（控制理论与控制工程专业论文）织机经纱张力智能控制策略研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本文研究的主要内容是织机经纱张力的智能控制策略。经纱张力控制是高 档织机控制系统的一项重要技术，由于织机系统存在着非线性和不确定性，传 统的p i d 控制难以满足要求，所以有针对性地采用智能控制技术来解决控制问 题。 本文对控制对象进行了透彻的分析，掌握了经纱张力的特性，并以此为依 据指引后续的控制策略研究工作。首先研究了张力信号的数字处理方法，提高 了张力数据的准确性；然后对张力的p i d 控制做了尝试，并研究了改进方法， 即基于目标送经量的p i d 控制，控制效果得到一定改善；最后，在积累了p i d 控制经验的基础上，将智能控制技术应用到织机经纱张力控制中，取得较好的 控制效果。 基于目标送经量的p i d 控制引入了目标送经量的概念，在以经纱张力为控 制目标的基础上，以目标送经量为辅助进行控制，该方法显著改善系统的动态 性能，静态性能也有所提高，但总体效果还不够完善。 模糊控制能够有效克服织机的非线性和不确定性，而专家控制和神经网络 能在一定程度上弥补模糊控制的不足，故本文分别设计了模糊专家控制和模糊 神经网络控制来解决经纱张力的控制问题。模糊专家控制有着较好的实用性， 模糊神经网络控制有较强的学习能力，模糊神经网络控制在多次学习后能够得 到较好的动、静态性能，可以满足高档织机的控制要求。 本文的研究成果可以提高高档织机的自动化水平，对我国纺织工业的发展 有重要的现实意义。 机 关键词- 经纱张力，模糊神经网络控制，模糊专家控制，目标送经量， 织 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a i nc o n t e n to ft h et h e s i si si n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g yo fw a r pt e n s i o n w a r pt e n s i o nc o n t r o li so n eo ft h et e c h n o l o g yi nt o p g r a d el o o mc o n t r o ls y s t e m ，i ti s d i f f i c u l tf o rc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o lt of i xl o o mc o n t r o lp r o b l e mb e c a u s eo fi t s n o n l i n e a ra n du n c e r t a i n t y , w h i c hi s n td i f f i c u l tt oi n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 t h et h e s i sd o e sm u c ha n a l y s i so nc o n t r o lo b j e c t ，g e t st h ec h a r a c t e ro fw a r p t e n s i o nw h i c hi st h eb a s i so ft h en e x tr e s e a r c hw o r k f i r s t l y , d i g i t a lp r o c e s so rw a r p t e n s i o ns i g n a lw a sf i n i s h e d ，w h i c hr a i s e dt h ea c c u r a c yo ft h ew a r pt e n s i o nd a t a t h e n t h ep i dc o n t r o lb a s e do nt a r g e tl e t - o f fv a l u ew a sp r o p o s e dt oi m p r o v et h ec o n t r o l e f f e c to fw a r pt e n s i o n a f t e rg a i n i n gp i dc o n t r o le x p e r i e n c e ，t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l w a sa p p l i e dt ow a r pt e n s i o nc o n t r o l ，a n dw h i c h a p p e a r st oh a v eg o o dc o n t r o le f f e c t t h e p i dc o n t r o lb a s e do nt a r g e tl e t o f fv a l u em e t h o di n t r o d u c e dt h ec o n c e p to f t a r g e tl e t o f fv a l u e ，w h i c hi su s