（控制理论与控制工程专业论文）高速并条机自调匀整在线检测系统的研究.pdf

学位论文的主要创新点 f i i ii i ii ii i i iii i i i ii il y 17 7 3 2 3 7 一、用一只传感器可在现场检测棉条的各种质量指标，实现了装置便携性和多功 能的特点。 二、采用系统辨识技术，在求出棉条线密度并计算出变异系数c 圪之后实现了 c 一c 关系的建模和p l c 实现辨识数据处理。 摘要 随着我国纺纱工艺的日益提高，纺织产品的质量也越来越受到人们的关注。 并条机采用自调匀整装置主要是控制棉条的重量偏差和改善棉条的均匀度，从而 实现生产过程的智能控制和自动检测，因此一个性能好又稳定的控制系统是自调 匀整装置正常工作的关键和保证。然而，目前传统的自调匀整装置其控制速度和 检测精度都无法满足生产的要求。本课题的目的就是设计一种比较先进的自调匀 整在线检测系统，对自调匀整装置进行高效和稳定地控制。 本文介绍了自调匀整装置的组成和特点，阐述了并条机自调匀整在线检测系 统的控制原理。设计了以欧姆龙公司c p l h x a 型p l c 为核心的控制系统，棉条 质量检测机构采用凹凸罗拉检测，激光传感器将检测到的信号送入p l c 中，利 用伺服电机控制精度高的特点，在控制算法上采取分区变比值控制来调节罗拉转 速达到匀整输出的目的。同时，采用系统辨识技术实现c 圪一c 圪关系的建 模，并利用p l c 编程技术实现辨识数据处理。人机界面采用触摸屏，方便棉条 质量检测和现场参数调整。 最后，对所设计的并条机自调匀整检测装置进行大量棉条匀整实验，实验结 果表明所设计的并条机自调匀整检测系统能够有效的控制棉条的不匀率，实现了 在线控制与检测的便携式，为该系统在日后生产中广泛应用提供了保证。 关键词：并条机，自调匀整，在线检测，系统辨识 a b s t r a c t w i mt h ei m p r o v e m e n to fs p i n n i n gt e c h n o l o g yo fo u rc o u n t r yd a y a n dd a y , t h e q u a l i t yo ft e x t i l ea t t r a c t sp e o p l e s a t t e n t i o n d r a w i n gf r a m e c a nb ea c h l e v e dt h e p r o d u c t i o np r o c e s so fa u t o m a t i cc o n t r o la n dd e t e c t i o nb y a d o p t i n ga u t o 。l e v e l i n g ， i m p r o v i n gt h eh e a v yb i a sa n du n e v e n n e s so ft h eo u t p u ts l i v e r t h e r e f o r e ，a c o n 仃d l s v s t e mw i t hg r e a tp e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t yi st h ek e y a n dg u a r a n t e eo fa u t o 。l e v e l i n g d e v i c ew o r k i n gn o r m a l l y h o w e v e r , t h es p e e da n dd e t e c t i o na c c u r a c yo ft r a d i t i o n a l a u t o 1 e v e l i n gc a nn o tm e e tt h ep r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t s t h ep u r p o s e o ft h er e s e a r c h i st od e s i 龋am o r ea d v a n c e da u t o l e v e l i n gs y s t e mt h a tc a nc o n t r o la n dm o m t o r a u t o 1 e v e l i n gd e v i c ee f f i c i e n t l ya n ds t a b l y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o m p o s i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea u t o l e v e l i