。这时，定中心器1 1 向纬纱靠近，并将纬纱推入张开的递纬 夹钳口中。两只边纱钳9 则在靠近布边处将纬纱夹住。压纱器3 与张力平衡杆2 则保持同上位置。 7 递纬夹完成夹纱动作，这时，递纬夹1 的钳口第二次闭合并夹持纬纱。张开 的剪刀1 0 上升到纬纱处并准备切断纬纱，压纱器与张力平衡杆仍保持同上位置。 8 剪纬。这时，剪刀1 0 在引纬侧将纬纱在递纬夹1 与边纱钳9 之间切断。在压 梭侧的片梭的梭夹钳口再次被打开，纬纱头从钳口中脱出，这样梭口中的纬纱就 被两侧的边纱钳9 所夹持。与此同时，在压梭侧的片梭则被推入输送链1 3 ，再 由输送链向引纬回送。 9 递纬夹开始向纬纱交接位置移动。这时，递纬夹1 握持着纬纱向左侧移动。 压纱器3 仍对纬纱制动。两只边纱钳9 与钢筘同时移向织口，将纬纱打入织口， 而在布边两侧的纬纱头仍被边纱钳所握持。这时，剪刀1 0 下降。 1 0 递纬夹回复到纬纱交接位置。这时，递纬夹1 再次回到最左侧位置，即与梭 夹发生纬纱交接的位置。张力平衡杆2 上升到最高位置，便纬纱保持张紧。由边 纱钳9 所夹持的纬纱头则被左右两只钩边针1 2 钩入梭口中，形成布边。与此同 时，在引纬侧又有一只片梭开始从输送链1 3 送向引纬位置。 第二章织机控制系统结构分析 2 5 梭箱工作原理 织机左右两侧对称分布着梭箱，其结构示意如图2 4 所示，梭箱机械结构如 图2 5 所示。当梭子进入梭箱时，撞击皮结1 3 ，压迫气液缓冲阀1 4 的活塞杆， 接近开关1 2 检测到梭子到达预定位置时，电磁阀通电使压梭缸1 5 动作，压梭杆 1 6 制动住梭子，当g h 沿图示方向运动时，压杆1 6 作平动，靠紧梭子侧面，使 梭子定位；投梭前气缸1 5 活塞反向，压梭杆1 6 释放梭子。微型气缸l o 、1 1 分 别为放纬，夹纬气缸( 另一侧与之相反) ，梭子定位后，气缸动作，其活杆在 e 处施力，使纬夹a 打开，准备夹纬。当梭子随筘座运动至前心位置时，气缸1 l 恢复，使纬夹a 闭合夹持住纬线( 丝) ，气缸1 0 也是在前心处动作，开纬夹b 释 放纬线( 丝) ，投梭前恢复，使钳口b 闭合。 一。，趣y iii y 一。 婿f p 3 峄” 7 一片梭 1 3 一投梭皮结 1 0 、l l 一放纬、夹纬气缸1 2 一检测接近开关 1 4 一气液缓冲器1 5 一压梭气缸1 6 一压梭杆 图2 4 梭箱结构示意图 图2 一s梭箱结构图 第二章织机控制系统结构分析 1 一梭箱镬板2 一梭箱前挡板3 一梭箱上挡板4 一梭箱后挡板 5 一梭子压板6 一固定板 7 一支架18 一制梭块 9 一气缸接头1 0 气缸1 1 一支架21 2 一气缸支架1 1 3 一接触杆1 4 一梭箱挡纬片1 5 一接近开关1 6 一气缸支架2 1 7 一气缸 3 6 弓i 纬梭箱动作角度圆形图设计 考虑引纬、梭箱的动作比较多，在设计中采用角度控制规则。自动工作过程： 压梭、开夹、送纬、闭夹、投梭、压纬、挑纬、拨纬，上述动作的实现均采用微 型气缸作执行元件。各气缸由一台气压泵供气，每个气缸用电磁阀单独控制，各 执行动作时间即为控制电磁阀的通电时间，即角度范围控制电磁阀的通电时间。 根据本织机机械结构设计，7 2 0 度完成一个循环周期，3 6 0 度完成左投梭过程， 另外3 6 0 度完成右投梭过程。经现场实际调试运行，本织机的角度控制范围如图 2 6 所示，它是各执行元件动作与织机转角的配合圆形图。 图2 6织机转角圆形图 第三章织机计算机系统设计方案 第三章织机计算机系统设计方案 根据织机系统工艺要求及电器设备特点，需要控制和检测的信号比较多，有 开关、按钮、传感器、保护触点等输入量j 有电磁阀、接触器、继电器、指示灯 等输出量需要控制：生产高质量造纸用网，需要高质量的网织机，织造过程中， 要求故障率低，可靠性高。