e dt o a s s i s tw a r pt e n s i o nc o n t r 0 1 t h ed y n a m i c p e r f o r m a n c ew a sg r e a t l yi m p r o v e d ，a n dt h es t a t i cp e r f o r m a n c ew a sa l s oi m p r o v e d ， b u ti tw a s n tp e r f e c te n o u g h f u z z yc o n t r o li sa b l et os e t t l et h en o n l i n e a ra n du n c e r t a i n t yo fl o o ms y s t e m ， e x p e r tc o n t r o la n dn e u r a ln e t w o r kh a ss o m ea d v a n t a g et of u z z yc o n t r o l ，s ot h et h e s i s d e s i g n e df u z z ye x p e r tc o n t r o la n df u z z yn e u r a ln e t w o r kt os o l v et h ec o n t r o lp r o b l e m o fw a r pt e n s i o n t h e yh a v es o m ea d v a n t a g e s ，f u z z ye x p e r tc o n t r o li se a s yt oa p p l y , f u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o lh a ss t r o n gl e a r n i n ga b i l i t y , a n df u z z yn e u r a ln e t w o r k c o n t r o lh a v eg o o dp e r f o r m a n c et of u l f i l lt h ed e m a n d so ft o p - g r a d el o o ma f t e r l e a r n i n g t h er e s u l to ft h et h e s i si sa b l et or a i s et h ea u t o m a t i o nl e v e lo ft o p g r a d el o o m ， w h i c hi si m p o r t a n tt ot h ed e v e l o po ft e x t i l ei n d u s t r yo fc h i n a k e yw o r d s ：w a r pt e n s i o n ，f u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l ，f u z z ye x p e r tc o n t r o l ，t a r g e t l e t - o f fv a l u e 1 0 0 m 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的 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谢意。 糊黼始将巷鳓期：冲年多月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝望盘堂 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和传播，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文储始蜘瑭 签字日期：力加年弓月 1 0 丛p 客 坛解 名 狂 娩 妒 jy目j 别 期 浙江大学硕士学位论文 致谢 在浙江大学六年多的求学时光，是我人生中一段最宝贵的经历，不仅使我 在专业知识上得到了很大提高，而且让我成为一个乐观、自信和向上的人。这 些年来，一直得到很多老师、同学和朋友的关心和支持，让我在求学之路上不 至于迷失方向，并取得了一定的成就。在此，谨向给予我指导、关心、支持和 帮助的老师、同学和朋友表示衷心的感谢! 首先我要衷心感谢我的导师张森林教授! 感谢他在项目研究、论文的选题 以及论文的撰写过程中所给予的指导与帮助，感谢他两年来对我的关怀和教诲， 感谢他给予我学业上的指导和生活上的关心。他的谆谆教诲将使我终身受益， 激励我在今后的工作和学习中更加努力拼搏。 感谢颜钢锋老师、刘妹琴老师、樊臻老师和林志赞老师在学习、生活、科 研等方面对我的帮助、关心和指导，让我一次又一次得到了知识上的提升。 感谢实验室师兄刘官正、王红凯、江益和杨壮豪给我的指导和鼓励。 感谢应腾云、毛冬和陈伟在做项目过程中提供的帮助，同时也感谢杭州经 纬自动化有限公司研发部的刘和进、吴群民等人给我的悉心指导。 感谢张建伟、应鹏、施明星和金得宝等同届同学的帮忙，大家一起学习， 一起成长，共同度过了美好的研究生阶段。 