n g c o n t r 0 1s y s t e m ，a n a l y z i n g i t sc o n t r o lp r i n c i p l e t h es y s t e ma d o p t s o m r o n c p lh x as e r i e sp l c a si t sc o n t r o lc e n t e rc o m b i n e dw i t hl a s e ri n s p e c t i o na n ds e r v o m o t o ra c h i e v el e v e l i n g c o t t o ns l i v e rd e t e c t i n gu s i n gl a s e rd e t e c t i o nd e v i c e ，p l c a d i u s t sd r a f t i n gr a t i oc a l c u l a t e de v e n l ye q u a t i o na c c o r d i n g t ot h es i g n a lf r o mt h el a s 盯 s e n s o r t h eu s eo fs e r v om o t o rf e a t u r e sh i g ha c c u r a c ya l e r tr o l l e rs p e e di no r d e rt o a c h i e v ee v e na n do r d e r l yo u t p u tp u r p o s e sb yu s i n gz o n i n gv a r i a b l er a t i o c o n t r o l a c h i e v e dm o d e l i n go ft h er e l a t i o n s h i p o fc 圪一c v b yu s i n gs y s t 锄 i d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u e s ，a n da c h i e v e di d e n t i f i c a t i o nd a t ap r o c e s s i n gb yu s i n gp l c p r o 封a m m i n gt e c h n i q u e s c o n t r o ls y s t e ma l s oc o n n e c t st o u c hs c r e e n i tc a n d i s p i a y t h es l i v e ru n e v e n n e s si n d e x e sa n dt h ei r r e g u l a r i t yc u r v ec o n t i n u o u s l y a tl a s t p l e n t yo fe x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt o t e s tt h es y s t e me n t i r e l y , t h e a u t o 1 e v e l i n gd e v i c es h o w st h a t c a nc o n t r o lc o t t o ns l i v e rw e i g h td e v i a t i o n 雠d u n e v e n n e s se f f e c t i v e l yb ya n a l y z i n ga n ds u m m a r i z et h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a l d a t a i th a se s t a b l i s h e dt h es o l i df o u n d a t i o nf i n a l l yt h r u s t i n gt h i ss y s t e mt ot h ew i d e s p r e a d a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：d r a w i n gf l a m e ，a u t o l e v e l i n g ，o n 。l i n et e s t ，s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义一1 1 2 自调匀整的概述2 1 2 1 并条工序简介2 1 2 2 棉条不匀的原因3 1 2 3 自调匀整装置的组成4 1 3 国内外研究状况4 1 3 1 国外研究状况4 1 3 2 国内研究状况5 1 4 课题的来源和主要研究内容6 第二章系统总体设计方案及其分析7 2 1 自调匀整装置的设计7 2 2 系统控制方式的选择8 2 3 检测机构的分析l o 2 3 1 棉条检测的依据1 0 2 3 2 检测机构的功能。