经过综合考虑，采用现场层和监控层。现场层用可编 程控制器p l c ，p l c 可靠性高，抗扰能力强、通过编程可改变工艺流程，监控 层可实现现场的监视与控制，使人机对话更为方便。本章主要介绍织机计算机系 统的设计思路、控制方案、控制系统结构。 3 1 织机计算机系统设计思路 3 1 1 传统电气控制存在问蹶 传统的织机电气控制系统普遍采用继电器、接触器控制技术，由于织造过程 复杂，采用低压电器元件较多，而且接线复杂，时常发生触点故障和元件故障， 维修困难；市场要求网纹花色品种较多，而传统的电气控制线路难以改变，导致 生产工艺不能改变，无法适应社会需求，生产效率低；国产低档织机目前采用的 仍是机械卷取和机械送经，机械卷取和机械送经是一种机械齿轮传动式卷网与送 纱过程，由于机械传动所固有的带隙缺陷，因此织物纬密很难达到高度准确，另 外，每次改变织物的纬密或纱线张力，都必须调整或更换机械部件，不仅费时费 力，生产效率也会降低。 3 1 2 解决思路 基于上述原因引入计算机控制技术，用p l c 内部的软继电器代替传统的继电 器硬触点，用编程语言或梯形图的无触点逻辑电路代替继电器、接触器逻辑控制 电路中复杂的连接关系；用监控层编程改变生产工艺，实现网纹变化，同时计算 机监控系统监视和控制现场工作状态，维护方便：将机械送经改为液压送经，由 液压组成的控制系统，其主要优点是操作方便、省力、系统结构空间自由度大， 易于实现自动化，并能在很大的范围内实现无级调速，可达1 0 0 ：1 至2 0 0 0 , 1 ， 如与电气控制相配合，可方便地实现复杂的程序动作和远程控制，此外液体传动 第三章织机计算机系统设计方案 还具有传递运动均匀平稳，反应速度快，冲击力小，能高速启动、制动和换向， 易于实现过载保护，流体控制元件标准化、系列化、和通用化程度高，有利于缩 短机器设计周期，降低成本，但是液压控制需要液压油，油的质量直接影响送经 精度，必须采用油过滤装置。 3 1 3 控制系统方案分析 总体思想：在工业现场，要求生产设备安全性、可靠性高，因此采用集散控 制方式阴。用工业控制计算机作为监控层主控器，监视系统的运行状态、故障报 警、设定和修改织机系统工艺参数，用可编程逻辑控制器( p l c ) 作为现场层主 控器，控制各个电气元件实现整个编织过程的位置控制、顺序控制，反馈控制。 织机计算机控制系统原理图如图3 一l 所示。 触摸显示屏 二次现场 lf p l c 回路设备 旧h 嚣甜 监控层系统现场层系统 图3 - - 1 织机计算机控制系统原理图 本系统主要由以下几部分组成： 工业控制计算机：它是控制系统核心，位于监控层，其主要功能：向p l c 发 控制命令、接收p l c 的状态信息并在屏幕上显示相关信息，达到控制和监视织 机现场工作状态。内部运行的软件主要有w i n d o w s 9 8 n t ( 中文标准平台) 、w i n c c 软件。 键盘、鼠标：由于在控制中采用触摸屏，运行中它们只作备用。 触摸操作显示屏：通过触摸屏可设定织机各部分运行角度、综框初始状态、 纬线选择、监视现场运行状态，完成对二次回路的操作，使人机界面变得十分 形象逼真。 p l c 可编程控制器：它是系统的现场层。采用s i m e n s 公司产品，由s 7 3 0 0 c p u 、 电源模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入输出模块等组成， 通过逻辑编程完成对系统监控层、现场层之间的信息传送，对执行机构进行控 第三章织机计算机系统设计方案 制，编程软件采用s t e p 7v 5 2 。 