最后还要感谢我的父母，是他们一直无私的支持我，使我能够安心的完成 硕士阶段的学习，衷心的祝愿他们身体健康，万事如意! 再次衷心感谢并祝福所以关心过我，帮助过我的师长、同学和朋友们! 张荣臻 2 0 1 0 年1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 1 1 1 织机的发展 第1 章绪论 织造技术是人类历史上最为悠久的技术之一，它经历了几个进步比较明显 的发展阶段。早期的织造技术是原始手工织布和手工机器织布，都停留在手工 水平；随着动力传动织机的引入，进入了普通机器织造阶段；之后的自动换梭 织机的诞生使其进入自动织机织造阶段；至2 0 世纪初产生无梭织机织造，织机 的自动化程度得到极大地提高。 织布技术相当长一段时间都处于原始手工织布阶段和手工机器织布阶段， 织机在这个过程中渐渐地发生转变，形成了织机的三个主要组成部分：原动机 件、传动机件和工作机件，而它们给织造技术向近代的传动机器进行大工业生 产的发展带来了助力。1 7 8 5 年英国人e 卡特赖特制造出第一台用动力传动的 织机，这是一种能够完成开口、透梭和卷布三个基本动作的动力织机，它的出 现宣告了工业化织造时代的到来。 按照补纬方式不同来区分用动力传动的有梭织机，可以简单分为两大类， 即普通织机、自动织机，自动织机的一个明显特征就是能够由机构自动完成补 纬。在经历了一个多世纪坚持不懈的努力之后，才最终实现普通织机的补纬自 动化，其间出现了两次重要突破，1 8 9 2 年美国人j 诺斯勒普发明了自动换纡； 1 9 2 6 年日本人韦田佐吉发明了自动换梭的补纬方法。自动换梭织机的问世，再 度引起织造技术的变革，自动织机织造成为新的织造方式。 相对于普通织机来说，自动织机摆脱了手动3 1 、纬的制约，但并未从本质上 对引纬原理做出改变，它仍然采用传统的梭子作载纬器，因而这种织机也就被 人们称为有梭织机。有梭织机的梭1 2 尺寸特别大，导致投梭加速过程和制梭减 速过程十分激烈，即使是降低车速和入纬率也不能很好地解决这个问题。激烈 的机器震动不仅急剧地加快了织机的零部件耗损，同时引起了高噪音，使劳动 环境变得相 - 3 恶劣，不利于工人劳动效率的提高。从上面的分析看出，有梭织 机的这一系列缺陷阻障了织机车速和入纬率的进一步提高。 2 0 世纪初，无梭织机的诞生使得织造技术进入了飞速发展的一百年，极大 一i 一 浙江大学硕士学位论文 提高了织机的生产率。目前，无梭织机已经在世界范围内得到普遍应用，其中 在生产上得到了广泛应用的无梭织机主要可以分为下面四种：片梭织机、剑杆 织机、喷气织机和喷水织机。它们各有优劣，片梭织机所产织物质量好，但是 机器价格昂贵；剑杆织机在多色纬织造上有着较大的优势，但同时在纬纱受力， 单位产量占地面积和价格上都还存在着较大的缺陷；喷气织机虽然能够达到较 高的劳动生产率，但同时也付出了较大能耗的代价；喷水织机仅适用于表面光 滑的疏水性长丝类织物的生产，局限性较大。总体来说，无梭织机与有梭织机 比较起来有很多优点，随着其性能和结构的进一步完善和提高，继续朝着智能 化、机电一体化和环境对应方向发展，必将有极其广阔的发展前景。 1 1 2 计算机控制技术的发展 1 9 4 6 年，世界上第一台电子计算机e n i a c 在美国宾夕法尼亚大学诞生， 它带来了一个新的时代，电子计算机在世界各国中得到了极大的重视，从而得 到了迅速的发展【l 】。计算机控制技术包含了两大重要技术，即自动控制理论和 计算机技术，它是两者紧密结合的产物，因而它的发展也必然与自动控制理论 和计算机技术的发展密不可分。 计算机技术发展过程中出现了一个重要分支嵌入式系统，它是嵌入到对象 体系中以实现特定功能的专用计算机系统。嵌入式系统是一个新的技术发展方 向，它的核心就是嵌入式计算机。普遍认同的嵌入式系统定义是：以应用为中 心，以计算机为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗等严格要求的专用计算机系统【2 1 。 嵌入式计算机系统在工业自动化、生活消费、电子通信、汽车电子、航天航 空和军事等领域得到广泛应用。工业控制( 对生产过程进行控制) 就是其中的典 型。工业控制要求系统在对被控对象和环境进行不断检测的基础上及时作出恰当 的反应。在控制过程中，嵌入式计算机依靠传感器从外部不断接收有关过程的信 息，并且对这些信息作相应加工处理，然后将控制命令传递给执行机构，整个控 制过程不断重复上述步骤。 在计算机技术飞速发展的同时，控制理论也有相应的提升，形成了一些广 泛应用的传统控制策略，如p i d 控制、s m i t h 控制和解耦控制等，在某些方面 应用效果颇佳。但这些控制策略的应用有一定限制：一是必须是精确的、时不 浙江大学硕士学位论文 变的，且是线性的被控对象；二是要有确定的、不变的操作条件和运行环境。 但到了2 0 世纪8 0 年代以后，工业应用中碰到的控制系统的复杂度变得越来越 高。首先，系统的控制对象变得越来越复杂，经常要面临时变性和不确定性， 而且它们一般都是非线性、多变量、强耦合和高维数的，这种情况下要建立精 确的数学模型几乎是不可能完成的任务；其次，系统的运行环境改变和环境干 扰的也存在着时变等不利于控制的情况。