1 l 2 3 3 检测罗拉1 2 2 4 牵伸机构分析1 4 2 4 1 牵伸的原理1 4 2 4 2 牵伸倍数的确定16 2 5 延迟机构分析l7 2 5 1 延迟机构模型分析17 2 5 2 延迟时i 目j 的确定一2 l 2 5 3 延迟控制的实现2 1 第三章系统的硬件设计2 3 3 1 系统的硬件设计方案2 3 3 2c p l h 系列p l c 的介绍2 4 3 2 1p l c 的结构2 4 3 2 2p l c 与上位机的通信2 6 3 3 检测装置的设计2 8 3 3 1 棉条质量检测装置的结构2 8 3 3 2 激光传感器的原理2 9 3 3 3 激光传感器与p l c 的连接3 0 3 4 伺服电机控制单元31 3 4 1 伺服电机的选择一3l 3 4 2 控制模式的确定3 2 3 4 3 定位匀整控制3 4 3 4 4 速度控制3 5 3 4 5 伺服驱动器与p l c 的连接3 5 3 5 前罗拉测速模块设计3 6 3 5 1 测速方法的选择3 6 3 5 2 测速方法的实现3 8 3 6 人机界面3 8 3 6 1 人机界面的选择一3 8 3 6 2 触摸屏的连接3 9 3 7 电器控制柜4 0 第四章系统的软件设计4 3 4 1 主程序流程设计4 3 4 2 定长检测模块的设计4 5 4 2 1 采样片段的确定4 6 4 2 2 延迟时间的控制4 7 4 3 棉条质量处理方案4 7 4 3 1c v 值的计算4 7 4 3 2 系统辨识技术5 0 4 3 3p l c 实现数据处理5 3 4 4 伺服电机控制单元的设计5 5 4 4 1 专家控制系统5 5 4 4 2 控制算法5 6 4 5 前罗拉测速模块5 8 4 6 触摸屏界面的设计5 9 4 7 实验结果和分析6 1 第血章结论与展望6 3 5 1 结论6 3 5 2 展望6 3 参考文献6 5 攻读硕士学位期间发表论文和参加科研情况6 7 致谢6 9 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 棉条是棉纺工艺中的半成品，其均匀度对纺织工艺中其它工序的产品质量有 很大的影响。棉条在纺成粗纱、细纱的过程中，由于纤维的不均匀性和加工过程 中的各种随机因素的影响，其很短范围内的重量不匀率将影响很长范围内纱的质 量，最后将导致成纱强度降低，断头率高，均匀度差，品质指标低，严重影响织 物的质量和外观。粗纱前的梳棉和并条过程是改善棉条重量不匀率和成纱质量 的关键工序。而并条工序处在改善棉条重量不匀率的最后环节，其控制的效果将 直接影响成纱质量。 为了提高产品质量，改善产品的均匀度，使经过牵伸后的棉条不匀率尽量 减少，在高速生产条件下许多新型并条机都安装了自调匀整装置来实现并条工 序生产过程的控制和在线检测。在线检测可以和自调匀整装置配合使用，既可 作为自调匀整的反馈信号源，用于调节和检测片段不匀，又可以检测自调匀整一， 的匀整效果。自调匀整装置是一种用来控制棉条粗细不匀的自动调节装置乜1 ， 对于现代棉纺企业而言，自调匀整装置的控制在生产过程中有着极其重要的地 位。它能在减少工序的情况下改善纤维条干不匀率，也是保证产品质量的最有 效和最先进的方法。在线检测系统一般有检测传感器、数据计算处理器和结果 显示输出设备。检测传感器一般安装在棉条的输入和输出部位，数据计算处理 器通常为p l c 或计算机，它可以通过采集的数据计算棉条的各项不匀指标。显 示输出设备能够显示和打印棉条的不匀曲线和各项不匀指标值，显示输出设备 经常是被数据处理器驱动工作的。在线检测的数据处理器还可以相互通讯，使 检测结果可以集中管理和存档，对在线检测数据进行长期保存，以作为分析和 调节工艺参数的依据。 目前，国内的自调匀整检测系统大多数事还处在仿制和研究阶段，设计的 系统还不够完善，现场实用性不强。鉴于此，我们专门自主开发设计了一套控 制比较先进，检测精度较高的装置。该系统的设计具有较强的创新性与可行性， 应用前景广泛，能带来很好的经济效益，对于自调匀整在线检测高效控制具有 很大意义。 天津t 业入学硕士学位论文 1 2 自调匀整的概述 1 2 1 并条工序简介 棉纺织系统的工艺流程如图1 1 所示。原料经过开清棉和梳棉工序后，进 入并条工序，梳棉机制成的生条是连续的条状半制品，具有纱条的初步状念， 但其长片段不匀率很大且大部分纤维呈弯钩或卷曲状态，同时还有部分小棉束 存在。如果把这种生条直接纺成细纱，其品质将达不到国家标准的要求。