二次回路主要由继电器、接触器、 运行状态指示灯等组成。 现场设备：织机多臂开口、送经、 3 2 织机控制系统结构设计 电磁阀、放大器、传感器、按钮、开关、 卷曲、引纬、投梭系统。 根据织机工艺技术要求，考虑到可靠性和经济性，该系统设计应当是集机械、 液压传动、电气、通讯、计算机、检测技术于一体，从功能上可分为执行机构、 液压传动、气动传动、电气控制、自动检测、远程监控1 5 】【6 】【7 】。控制系统结构图 设计如图3 2 所示。 图3 2 织机控制系统结构图 织机自动工作过程：变综( 变经线) 开夹送纬闭夹一投梭一卡纬一断 纬一挑纬一拨纬一变综，同时实现自动送经。 织机手动工作过程：前后卷网、手动投梭、禁止投梭、回织倒车、自动复位。 织机电气设计：为实现织机的运动，在电气上用了七台电机。m 1 、m 2 是两 台主电机，通过减速、曲柄等机械传动装置带动多臂的上下运行，网纹设定是通 过监控层编程，在触摸屏上设定多个综框的初始状态来实现。m 3 是液压电机， 与压力传感器组成液压控制系统，带动织轴送经，送经过程中保持经线的张力不 第三章织机计算机系统设计方案 变：同时通过液压传动控制系统实现自动卷网。梭子和纬线的监控状态由监控层 设定的控制角度接通相应电磁阀，通过传动装置控制它们的运动。m 4 电机是液 压冷却泵电机。m 5 是卷网电机，用于手动卷网，m 6 是左润滑电机，m 7 是右润滑 电机。三辊打开与闭合由三辊液压阀控制，三辊合上后才开始织网。 第四章送经卷取液压伺服控制系统 第四章送经卷取液压伺服控制系统设计 送经控制系统是织机控制系统的重要组成部分，其性能与织物的质量直接相 关。送经和卷取机构就其卷绕过程而言是一动态时变过程，其张力控制水平将直 接影响织物质量，张力控制系统要求超调和延时小，起动调节及时，张力波动小。 根据国际织机发展趋势，具有高精度、快响应的张力控制系统成为本章选择对象 和研究方向。本章首先介绍送经卷取系统的机械结构、工作原理和液压伺服送经 卷取控制系统，然后建立液压送经系统的数学模型，提出高精度的张力控制观测 器，仿真结果表明控制精度高，鲁棒性强，同时省去了高精度的压力传感器，减 小了控制系统的成本造价。 4 1 液压伺服控制发展 液压伺服控制是一门新兴的科学技术，5 0 至6 0 年代以后才逐步发展起来， 并形成一门发展学科。近几十年来，由于整个工业技术的发展，尤其是在军事上 和航空与宇航技术上所应用的伺服控制系统逐步向快速、大功率、高精度的方向 发展，液压伺服控制具有的反应快、重量轻、尺寸小及抗负载刚性大等优点，特 别受到了重视，因此，液压伺服控制作为一种新兴的技术学科迅速地发展起来o 5 0 年代初出现了快速反应的永磁力矩马达，它是一个电气一机械转换装置，力 矩马达与滑阀的适当组合，形成了电液伺服阀。5 0 年代末又出现了力矩马达、 喷嘴挡板阀，滑阀组合的二级电液伺服阀，进一步提高了电液转换的速度。6 0 年代以后，各种伺服阀的新结构相继出现。特别是7 0 年代未8 0 年代初逐渐完善 和普及的计算机控制技术为电子技术和液压技术的结合奠定了基础。大大提高了 液压控制系统的功能与完成复杂控制能力。液压伺服今后朝着高压大功率、高可 靠性、理论解析与特性补偿，与微机结合产生各种智能的电气液压伺服控制方向 发展1 8 】。现在，液压伺服控制己在自动化领域占有重要位置，凡是需要大功率、 快速、精确反应的控制系统，都已采用了液压伺服控制。液压伺服与电气伺服控 制系统相比，最突出的优点是体积小，重量轻、惯性小，而产生的力矩可以非常 大。