这就要求着控制技术做针对性的尝试， 去建立和实践一些新的控制策略。 随着应用的需要，针对性地研究出了一些现代控制技术。智能控制就是这 些新兴控制技术的一种，它是由自动控制和人工智能两大技术相结合而产生的， 所涉及的主要分支技术有：模糊控制、专家控制和神经网络控制等。智能控制 是针对系统的复杂性、非线性和不确定性提出来的，在控制系统复杂度不断攀 升的今天，必将获得广泛的应用。 1 2 课题研究的必要性 1 2 1 国内外研究现状及趋势 我国是一个纺织大国，纺织工业在我国国民经济实现本世纪头2 0 年发展目 标的进程中具有不可替代的支撑作用。未来l o 年，纺织工业产业规模将保持增 势，但增长速度有所放缓，产业结构得以优化提升，我国纺织工业的增长点及 对社会的贡献将主要体现在产业用纺织品上。产业用纺织品市场规模将急剧扩 张，覆盖交通、铁路、水利、机械、医药卫生、军工等领域。预计到2 0 2 0 年， 我国纤维加工总量将突破4 0 0 0 万吨，保持在全球总加工量中4 0 的比重【”。但 我国还远不是一个纺织强国，我国每年还需要花费重金从国外进口大量的纺织 机械。目前我国纺织行业还存在不少的问题，国产织机比之进口织机还存在差 距，而其中至关重要的经纱张力控制策略方面也不能让人满意，还不能达到较 好的控制效果，这直接影响了纺织品的产量与质量。在处于这种不利局面的情 况下，要适应高档织机市场的需求，进行高档织机的经纱张力控制系统的研制 是我国纺织行业发展的当头大事。 然而，早在二十世纪八十年代，计算机控制技术在纺织机械控制设备领域 中得到了广泛应用，国外的纺织自动化设备就始终处于快速发展的状态中。送 浙江大学硕士学位论文 经和卷取系统作为现代高档织机的一个重要组成部分，其性能的优劣直接影响 到所产出织物的质量。国外的大部分高档织机都是通过电子送经和电子卷取的 方式来进行控制的，这样能使得高速运转中的织机保持经纱张力的稳定，从而 使得织造的精度得到提高，能够在织机各种不同的车速和纱线状况下完成织造， 同时也使得系统的灵活性得到提升。而所采用的控制电机也已经以交流伺服电 机为主，代替了以前的步进电机。例如意大利的天马超优秀织机、比利时必佳 乐系列织机、瑞士的苏尔寿系列织机以及法国的p r o t o n 系列织机等等。这些 织机有一个共同点一一采用电子卷取和电子送经方式进行控制，已经达到了较 高的控制水平。相比起来，国内的多家企业虽然已经能够生产出相对高档的纺 织机械，但在织机控制系统方面始终无法实现突破，开发出具有高性能的织机 控制系统，很多时候还是需要从国外进口。但是进口一台国外的高档织机需要 支付昂贵的价格，这是国内一般的纺织企业难以承担的。 1 2 2 课题研究的意义 用于电子送经和电子卷取的控制策略在高档织机中起着重要的作用，在这 一块国外也有着极大的领先优势。国外在送经卷取控制策略上的研究起步比国 内早得多，并且取得了不少突破。比如德国亚深技术研究院、德国b e r g e rl a h r 公司、意大利e r g o t r o ns a s 公司、比利时毕加诺织机制造公司、瑞士w i l l y g r o b 公司 4 1 。它们都取得不少成绩，而且还申请了很多织机张力控制方面的欧 洲专利，这里面最为突出的是德国亚深技术研究院，它们在神经网络技术的应 用方面已经取得了一些成果了。 目前，国内大部分的关于送经卷取控制策略的研究工作还停留在传统的p i d 控制的水平上。在织机系统中，控制部件送经卷取电机和机械部件织轴、卷取轴 之间存在着复杂的传动机构，而经纱的拉伸总是带着不确定性，要建立精确的系 统数学模型几乎不可能。而且由于模型的非线性，如果用系统辨识的方法也只能 找到近似的系统数学模型，这种情况下采用p i d 控制的效果必然受到影响。改进 送经卷取控制策略，特别是经纱张力控制策略，提高国产高档织机控制系统的性 价比，对把我国从纺织大国转化为纺织强国意义重大。 本项目采用智能控制策略进行控制，以经纱张力作为整个控制系统的基础控 制指标，实现电子送经、电子卷取和织造工艺等的电子控制，在此基础上最终达 一4 一 浙江大学硕士学位论文 成改善织机的性能，提高织物的质量的预期目标。该系统的设计与我国国情紧密 结合，不仅适合与国产织机配套使用，也适用于传统织机的改造，能够推动我国 向纺织强国迈进，同时重要的现实意义。 1 3 论文的工作及组织结构 1 3 1 论文的工作 织造过程主要由开口机构、打纬机构、引纬机构、送经和卷取机构等组成。 完成经纱放出和织物卷取的机构分别称为送经机构和卷取机构。送经卷取系统 接收来自主轴编码器的脉冲信号和织机后梁的张力传感器信号，经控制器内部 计算，输出脉冲以控制送经电机转动，从而保证了经纱张力的恒定。 主要研究开发内容： ( 1 ) 分析织机的结构与原理，从而清楚整个送经卷取控制系统的框架 ( 2 ) 分析经纱张力波动因素及其解决方法、经纱张力的工作过程，掌握经 纱张力的特点 ( 3 ) 研究对电测张力信号的数字处理方法，保证提取到得张力数据能正确 反应织机运行情况 ( 4 ) 在以上步骤的基础上，结合织机的工艺原理与工艺流程，改进张力控 制方法，达到控制张力的目的 1 3 2 论文的组织结构 本文总共由六个部分组成。 