所以， 还需要将生条经过并条工序进一步加工成熟条，以提高棉条质量。在并条工序 中，将6 8 根生条合并喂入并条机，制成一根棉条，使生条的长片段不匀率得 到改善。熟条的重量不匀率应降到1 以下，以保证细纱的重量不匀率符合国家 标准。 为了不使并合后制成的棉条变粗，须经牵伸使之变细。在纺纱过程中将须 条拉长拉细的过程称为牵伸，牵伸可使纤维平行伸直，并使小棉束分离为单纤 维，改善棉条的结构，为纺出条干均匀的细纱创造条件。及时调整并条的牵伸 倍数可以有效地控制熟条定量，以保证纺出细纱的重量偏差和重量不匀率符合 国家标准。通过各道并条机的反复并合与牵伸，可使各种不同性能的纤维得到 充分混合，分布均匀，以保证细纱染色均匀防止产生“色差”。在染色性能差异 较大的纤维混纺时尤为重要。对棉条的检测与控制是在并条工序中的牵伸过程 中实现的。检测与控制过程也叫做自调匀整。 并和牵伸 混合成条定量控制 图1 1棉纺织系统的i t ：艺流程 第一章绪论 1 2 2 棉条不匀的原因 棉条不匀是一个很复杂的问题，原因来自多方面，棉条的总不匀是所有不 匀成分的总和。不匀的主要原因大致有四个，即纤维分布的随机不匀、牵伸波、 机械缺点和其他原因d 1 。 1 纤维分布的随机不匀 当组成棉条的纤维完全被随机地配置于棉条中时，这种棉条称为随机棉条。 由于纤维细度并不均匀，纤维直径差异很大。也就是说，不同纤维具有不同的横 截面形状。在实际生产中，要达到棉条完全匀整的要求是不现实的。棉条实际的 随机不匀要大于计算数值，随机不匀率可作为衡量棉条不匀的参考值，即实际不 匀与最小随机不匀之差是降低不匀的具体目标。随机不匀有时称为不匀率的极限 和下限。 2 牵伸波 实际的棉条不匀率超过理论上最小的棉条不匀率，其原因之一就是牵伸波。 在机械状态为理想的条件下，牵伸后的棉条具有波的形态，这种波形是罗拉牵 伸造成的基本波形。这种由罗拉牵伸过程本身形成的波形称为牵伸波，它与机 械状态无关。 罗拉牵伸波的波形不如机械因素造成的波形那样有规律，其波长、波幅以 及相位都是变化的。由于棉条经过反复的牵伸与并合，使原来的波形被拉长， 且互相叠合，同时又产生新的波，以使牵伸波的形态更为复杂。形成罗拉牵伸 波的主要原因是由于在牵伸区中作用于纤维上的引导力与控制力经常发生波 动。其结果造成纤维运动的不规则或变速点分布循环性地前后震荡，在牵伸后 的产品上产生周期节粗节细。 造成波动的因素主要有：纤维性质差异及混合不匀，摩擦力界布置不合理， 喂入棉条粗细或结构不匀等。 3 机械缺点 主要的机械缺点有下列几方面： 1 ) 罗拉钳口移动。 2 ) 下罗拉表面速度不稳定。 3 ) 其他方面的机械因素，如中间摩擦力界所造成的缺点等。 4 其他因素 其他方面的因素主要和人的凶素有关，如操作和接头不良等。 棉条不匀经过粗纱、细纱牵伸后产生中、长片段的不匀或粗细节。采用白 渊匀整装置，可以对生产工艺参数、工艺故障进行检测和自停，对输出棉条的 天津1 ：业人学硕士学位论文 中片段不匀以至短片段不匀实施匀整。自调匀整的普遍采用为现代并条机在高 速调节下稳定和提高产品质量提供了最有效的保证。 1 2 3 自调匀整装置的组成 各种自调匀整装置的组成基本相同，一般是由检测系统、调节系统和执行 机构三个部分组成，如图1 2 所示h 3 。 检测系统调节系统执行机构 图1 2 自凋匀整装置的组成 1 检测系统：自调匀整的检测系统在运转中对输入、输出制品进行不匀情 况的连续测量，将测量信号转换成所需的信号并进行传送。因此也称为自调匀 整器。检测的形式是多种多样的，包括机械式( 如凹凸罗拉) 、电容式、光电式、 电磁感应式、应变片式和气流式( 气压喇叭口) 等。测量信号可能是位移、压 力等，最终转换的信号一般是电信号。 2 调节系统：调节系统是自凋匀整器的控制电路，包括比较环节和放大器 两部分。比较环节将检测和转换所得到的代表纤维质量变化的信号，同给定的 标准值进行比较，得到偏差值。只要偏差值不符合标准，比较环节即可将测得 的偏差信号送给放大器进行放大，然后送给执行机构。 3 执行机构：由调速系统和变速机构组成。调速系统根据放大器发出的信 号产生相应的速度，通过变速机构把这个速度与原罗拉速度相叠加，使可变牵 伸区中罗拉速度随纤维条质量变化而发生相应的变化，自动的调节瞬时牵伸倍 数，从而达到匀整的目的。变速机构有多种形式，如机械式、液压机械式、电 气式和机电式等。 1 3 国内外研究状况 1 3 1 国外研究状况 国外并条机自调匀整检测系统设计近几年发展很快，瑞：上r e i t e r 公司在推 出的新型并条机r s b - d 3 0 上安装了独立的在线棉条质量榆测器r q m 。该在线 检测器与并条机自调匀整系统是完全独电工作的，它时时都在检测并条机输出 第一章绪论 棉条的质量情况，质量检测器可提供所有有关的质量及生产数据。 