在小功率系统中，采用电气伺服还是很有效的。此外，液压伺服系统调速范 围宽，传动平稳，特别是低速具有良好的稳定性，散热方便。 第四章送经卷取液压伺服控制系统 4 2 送经机构工作原理及类型 4 2 1 送经机构工作原理 送经机构是织机五大机构之一，送经系统的性能直接影响产品的质量，送 经系统是根据织物的纬密大小，在织造过程中及时送出定量的且具有一定张力的 经纱，以维持织造生产的连续进行。送经机械结构图如图4 1 所示。 工作原理：送经装置由液压马达，液压制动器，一套行星齿轮减速器( 一 级减速) ，圆柱齿轮减速机( 二级减速) ，经轴组成。织造过程中，退绕运动液压 制动器放开，液压马达通过法兰带动行星齿轮减速器转动，然后又经过圆柱齿轮 减速机二级减速，将转动传到经轴退绕织造出所需要的送经量。液压马达的转速 由张力电液伺服阀的开口量决定，织机停车时液压制动器迅速闭合制动液压马 达，以防因系统的惯性引起多送经纱而产生的经纱张力松弛1 4 j 。 1 一织轴 2 一大齿轮3 一小齿轮4 一行星齿轮减速器5 一液压马达 图4 1送经机械结构图 4 2 2 送经机构类型 若按经纱送出的方式来分类，各种送经机构可归纳为下面三种类型。 1 、消极式送经机构。在这种机构中，经纱从织轴上退绕是靠经纱的牵引， 而不是靠送经机构的推进。在主轴回转的过程内，经纱张力随着开口、打纬、卷 取等运动周期性变化，当经纱张力作用与织轴上的拖动力矩超过施与织轴上的制 动力矩和轴筒上的摩擦阻力矩时就会牵引织轴做微量转动，放出相应长度的经 第四章送经卷取液压伺服控制系统 纱。为了保证织造过程中所需的张力，对织轴要加以适当的制动力，而且制动力 应随着织轴上经纱卷取直径的减少相应减少，调节制动力的方式有两种：一种是 手动调节，另一种是自动调节。因此，消极式送经机构又可分为手动和自动调节 两种形式。 2 、积极送经机构。在这种机构中，经纱送出不是靠经纱张力而是靠织机的 某一运动部分积极的传动织轴，送出经纱。在积极式机构中，经纱所受的张力和 变形要比消极式送经小。按照织机运动性质的不同，积极式送经机构又可分为连 续式和间歇式两种。 3 、半积极半消极式送经机构。在这种机构中，织轴作强制回转送出经纱， 通过经纱张力调节机构来控制。一般采用活动后梁作为经纱张力大小的传感器， 它的位置随经纱张力的变化而变化。当经纱张力大时，调节机构的动作必须灵敏 而准确，每次调节后织轴送出的经纱长度应能满足织造的需要，保持经纱的张力 的稳定而且要有比较大的调速范围，以适应织造多品种的需要。半积极半消极式 送经机构按照调节功能的不同，分为以下两种： a 单调节的半积极半消极式送经机构：不论是经纱张力的偶然变化或织轴直 径减小而引起的张力变化，均由经纱张力调节机构来控制。 b 双调节半积极半消极式送经机构：由张力调节机构来控制经纱张力的偶然 变化，由织轴直径感测机构控制织轴直径逐渐减小时引起的张力变化。 4 3 送经液压伺服系统设计 4 3 1 电液伺服控制系统结构设计 电液伺服系统是由电气的信号处理部分与液压的功率输出部分组成的闭环 控制系统，电液伺服系统综合了电气和液压两方面的优点，具有控制精度高、响 应速度快、信号处理灵活、功率大等优点。液压伺服控制的基本原理是液压流体 动力的反馈控制，即利用反馈连接得到偏差信号，再利用偏差信号去控制液压能 源输入到系统的能量，使系统向着减小偏差的方向变化，从而使系统的实际输出 与希望值相等【8 】。考虑到织机工艺复杂，经线张力要求精度高，因此采用串级控 制系统。串级控制系统在结构上与电力拖动自动控制系统中的双环控制系统相 同，其系统特点与分析方法亦有些相似。