第一章为绪论部分，主要介绍织机的发展过程，计算机控制技术的发展过 程，国内外研究现状及发展趋势，课题研究的意义，以及本文的工作及组织结 构。 第二章介绍织机经纱张力控制系统的总体设计，介绍了织机的工作原理， 之后对系统的结构做了详细的论述。 第三章是经纱张力分析与处理，在把握织机整体系统结构的基础上，从宏 观、微观两个方面入手对经纱张力进行分析，了解影响经纱张力变化的各种因 素，并对经纱张力信号的数字处理进行了探讨。 第四章是p i d 控制策略研究，首先是简单地介绍了p i d 控制的基本原理， 一 浙江大学硕士学位论文 然后针对经纱张力控制系统设计了常规p i d 控制器和改进型p i d 控制器，并对 其结果进行分析。 第五章是智能控制策略研究，首先贵智能控制技术的特性进行分析，初步 得出适用于经纱张力控制的智能控制分支；然后介绍了相应智能控制技术的基 础理论；最后针对经纱张力控制系统的特点完成智能控制策略设计，并得出相 应的实验结果。 最后一章是课题的结论。包括对课题研究成果和经验的总结，对所做的创 新性工作的说明，以及对系统控制策略改进方向的进一步探讨。文章的组织结 构图如图1 1 ： 图1 1 论文的组织结构 浙江大学硕士学位论文 2 1 织机工作原理 第2 章系统总体设计 2 1 1 织机机械结构 一台织机由开i = i 机构、引纬机构、打纬机构，送经机构和卷取机构组成。 其中开口机构又分为如下几类：凸轮和连杆开l = l 、多臂开口、提花开口、连续 开口。而引纬机构则分为：剑杆引纬、喷气引纬、喷水引纬、片梭引纬、纬向 多梭口引纬。织机机械结构如下： 图2 1 织机结构图 在图2 1 中，可以看出织机工作的流程，平行排列的经纱从织轴上退绕出 来，先后经过后梁、绞杆、停经片，综眼以及筘齿，然后到达织口位置，并且 在这里与纬纱相互交织形成织物，最后还需要通过导辊和卷取辊，将所形成的 织物被卷绕到卷布辊上。由上述运动过程可知，要使经纱和纬纱形成织物，则 必然需要织机各个运动机构的配合。通常将送出经纱的机构称为送经机构，将 使经纱上下分开形成梭i = l 以便纬纱通过的机构称为开口机构，将牵引纬纱使其 进入梭口的机构称为引纬机构，将把纬纱打向织口的机构称为打纬机构，将织 物卷到布卷上的机构称为卷取机构【5 】o 2 1 2 织造原理概述 经纬纱通过这五大机构完成交织物，形成了织机运动的五大运动：开口、 引纬、打纬、送经、卷取【6 1 。下面将对这五大运动进行具体分析。 一r 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 开口运动 在织机上，开口运动实现了经、纬的交织，一个完整的开口运动过程可以 分解为以下步骤。首先把经纱按照既定织物组织分成上，下两层，从而形成一 个适当大小的梭口；然后在梭口闭合之前将纬纱引入；这之后才能使经纱再度 交织形成织物，同时在这个位置形成新的梭口。为了使织物获得所需的组织结 构，开口机构并不仅仅是简单地反复交替，而是要根据设计好的织物组织来决 定的提综顺序，控制经纱升降。 ( 2 ) 引纬运动 引纬是与经纱和开口紧密配合的过程，为了使纬纱和经纱顺利交织、形成 织物，必须在经纱构成的梭口之后将纬纱引入。为了避免产生经纱磨损、断头 和纬缩、缺纬、组织错误等各种织物庇点，对于引纬运动主要提出了准确和平 稳的要求。 ( 3 ) 打纬运动 打纬机构通过前后的往复摆动，将引入梭i = i 的纬纱推向织口，与经纱交织， 构成织物。打纬过程可以简要地分成三个阶段：在初始阶段，钢筘和织口两者 之间的距离比较大，经纬纱之间不会产生剧烈的屈曲和摩擦，故而这个阶段的 阻力作用是比较小的；但当钢筘将纬纱推到织口附近时，钢筘所受的阻力开始 急剧攀升，经纱张力也剧烈增大；当钢筘到达前死心位置时，阻力和经纱张力 两者都会达到了整个打纬过程的最大值。 打纬机构的钢筘决定了织物的幅宽和经纱密度；而打纬时经纬纱的张力和 变形能力则决定了织物中经纱的排列状态和经纬纱彼此屈曲的情况。同时打纬 运动是影响经纱张力的一个重要因素。 ( 4 ) 送经和卷取运动 织造过程中，经纱与纬纱会不断地交织并形成织物，然后被卷取到卷布辊 上，为使得整个织造过程的能够持续地进行，送经机构也要相应地不断送出经 纱来进行补充，保持经纱张力的稳定。 送经机构一般分为消极式和积极式两种。其中消极式送经机构的动作由经 纱张力带动，这种被动的送经方式已经很难满足现在的织机要求了。与之相反 积极式送经机构则是根据织造过程中受各种因素综合影响的经纱张力来调节经 一0 一 浙江大学硕士学位论文 纱送出量，以均匀的经纱张力作为控制指标。 卷取运动将已形成的织物引离织口，卷绕到卷布辊上。卷取机构的两大任 务是：引离织物和控制纬纱密度。电子式卷取机构的出现很好了完成了任务， 既简化了机械结构，又实现纬密精确控制，甚至可以在织造过程中随时改变卷 取量，实时调整织物的纬密。 五大运动都是以织机主轴一周的时间为运动周期，故可以用主轴的回转角 度来规划各运动的相互协作关系。不同的织物品种、不同的织机需要不同的时 间配合，例如下面所述的项目中用到的剑杆织机对应于主轴角度的织机动作： 1 0 。一一剪断前一次的纬纱； 6 5 。一一开口最大； 8 0 。至2 5 0 。一一打纬； 2 8 0 。一一开口闭合； 3 l o o 一一综平； 0 。一一打纬动作完成。 