意大利u s c 型自调匀整装置是由v o u k 公司和u s t e r 公司合作生产的丌环式 段片段自调匀整装置，该装置在并条机输出端装有检测喇叭头，在线检测匀整 结果。信息有反馈传递至微机，并在荧光屏上以数字及图表方式显示出反映条 干质量的数据，如称重偏差，不同片段( 1 m ，3 m ，l o m ，l o o m ) 重量c v 值。 所设计的检测系统还能不断校队出条定量和实际条干不匀率，如果超出已设定 的报警界限，并条机自动停车，相应的信号灯发出报警信号。显示装置能随时 显示多项工艺质量、常量等统计数据。 乌斯特公司也开发了一些在线质量测试仪器，作为棉条输出设备的可选安 装件上，它们包括： 1 u s t e r 条子数据系统，它监测整个前纺工序的生产过程，在并条机，梳 棉机，精梳机上，u s t e r f p 型传感器可以连续的测定条子的支数变异、条干不 匀率、波普图和粗节。 2 u s t e r 条子监测报警器，可独立用于单台机上，如并条机、梳棉机、精 梳机等。一旦条子支数或条千不匀率超出了选定的界限，检测设备立即停止机 台的运行。 3 u s t e r 质量监测器，它监测并条机、梳棉机、精梳机输出条子的支数与 不匀率，它是机器的一部分，监测界限值经机台的操作终端设定输入陌1 。 1 3 2 国内研究状况 甍。 国内纺织研究机构和纺织机械生产企业也在吸收和借鉴国外同类产品的 基础上，开发了几种高速并条机自调匀整检测系统。目前国内的质量检测系统 往往是为自调匀整的辅助部分研究开发的。比如洛阳航空第六研究所丌发的b y z 自调匀整系统是在吸收u s t e r 自调匀整的优点而研制的，该系统将棉条集束喇 叭口改装，并安装了气流检测装置，可以检测棉条重量不匀率，并能显示屏上 显示波普图和重量不匀率和重量偏差。该自调匀整装置在国产f a 3 1 9 型并条机 上使用。沈阳纺织机械厂开发的f 3 2 6 型并条机配置了具有在线检测功能的国产 b y d 自调匀整装置。 中国纺织科学研究院研制的高速并条机自调匀整装置既具有棉条匀整功能 有能检测输出棉条不匀率。其检测元件是一对阶梯罗拉。阶梯罗拉上的位移传 感器将棉条粗细信号送入微机控制器，计算匀整量，并驱动电机，调节罗拉变 速。阶梯罗拉检测的棉条籼细信号就代表了输出棉条的不匀状况，所以该系统 具有在线检测功能，将信号变换后可显示不匀率及不匀曲线等。另外在微机中 天津：1 ：业人学硕：l ：学位论文 设定不匀率界限，使系统具有条子超标报警功能1 。 1 4 课题的来源和主要研究内容 本课题来源于天津工业大学和天津宏大纺织机械有限公司合作的攻关项目 高速并条机自调匀整在线检测系统的研究，其主要研究内容有以下3 个方 面： 1 设计出符合实际需求的并条机自调匀整装置，这是本课题的关键点。 2 自调匀整装置控制系统的实现，这部分是课题的主要内容。它包括系统 硬件部分的设计，还有控制系统程序的编写。 3 完成棉条质量在线检测机构的设计，这一部分是整个课题的重点。根据 棉条的检测原理，设计出利用激光检测装置对棉条的卡r 细变化进行测量，最后 通过实验验证了该方法的可靠性和实用性。 第二章系统总体设计方案极其分析 第二章系统总体设计方案及其分析 2 1 自调匀整装置的设计 并条机自调匀整装置示意图如图2 1 所示。前罗拉由变频器1 、变频电机l 和减速器l 传动。中罗拉由伺服驱动器、伺服电机和减速器3 传动。检测罗拉 由变频器2 、变频电机2 和减速器2 传动。中罗拉与后罗拉之间的区域属于预 牵伸区，采用预牵伸区有利于匀整较短的片段长度。 激光传感器 后中 中前前 图2 1 并条机白调匀整装置的示意图 各部分作用如下： 1 激光传感器通过探针检测凹凸罗拉的位移，并转变为电压信号使p l c 接收。激光传感器检测到的是棉条的厚度( 或线密度) 。 2 中罗拉与后罗拉通过齿形带相连，完成同定牵伸比的预牵伸。中罗拉由 一个伺服电机运动，电机上的控制器通过编码器和前罗拉主轴相连。通过对控 天津：l 业人学硕士学位论文 制器参数的设定保持中罗拉与前罗拉的牵伸比始终是一个比例关系。 3 变频电机为主电机控制单元，控制检测罗拉和前罗拉。它由变频驱动器 驱动，通过p l c 的控制来实现变频电机的转速 4 匀整单元中拖动中罗拉的伺服电动机由p l c 通过一定的控制算法实现 其调速。这是自调匀整系统的关键部分，主要通过调整中罗拉的变速来实现变 牵伸比。 5 整个并条机的过程控制、故障诊断控制等在p l c 上实现。 自调匀整的工作过程为：当操作人员按下启动按钮以后，由p l c 发出启动 信号，驱动变频器，按照棉条的牵伸要求，变频电机开始运动。同时变频电机 达到一定速度时检测罗拉开始运作，喂入棉条经过检测罗拉，检测罗拉位置发 生变化，其位移量由探针放大后传到激光传感器，通过激光传感器将检测的棉 条线密度变为相应的电压信号。