串级控制系统特点是：改善了被控制过 程的动态特性，提高了系统的工作频率，具有较强的抗扰动能力，具有一定的自 适应能力。在过程控制中，一般工业过程的都有一定的非线性，当负荷变化时， 过程特性会发生变化，会引起工作点的移动。这种特性的变化通常可通过选用调 第四章送经卷取液压伺服控制系统 节阀的特性来补偿，使广义过程的特性在整个工作范围内保持不变，然而这种补 偿的局限性很大，不可能完全补偿，过程仍然有较大的非线性。此时单回路系统 往往不能满足生产工艺要求，如果采用串级控制系统，由于它能适应负荷和操作 条件的变化，自动调整副调节器的给定值，从而改变调节阀的开度，使系统运行 在新的工作点上【9 】。当然，这会使副回路的衰减率有所变化，但是对整个系统的 稳定性影响却很小。串级结构图如图4 2 所示。 ? 毫i r 一 ， 厄$ l 瓜碌 l 图4 2串级控制系统结构图 送经液压伺服控制系统设计：以电液伺服阀作为副回路，以压力作为主回 路组成串级控制系统。并应用以滑阀位移作为副参数，以压力为主参数的串级控 制系统。送经液压伺服控制系统结构图设计如图4 3 所示：其中v o 是p l c 输出 的给定电压，以是压力传感器反馈回来的张力电压值，偏差a v 经过一个p i d 的 电放大器，输出电流甜，控制电液伺服阀位移，t ，控制液压马达的转速，液 压马达驱动织轴输出定量的恒张力经沙，经沙张力由压力传感器反馈到输入端与 给定张力比较，偏差由p i d 调节，选择适当的比例、积分、微分值可使误差降到 最低程度。 图4 3 送经液压伺服系统结构图 第四章送经卷取液压伺服控制系统 4 3 2 电液伺服捆数学模型 电液伺服阀既是电液转换元件，也是功率放大元件，它能够将小功率的电信 号输入转换为大功率的液压能( 流量与压力) 输出，是电液伺服控制系统的核心。 电液伺服阀构成如图4 4 所示。电液伺服阀都是由电气机械转换器和液压放大 器所级成。电气和机械转换器将小功率的电信号转变为阀的运动，然后通过阀的 运动又去控制液压流体动力( 流量与压力) 。电气机构转换器的输出力或力矩很 小，在流量比较大的情况下，无法用它来直接驱动功率阀。此时，需要增加液压 前置放大级，将电气机械转换器的信号输出放大，控制功率阀，就构成了多级电 液伺服阀i lo 】。 液压放大器 - _ - _ _ - 一 输出 酽 i 塑囹! i l 一一j 电液伺服阀基本构成 设计中采用双喷嘴一挡板两级放大的位置力反馈电液伺服阀，结构如图4 5 所示，由三部分组成。电磁力矩马达：将电气装置输入的电信号转换为机械 量，即力( 力矩) 和位移。作为电液控制元件的前置级。电一机械转换元件采用 电磁作用原理设计，当电流通过两线圈产生磁通，左右两端磁场对衔铁的作用力 形成力矩，当偏转的电磁力矩与反馈杆( 即弹簧管) 变形的弹性力矩平衡时，偏 转停止，弹簧管获得相应的偏转角度。双喷嘴一挡板前置放大器：弹簧管也就是 挡板，输入电流，挡板偏转一角度0 ，两喷嘴到挡板的距离发生变化，使四通滑 阀阀芯两端产生压力差。功率放大级一四通滑阀：受控的四通滑阀与反馈杆相连， 当阎芯两端有压差，推动主阀芯偏离中间位置，产生位移，同时拉动反馈杆，使 喷嘴一挡板处的挡板偏移量减小，随输出位移量的增大，挡板偏移量逐渐减少， 直减至0 ，喷嘴后两腔控制压力相等，压差为0 ，阀芯在相应的位移处停止。下 面建立电液伺服阀数学模型。 第四章送经卷取液压伺服控制系统 1 一磁铁2 一导磁体3 一控制杆4 一衔铁5 阀芯6 一阀体7 、8 控制线圈 9 - - 挡板 l o 一喷嘴1 1 一反馈弹簧杆1 2 一液压通道1 3 一固定节流口 图4 5双喷嘴一挡板两级放大位置力反馈电液伺服阀 力矩马达基本方程式： 输入信号