2 2 经纱张力控制系统结构 织机经纱张力控制策略的实施有赖于织机控制系统的软硬件，主要的载体 就是其中的送经卷取模块。该模块承担了经纱张力控制的主要任务，包括三方 面的工作，织机经纱张力的采集、送经电机和卷取电机控制量的计算、控制量 的输出。 系统的结构如图2 2 ，送经系统主要是接收主轴编码器的脉冲信号和织机后 梁的经纱张力传感器信号，在控制器内部进行计算并控制送经电机运转，以保 持张力稳定。卷取系统不断接收主轴编码器的脉冲信号，然后根据设定纬密、 卷取辊的直径，在控制器内部进行计算以控制卷取电机转动，保证纬密的精确。 送经和卷取协作，保证经纱张力的平稳和纬密的精确【7 1 。 本课题的关键技术： ( 1 ) 织机经纱张力波动因素的分析和解决 ( 2 ) 原始经纱张力数据的数字处理 ( 3 ) 各种控制方法的特性分析和试验 ( 4 ) 适用于经纱张力控制方法的设计和实现 一1 0 浙江大学硕士学位论文 图2 2 织机控制系统结构 浙江大学硕士学位论文 第3 章经纱张力分析与处理 由于整个系统的控制目标是经纱张力值，为了能够更好地实现对整个织机 系统的控制，研究出适合于经纱张力的控制策略，首先就要对经纱张力进行全 面的分析以掌握其特性。经纱的张力值是一种周期性的变化过程，它受到开口 高度、打纬动作、织轴直径和织轴回转不匀率等因素的影响，给经纱张力值的 检测带来了困难。检测到得经纱张力值的准确性直接影响到控制策略，进一步 影响控制电机的转速的调节，为了使纱线张力能够在设定值附近范围内达到动 态的稳定，对经纱张力的分析与处理至关重要。 3 1 经纱张力分析 对经纱张力的宏观工作过程进行深入分析，可以将其划分为如下几个工作阶 段： ( 1 ) 停止阶段；( 2 ) 启动阶段；( 3 ) 稳定运行阶段。如下图所示： 嗣j l d i f l 帕t l缸 t 图3 1经纱张力控制过程示意图 三个阶段的张力变化可在图中看出： ( 1 ) ，1 为静态张力值，2 为动态张力目标值。 ( 2 ) t o 到t l 段为停止阶段，为停车时的张力状态。 ( 3 ) t l 到f 2 段为启动阶段，经纱张力与动态张力目标值有偏差，需要快速进 行调节。 ( 4 ) f 2 以后为稳定运行阶段，经纱张力已经相对稳定，但是存在着织轴直径 的缓慢变化和织物组织结构的周期性变化，需要做出相应调节。 以上三个工作阶段都有可能在实际织造过程中出现。停止阶段出现在系统刚 上电而未开车、人工停车或故障停车等情况，此时织机未开，经纱张力变化非常 一1 2 一 浙江大学硕士学位论文 缓慢，时间不长的话可以近似为不变。当织机启动时，控制器进行t l 到t 2 段，为 了保证织物质量和产量，就意味着要尽可能缩短这一阶段的时间，故快速性是这 一阶段的控制要求。在稳定运行阶段，织轴的缓慢变化是控制的主要依据，织物 组织结构的周期性变化是控制的主要难点，故稳定性事这一阶段的控制要求，抗 干扰是首要工作。 3 2 经纱张力波动因素分析 下面我们将从织机机械结构入手对经纱张力进行分析，从而了解到经纱张 力的工作过程，并从中找出影响经纱张力的一些因素【船1 0 】。 3 2 1 开口机构引起的张力波动 织机的开口机构是经纱运动最为频繁的位置，经纱和纬纱就在此处反复交 织，从而决定了织物组织。经纱在此处受到反复的拉伸、摩擦和弯曲作用，因 此开口运动就影响到织物品种、质量和织造效率，是织造过程中的一个重要运 动。 织机上的开口机构几何形状如图3 2 所示。经纱从织轴引出，绕过后梁e 和导棒d ，经综眼c 和钢筘，在织口b 处形成织物，再经胸梁a 卷绕到卷布 辊上。b c d 为经纱的综平位置，经纱分为上下两层形成一个菱形通道b c l d c 2 ， 即为织机的梭口。 图3 2 开口机构的几何形状 图3 2 中，为开口高度，开口前部长度为，l 开口后部长度为，2 ，综眼与 后梁握纱点距离为1 3 。而，l 的如比值则成为梭口的对称度，以m 表示，其中当 m 等于1 时为对称梭口，否则为不对称梭口。 假设梭口上下部分的经纱数量一致，且织口和导棒的位置是固定的，根据 梭口的几何形状和尺寸可以得到梭口满口时上、下层经纱的伸长变形为： 渐江大学硕士学位论文 a = 曰q + c l d - b c - 蕊h f 2 f 4 l , h 吲h ) 一等( 川) d - b c - = 旦z t ll 4 + f 2 ( h ) + 抄d ) ( 3 ) 五= 五一五= 丢薯 乞( 6 一口) + 之 ( 6 + d ) 由于开口过程中经纱所受拉伸负荷的作用时间极其短暂，在工程中，可以 认为拉伸变形与经纱张力的大小成正比。由式3 1 中可以确定出开口过程中影 响经纱张力的因素。 ( 1 ) 开口高度对经纱张力的影响 由于a 、b 、c 、d 与日为固定的值，开口时经纱路径长度的改变引起经纱 张力的波动公式简化如下。 a r = ( k l t , + k 2 t , ) h 2 ( 3 2 ) 式中，at 表示经纱的动态张力，k l 、忽分别表示长度值( 6 口) 和( b + c o 与开 1 2 的高度日的比值。 式3 2 说明丁与日的平方成正比。开口随着织机主轴电机每旋转一周就 相应地闭合一次，在高速运转时，这一扰动就会引起经纱周期性的高频的张力 波动，是张力波动中高频分量。 ( 2 ) 织物组织对经纱张力的影响 式3 1 是在梭口上下部分经纱数量相当地假设下得出来的，而实际情况往 往比这更为复杂，因为织物组织经常会开口上下经纱数量的变动。织物组织结 构会引起所采集的经纱张力波动，大致有两种情况：开口上下经线的拉伸程度 不同，当开口上下经线数量变化时，会造成张力的波动；开口运动过程中，不 同位置经线的拉伸程度不同，开口最大处瞬时张力最大，平综位置瞬时张力最 小，从而影响一个控制周期的平均张力。从上面的分析中可以看出，织物组织 结构的存在使得经纱张力的波动更加复杂，而当织物组织出现突变时，采集的 经纱张力跟着出现突变，不能正确地反映经纱的实际情况，引起送经量的误调 节，故而需要对其作特殊处理。 浙江大学硕士学位论文 3 2 2 送经机构引起的张力波动 织造过程中，卷取电机以恒定的速度从织口引离织物，而送经电机则需要 不断地送出经纱以作补充，卷取速度与送经速度相等则能保证织物质量。 卷取电机的转速为： 屹2 芴蠹 3 ) 其中y 为织机车速，凡为卷取轴半径，f d 为卷取电机与卷取辊传动比，凡 为织物纬密。 送经电机的转速为： 匕2 赢 4 ) 其中r 。为织轴半径，毛为送经电机与织轴传动比。 随着织轴上经纱的不断送出，织轴半径r 。会逐渐减小，必然要求送经电机 转速随之变化。 ( 1 ) 织轴半径对经纱张力影响 织造过程织轴退绕时，若要保证送经量的恒定，织轴的转动角度驴与半径 径r 。必须满足足矽= 常数。整个织造过程中r 。在不断地减小，故织轴转角驴 必须随着r 。的减小逐渐增大，始终保持足= 常数关系，才能得到恒定的送 经量。否则，如果足矽常数，就会产生送经不匀，经纱张力也会随之产生波 动，属于低频分量。 ( 2 ) 织机的回转不匀率对经纱张力的影响 回转不匀率会间接地影响经纱张力，尤其不利于系统的静态性能的改善。 在一般情况下，相对于有梭织机来说，虽然无梭织机的回转不匀率已经小得多 了，但是仍然不可忽视。 一1 s 一 浙江大学硕士学位论文 3 2 3 打纬机构引起的张力波动 打纬过程中，在把钢筘推至前心时，经纱被强力压迫使得经纱的拉伸程度 达到最大，造成的经纱张力波动也达到最大值。在综平时间、经纱数量、织物 组织结构和密度等系统参数都相同的情况下，一般来说打纬时所造成的张力波 动幅值的大小与上机张力的大小成反比。由于织机主轴每旋转一周打纬一次， 在无梭织机高速织造过程中，这一扰动也会引起经纱张力的周期性高频波动， 是张力波动中的高频分量。 3 3 信号的数字处理 无梭织机的经纱张力波动是由于开口机构、送经机构、打纬机构共同造成 的。织轴退绕过程中缓慢的经纱上机张力变化和送经不匀所造成的张力波动是 低频分量，可通过对送经电机转速进行微调来平衡张力波动。开口、打纬所造 的张力波动则属于高频分量，通过摆动后梁系统能起到一定的效果，但是仍需 要作适当的数字处理才能提高张力数据的准确性。其中以织物组织结构的剧变 引起的张力波动最为严重，它往往是误导信号，必须判定出这种情况，以免导 致出现错误调节。 织物组织结构识别的工作可以通过纱线v o i g t 模型来对经纱张力做出估计， 当出现织物组织结构剧变这种情况时，估计张力值与实测张力值就会出现大的 偏差，说明出现了织物组织结构剧变，此时的张力不可作为参考数据。 下面将对该数字处理方法的正确性进行论证，而对该方法的具体应用将在 后续的控制器设计章节中体现。 3 3 1 张力的力学模型 经纱在动态张力作用下，其力学模型如图l ( v o i g t 模型) 1 。张力增量 t i 与伸长厶之间的关系如下： a t i = k a t , + r x 越 ( 3 5 ) 式中：k 为经纱刚度系数，7 为经纱粘滞系数。 浙江大学硕士学位论文 图3 3 纱线v o i g t 模型 根据织造原理和v o i g t 模型得到纱线伸长 m2 毛兄皖( 虬) 一t 足q ( 虬) = i r o d f s 足吃 ( 3 6 ) 式中：i d 为卷曲电机与卷取毛刺辊的传动比0 i d l ，r d 为卷取毛刺辊的半 径，现为卷曲电机控制量，蟊为送经电机与经轴的传动比0 i s l ，r 。为经轴的 半径，弧i 为送经电机控制量，0 d 为卷取电机角位移，0s i 为送经电机角位移。 由于卷曲电机角位移0 d 保持不变，经轴半径r 。变化很缓慢，可从上式中 推导出 触t 足( i - 0 一继垆一i & a o 蚶 ( 3 7 ) 将式3 6 ，3 7 与式3 5 相结合，可以得到经纱张力增量估计值at i 的最终公 式 z x t i 。k ( 毛r 或一t 足瞑i ) 一矽( t r s 气) ( 3 8 ) 3 3 2 织物组织结构的识别 在织造过程中，织物组织结构剧变( 例如复杂花型织造) 会引起张力的波 动，产生虚假的张力峰值、谷值，对经纱张力的调节极为不利。不过织物组织 结构剧变在整个织造过程中占少数，通过去除这小部分虚假数据，可大大提高 经纱张力调节的准确性。 在织造过程中，经纱张力的变化是不可避免的，尤其是每个织造循环内的 张力波动【1 2 】。即使是在送经线速度等于卷曲线速度时，一个控制周期内的平均 张力也不会恒定，也不能从中找到一个使张力恒定的采集点。故如果要判定出 织物组织结构剧变的情况，不能从张力呆集e e 入手。