信号经a d 转换成为数字信号传入p l c 中，通 过一定的控制运算处理后再经d a 变换成相应的控制电压送入伺服系统，改变 伺服电机的转速和方向，传动中、后罗拉及其后部。而前罗拉及前面部分的转 速足固定的，这样在前、中罗拉形成了一个变牵伸区。通过改变牵伸倍数，改 变喂棉条均匀度。 牵伸后棉条经过出条激光传感器进行检测，棉条通过传感器产生模拟信号， 模拟信号经过a d 转换器转换成数字信号传送给p l c ，处理后的信息反馈给自 调匀整控制系统；同时触摸屏上显示采集信号的情况，工作人员可以通过分析 趋势图的周期性变异，一方面根据趋势图的形态确定棉条不匀疵点的性质和来 源，如工艺设计因素、机械因素或属于原料特性所引起的因素等；另一方面根 据发生特殊周期性不匀的波长部位，相应地推算出发生疵病的机械部位和原因， 从而纠正工艺和机械的相应缺陷，以提高产品的质量。 2 2 系统控制方式的选择 一般按控制系统分，并条机自调匀整分为开环、闭环、混合环三种形式h 3 。 1 开环系统 如图2 2 所示，开环系统的特点是先检测棉条的厚度，然后控制再控制牵 伸比，从而调整输出条子的线密度。 第二章系统总体设计方案极其分析 图2 2 开环系统的自调匀整 开环系统只进行调节，不能核定调节结果，故开环系统在使用前必须精确 校j 下，在正常工作时还要保持标准的参数不能改变。同时，开环系统各环节参 数变化或外界干扰引起的偏差也无法修正，易使棉条质量产生偏差，所以开环 系统运行的稳定性较差。但是开环系统属于针对性匀整，调节性能好，喂入棉 条的质量是在尚未进入牵伸装置时由检测机构检测的，只要控制系统的延迟时 间与棉条通过检测点到匀整点之间所需的时间配合得当，牵伸倍数的变化与棉“ 条厚度变化成合适的正比关系，就可以消除一定频率范围的不匀波。这类系统 是按照补偿原理工作的，匀整效果较好，主要用于匀整短片段不匀。 2 闭环系统 办 如图2 3 所示，闭环系统的主要特点是先匀整后检测，在系统中的控制回 路为封闭的，即具有反馈回路。它不能匀整波长小于或等于匀整点到检测点距 离的不匀波。从匀整点到检测点的距离称为匀整死区，其所需运行的时问称为伊 死时。匀整死区的存在是闭环系统的主要特性之一，它决定了闭环系统主要是 匀整长片段的不匀波。因闭环系统的针对性不强，故适宜于长片段的不匀，不 匀的规律性越强，匀整作用越佳。中片段的不匀往往易造成系统的误动作，反 而使中片段的均匀度恶化。因此，采用闭环系统，虽对长片段或很长片段的不 匀有显著效果，但对中片段或中短片段的不匀有恶化的可能。 图2 3 闭环系统的白调匀箍 天津工业人学硕十学位论文 3 混合环系统 如图2 4 所示，混合环系统既有开环系统，又有闭环系统，两者结合使用。 它综合了前两种系统的优点，克服了各自的缺点，综合性能较好。混合环的控 制形式既能保持匀整效果，又能自动修正各种波动所造成的偏差，从调节性能 上来看是比较完善的。当然混合环要同时解决开环与闭环系统中存在的问题， 在机构和技术上要复杂一些，经济上的花费要大一些。 图2 4 混合环系统的自调匀整 通过对以上各种控制形式的对比、以及实际生产中的需要，最后确定了本 论文所设计的高速并条机自调匀整检测装置为以开环为主，闭坏控制为辅的混 合环控制策略。根据短片段、中片段、长片段的具体信息，由已建立的知识库 数据库、推理机构和控制算法进行选择性控制。 2 3 检测机构的分析 2 3 1 棉条检测的依据 并条机白调匀整质量检测目的是降低输出棉条的重量不匀率，棉条不匀是 衡量棉条品质的主要指标之一。将棉条分成相等的小片段，由各个片段的重量 不相等，可以求出片段间的不匀率陋3 。棉条不匀的实质上是表示棉条的线密度 的离散程度，可以用数理统计中各种表示事物离散程度的特征数来表示棉条不 匀程度。 棉套不匀率的表示方法一般有平均差系数和变异系数阳m 3 。 1 平均差系数 第二章系统总体设计方案极其分析 将棉条切割成等长片段，称得重量为五，x 2 ，毛，矗，其中以为实 验片段则有： 平均差融。粗圳。 其中五为各自实验值。 2 变异系数 ( 誓一；) 2 方差：叮2 = 型一 均方差：仃= c v = 兰1 0 0 = ，r 工 x 1 0 0 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 。3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 平均差系数较变异系数计算简单，但变异系数统计意义更明显，反映棉条 线密度不匀更准确、更客观。这是因为重量偏差只能反映片段棉条重量不匀率， 而变异系数不仅能反映片段间的不匀也能反映片段内的不匀。 某一时刻的不匀率可以绘制不匀曲线图在显示仪上显示出来，它可以直观 反映棉条粗细变化的情况，即棉条单位长度重量变异情况。 2 3 2 检测机构的功能 1 通过一个检测装置，检测棉条的厚度。将测量出来的模拟量转换为电信 号。 2 将电信号传入控制器，在控制器中进行数据转换、数字处理、数掘分析、 判断、数据输出。 挈 = h差 均 天津丁业人学硕士学位论文 3 将输出的数据输入触摸屏中，通过对触摸屏的操作，显示棉条线密度瞬 时值、平均值、最大值、最小值、曲线图、( 历史) 趋势图，可监测毫秒、秒、 分或更长时间内的c 吃。 4 将微型打印机与触摸屏连接，当现场控制需要时，打印当前曲线图，为 后期比较和控制提供参考。 2 3 3 检测罗拉 随着并条机性能的提高，出条速度也迅速提高，对检测元件的要求也越来 越高。检测机构作为自调匀整装置的笫一个环节，棉条偏差量检测的准确与否 直接影响到匀整控制的准确性。检测的准确性由两方面来保证，一是机械上是 否有一套合适、稳定、误差小的检测传动机构；二是电气上是否有精确稳定的 传感器1 。 为了满足控制系统的要求，采用成熟可靠的凹凸罗拉检测，图2 5 凹凸罗 拉检测原理图。棉条厚度的变化使得凹罗拉上下移动，通过传感器测量凹罗拉 移动的距离，从而来实现对棉条定量的检测。凹凸状的检测罗拉巾，凸测量罗 拉为主动罗拉，由主电机带动并恒速转动，并借助摩擦力传动凹测量罗拉。凸 罗拉的轴心位置是固定的，凹罗拉的位置可以上下移动。当不匀的棉条通过时， 凹罗拉随着棉条的粗细变化而上下浮动。通过这个凹凸罗拉检测装置就可以将 棉条的厚度变化信号转化为凹罗拉的位移信号，然后通过传感器转换成反映出 棉条线密度变化的电信号，再与棉条给定的线密度电信号相比较，根据实际变 化，伺服电动机调节电动机的转速，控制匀整牵伸区中罗拉的转速。 一 图2 - 5 凹 岁拉检测原理图 凹罗拉 棉条 n 罗拉 由于检测系统检测对象棉条是松软、可压缩且截面形状不固定。要检测的 物理晕是棉条的线密度，而传感器实际所能检测到的只是棉条的厚度。 第二章系统总体设计方案极其分析 经实验表明，对一定品种的棉条在一定的压力范围内，其厚度不随压力的 波动而发生较大的变化，测量具有较好的重复性，同时线密度与厚度之间可以 认为存在一定的线形关系，通常情况下，棉条在一定的压力作用下，线密度变 化1 ，厚度信号只有0 0 2 0 0 3 毫米的变化n 2 1 3 1 。传感器检测出厚度信号后， 经由放大处理送至控制单元，近似处理可以认为线密度与放大后的信号之间有 一个比例系数k ，从理论上讲，当纤维材料密度己知时，棉条实际截面面积的 大小与棉条的纤维密度成正比： & ：竽：生 ( 2 6 ) 式中：棉条的理论截面积( c m 2 ) ； m 棉条的质量( g ) ； 卜一棉条的长度( c m 2 ) ； p 纤维的密度( g c m 3 ) ； ， l 棉条的线密度( g c m ) 。 在该检测机构中，棉条的实际截面积强： 2 以日 ( 2 - 霪， 式中：口检测沟槽的宽度； b 检测厚度。 棉条的理论截面积是一个理论数值，而实际检测截面即使承受足够大的压 力，但由于纤维弹性及空气阻力等因素的影响，条子不可能被绝对的压实。根 据格洛斯曼的研究引入“压缩比”的概念，棉条的实际截面积与理论截面积之 间存在一个比例关系，即有一压缩l l k 。： k：垒1(2-8) 1 & 故实际检测厚度为： 日：生：k ，l ( 2 - 9 ) 天津：1 ：业人学硕十学位论文 位移传感器及信号调理部分对厚度信号进行处理放大，两者的放大系数共 计为巧，则： k = k 2 k 3 ( 2 1 0 ) 故自调匀整装置的检测机构最终得到的信号l ，与线密度的关系为： y = 墨h = k 2 k 3 l = k l ( 2 1 1 ) k 决定了对棉条波动的响应程度，由于凹凸罗拉检测装置是机械式检测喂 入棉条线密度，受原料性能、密集程度、蓬松性等影响，与客观实际的波动有 一定的差异，必须以比例系数的调整决定调整机构调节量的大小，如果比例系 数过大或过小，都将使匀整后的输出棉条定量偏离理想值。因此每次原料调整 后，必须经过实验调整罗拉的径向压力以改变放大倍数。这一方面保证检测喂 入棉条线密度的准确，另一方面，使喂入棉条进入牵伸区时能展开到合适于牵 伸的最佳宽度。 2 4 牵伸机构分析 2 4 1 牵伸的原理 在纺纱机器上，牵伸的目的是为使棉条达到规定的粗细，因此牵伸实质上 就是一个将棉条拉长拉细的过程。实现牵伸的三个条件是：有两个能握持棉条 的钳口；两钳口之间要有一定的距离；两钳口要有相对运动。 图2 - 6 为由两对罗拉组成的简单牵伸机构4 。图中i 表示后罗拉钳口的钳 持线，图i i 表示前罗拉钳口的钳持线。前、后罗拉的钳口对棉条均有握持能力， 设k 、k 为前罗拉与后罗拉的表面速度，前罗拉的表面速度巧大于后罗拉的表 面速度k 。当棉条进入后罗拉以后，纤维即以k ，速度前进，而纤维一旦被前罗 拉握持，则立即以k 速度前进。此时，棉条中的纤维问便产生了位移，从而实 现了牵伸。