在小花型和无花型织造的 情况下，张力变化符合力学模型，据此可以估计出合理的送经轴半径。每一纬 一1 7 一 浙江大学硕士学位论文 都可以得出一个送经轴半径的估计值，分析得到的多个估计值，可以从中分离 出合理估计值和不合理估计值，从而判定出不合理估计值对应的组织结构发生 了剧变。 前面根据v o i g t 模型已经得到张力增量估计值at i 的最终公式( 3 8 ) ，据此 对送经轴半径r 。进行估算 r ：塾鱼刍二丝 ( 3 9 ) 3 题h ) + 巩见 - 1 ) 式中用到的缸，为上一纬实际测得的经纱张力增量。得到了一系列的尺。 估计数据后，就可以从中分析出织物组织结构的情况。 浙江大学硕士学位论文 第4 章p i d 控制策略研究 p i d 控制器具有结构简单、使用方便、鲁棒性强等优点，在工业控制中已经 得到了广泛的应用 1 3 1 。不过传统p i d 控制器的结构尚不够完善，存在着诸多缺 陷，所以必须对常规p i d 控制器作相应改进以适应经纱张力控制的要求。本章首 先介绍了p i d 控制器的原理，然后提出了基于目标送经量的改进型p i d 控制器， 并在m a t l a b 中进行仿真比较。 4 1p i d 控制器的原理 4 1 1p i d 控制器的结构 常规的p i d 控制系统框图如图4 1 所示 图4 1 常规p i d 控制系统 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据两个已知值，设定值r ( f ) 和输出值 c ( o ，求出系统的控制误差e ( o ，这样控制量f ) 就可以通过误差按比例、积分 和微分的线性组合构成，实现对被控对象进行控制。控制器的输入输出关系可描 述为： 洮) = 巧+ 专p 折+ 乃百d e ( t ) 】 ( 4 1 ) p i d 算法控制在实际系统中调节方便，参数的实现也很容易。在计算机控制 系统中，控制算法以离散方式实现，对于式3 1 ，利用矩形法进行代替积分部分， 可得到如下差分方程： 浙江大学硕士学位论文 u ( 尼) = 巧p ( 尼) + k 丁e ( f ) + 场坐掣 ( 4 2 ) i = 0 1 4 1 2 控制器参数对控制性能的影响 ( 1 ) 比例作用 比例作用的引入可以及时成比例地对误差信号p ( f ) 做出反应，系统误差一旦 产生，控制器立即产生与其成比例的控制作用，可以起到加快系统的调节速度的 作用；过大的比例作用可能导致系统的不稳定；单独使用比例控制可能存在稳态 误差。 ( 2 ) 积分作用 积分作用的主要起到了消除系统稳态误差的作用，以保证实现对设定值的无 静差跟踪；积分作用的引入会使系统响应速度变慢，因而不宜选用过大的积分参 数，有时候甚至会导致稳定性的下降。 ( 3 ) 微分作用 微分作用的引入可以产生超前的控制作用，有效改善控制系统的响应速度和 稳定性。在合适的情况下，通过微分调节可以有效减小系统的超调量和调节时间。 但若从滤波器的角度看，可以把它看成一个高通滤波器，对噪声干扰有放大作用， 所以不能一味地增加微分调节。 4 2 基于目标送经量的p i d 控制 织机张力控制系统是快速非线性系统，对张力控制的快速性和平稳性要求 很高 1 4 - 1 5 】。目前，国内外大多数织机采用仅以经纱张力为依据的传统控制方法， 实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性，应用常规p i d 控制器不能 达到理想的控制效果【坫】。故提出了织机目标送经量的概念，该量可用于改善织 机经纱张力控制。 4 2 1 目标送经量的定义 经纱张力稳定这一控制目标，可以分解为两个子控制目标：经纱张力达到 目标值、送经线速度等于卷取线速度。通常的控制算法只依据第一个子控制目 标进行控制，控制效果不太理想。分析第二个子控制目标，由于卷取线速度不 变，且送经轴半径变化缓慢，满足送经线速度等于卷取线速度的送经电机控制 一，0 一 浙江大学硕士学位论文 量在短时间内必然是一个变化缓慢的值，在此把该值定义为目标送经量。如果 能得到目标送经量，将能极大地改善织机的经纱张力控制性能。 考察张力曲线的顶点，可知顶点处的张力变化率为0 ，即送经线速度等于 卷取线速度，正好与第二个子控制目标相吻合。故我们做出大胆猜想，此时的 送经电机控制量应该就等于张力稳定时的送经电机控制量。如果这个猜想成立， 我们就找到了一条通过张力曲线的顶点求取目标送经量的路。 为了进一步求证猜想的正确性，可以从式3 8 中推算 张力曲线顶点处有t y o ，代入式3 8 中，可得顶点处的送经电机角位移口 s 为 矿：望一丝 ( 4 3 ) 3 t r k 当张力稳定时，有t y o 且o s y o ，代入式3 8 中，据此可得张力稳定时 的送经电机角位移9 。为 伊：丛 ( 4 4 ) 5 f s r 相对于秒d 来说，口：是一个极小量，故有口乞z9 。，而送经电机角位移 0 。，是以送经电机控制量以，为依据的，可得以z 以。从物理角度来看，经纱 粘滞系数对张力影响很小，可以忽略不计；从工程应用角度来说，张力曲线顶 点处的送经电机控制量等于目标送经量。之前所作猜想得证，由此提出了通过 张力曲线的顶点求取目标送经量的方案。 4 2 2 目标送经量的求取 理论上来说，只要找到张力离散曲线的顶点