可以看出，牵伸是通过改变牵伸罗拉的速度来调节的。 第二章系统总体设计方案极其分析 i i 1 i rp 。土p 2 图2 6 丽对罗拉组成的简单牵伸机构 通常，用牵伸倍数来表示牵伸作用大小的值。牵伸倍数分为机械牵伸倍数 和实际牵伸倍数两种。 1 机械牵伸倍数是根据机械传动计算的牵伸大小： e ：蔓( 2 。1 2 ) k 式中：e 机械牵伸倍数； k i 罗拉表面速度； 圪i i 罗拉表面速度。 2 实际牵伸倍数是棉条喂入线密度与输出线密度的比值： d ：鱼：盟 g 2n 2 式中：d 实际牵伸倍数； g ，喂入棉条单位长度的重量； g 输入棉条单位长度的重量； 乃i 喂入棉条线密度； ( 2 1 3 ) 天津t 业大学硕士学位论文 乃2 输出棉条线密度。 2 4 2 牵伸倍数的确定 自调匀整是根据喂入或纺出棉条的单位长度质量( 在密度均匀一致时司用 粗细表示) 与标准定量的差异，随机检测，自动调节牵伸倍数，使纺出的棉条 单位长度质量( 或粗细) 保持较为稳定的数值。为使输出棉条的定量保持常量， 不论改变喂入速度或输出速度，牵伸均应同时改变，其检测定量波动所得的信 号应按照一定的关系来调节变速n 朝。 设：k 为输出棉条线速度；k 为输入棉条线速度；彬为输出棉条的定量； 为输入棉条的定量；为输入棉条标准定量；a w 为喂入棉条定量偏差值； e 为实际牵伸值；为额定牵伸值，毛= 鲁。 假设牵伸过程中没有纤维散失，那么单位时间内从牵伸区 - b 输出的重量与 喂入的重量相等，则： k 彬= 圪彬 ( 2 一1 4 ) e ：丘：堕 ( 2 。1 5 ) 嘶 当输入棉条的实际定量发生变化即： 彬= r v o ( 2 - 1 6 ) 要求输出棉条的定量彬为定值，可以得出： 肚鲁= 半= 鲁半却雌铮( 2 - 1 7 ) 彬彬彬巩 ”、 职。 断： 巧却驯1 等) ( 2 - 1 8 ) 上式则为波动量与自调匀整变速的基本方程，岛为常数： 1 当圪为常数时，改变输出棉条线速度k ，k 应随1 等正比例地改变； 2 当k 为常数时，改变输入棉条线速度圪，k 应随1 筹反比例地改变。 当榆测器根据产品厚度检测时，设检测的产品经一定压缩后其密度为定值， 第一二章系统总体设计方案极其分析 则厚度h 的变化就可以作为定量的变化，于是： k ( 1 坐) ：圪( 1 m h ) ：旦 ( 2 1 9 ) 2 2 j l l d磊 式中：j j l 【l 喂入棉条的标准厚度： 办喂入棉条厚度偏差值。 拈儿故：v 2 x ( 1 + 等卜州半卜屹去= 去 协2 也。 所以：x h = 粤h o = 常数 ( 2 2 1 0 上式中k h 的乘积为常数既是双曲线方程，当检测器根据棉条厚度变化的 机械量转为其他量，如电量时，要求按照双曲线方程转换n 6 l 。 2 5 延迟机构分析 2 5 1 延迟机构模型分析 系统需要一个准确的延迟控制方法。，首要是确定系统中纤维的变速点的位 置。因为牵伸过程非常复杂，所以一般数学模型都是建立在理想状态下的静态 模型n 7 8 。 1 理想状态 理想状态是指喂入棉条是均匀的，棉条中纤维平行伸直而且等长。同时， 纤维都是当其头端运动到前罗拉钳口线或者牵伸区某一固定位置时，其速度由 后罗拉表面速度v l 转变为前罗拉表面速度k ，纤维头端的变速位置称为变速度 点。理想牵伸的变速点分布在同一断面上。 设牵伸区中纤维a 、b 原来在棉条中的排列位置如图2 7 所示，两者头端之间 的距离为a ，这个距离称为“移距”。当纤维a 的头端到达变速点时，则马上按 前罗拉线速度k 运动，而此时纤维b 仍以速度k 运动，于是a 、b 两根纤维发生 相对运动，移距开始变化。 天津工业人学硕上学位论文 v l - +v 2 _ + 图2 7 牵伸区理想状态分析图 设纤维b 的头端到达前罗拉钳口所需的时间为t ( t = 导) ，则在t 时间内，纤 l 维a 头端向f j 所作的位移为： q 2 f 砭= a k = 口e ( 2 - 2 2 ) 式中：e 牵伸倍数； k 纤牵伸后两根纤维的移距。 当纤维b 的头端到达前罗拉钳口之后，a 、b 两根纤维的速度相等，都以k 前 进。显然，a e 这段距离就是经牵伸后两根纤维之问的距离，这个数值为牵伸前 它们之间距离a 的e 倍。从上述的结论可以推广认为，在棉条中任意两根纤维之 间的距离，通过理想牵伸e 倍后也增大了e 倍，即纤维沿须条轴向产生了e 倍的 相对位移，使纤维分布在更长的长度上。 2 纤维变速点分布对棉条匀整的影响 事实上，在牵伸过程中，喂入棉条是不匀整的，其单位长度的重量也随着时 间而变化。同样，棉条中纤维长度并不相等，也不完全平行伸直，棉条经牵伸后 不匀率增加，这表明棉条在牵伸过程中纤维均在一点变速这一假设与事实不符， 即纤维变速是一种分布状态。纤维变速点的分布对棉条