（机械电子工程专业论文）高速并条机的在线检测与控制系统设计.pdf

l 学位论文的主要创新点 ( 1 ) 利用辨识技术实现c g ( ) 一c 圪关系的建模。根据直接检测 到的棉条直径计算出棉条直径变异系数c g ( ) ，采用最小二乘法进行 数据拟合求出需要的质量变异系数c 吃。 ( 2 ) 将智能控制模块引入并条机自调匀整系统。现代控制理论和 智能控制的飞速发展使得控制理论在实际生产生活中发挥愈加重要 的作用。本文将模糊控制理论应用于并条机自调匀整控制系统，并进 行了深入的研究和探讨，对自调匀整的进一步完善提出了高级的控制 算法。这也将成为近年来高性能自调匀整并条机的发展方向之一。 以备后面工序的使用。 用于并条机的自调匀整技术是人们为了提高棉条或纱线的质量而采用的一 种匀整方法。它是在并条工序中，根据喂入的棉条线密度的差异，在牵伸过程中 自动调节牵伸倍数，从而使纺出的棉条线密度稳定在一定的水平。本文介绍了自 调匀整系统的的作用、分类、原理以及工作过程。对自调匀整系统的检测机构、 牵伸机构、延迟机构和变速机构进行了研究和分析。对延迟控制的实现提出了定 长控制的解决方法。 结合实际对自调匀整进行研究和分析后，建立了自调匀整系统的三罗拉牵伸 的动态模型，并在此基础上将整个并条的过程采用模块化的方法进行软硬件的设 计。本文利用系统辨识技术实现c 圪一c 圪关系的建模。本文探讨了智能控 制算法及其在并条机自调匀整控制系统中的应用，设计出一种基于模糊控制的混 合环控制系统。根据建立的推理机构和控制算法，通过大量的实验分析总结了该 装置的效果。 关键词：高速并条机；自调匀整；在线检测；智能控制；系统辨识技术 a b s t r a c t f i b e rm a t e r i a lp r o c e s s i n gi nt e x t i l ei n d u s t r yi sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fm a t e r i a l p r o c e s s i n g d r a w i n gf r a m e w i t ha u t o l e v e l l e rc a na d v a n c et h eu n i f o r m i t yo ft h e s l i v e r ；i nt h eo t h e rh a n d ，i tc a nm i xt h ef i b e ra n da m e l i o r a t et h ei n t e r n a ls t r u c t u r e f u l l y t h e nt h es l i v e rc a l lb eu s e di nt h en e x ts t e p s a u t o l e v e l l e rt e c h n o l o g yi su s e dt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fs l i v e ro ry a m i nt h e p r o c e s s e so fd r a w i n g ，d r a w i n gm u l t i p l ei sa d j u s t e da u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n c e so fl i n e a rd e n s i t yo ft h es l i v e r , i no r d e rt ok e e pt h es l i v e rl i n e a rd e n s i t y s p u no u t s t a b i l i z e da tac e r t a i nl e v e l t h i sp a p e rd e s c r i b e st h er o l e ，c l a s s i f i c a t i o n ， p r i n c i p l ea n dw o r k i n gp r o c e s so fa u t o l e v e l l e rs y s t e m ，r e s e a r c h e sa n da n a l y s e so ft e s t ， d r a f t i n ga n dd e l a ym o d u l e s ，p u t sf o r w a r df i x e d - l e n g t hc o n t r o l l i n gt e c h n i q u e t oa c h i e v e d e l a yc o n t r 0 1 t h ed y n a m i cm o d e lo ft h r e er o l l e r su s e di nt h ed r a w i n gf r a m ei ss e tu pa f t e rt h e r e s e a r c h i n ga n da n a l y s i n go fa u t o l e v e l l e rs y s t e r m a n db a s e do nt h i s ，m o d u l a r a p p r o a c hh a sb e e nu s e dt od e s i g nh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ew h o l ed r a w i n g p r o c e s s t h i sp a p e rh a sa c h i e v e dm o d e l i n go f t h er e l a t i o n s h i po fc 圪一c 圪b y u s i n gs y s t e mi d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u e s i nt h ee n d ，f u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g ya n di t s a p p l i c a t i o ni n t h ed r a w i n gf r a m ea r er e s e a r c h e d b a s e do nt h ef u z z yc o n t r o l t e c h n o l o g y , am i x e d - l o o pc o n t r o ls y s t e mf o rd r a w i n gf r a m ei sd e s i g n e d a c c o r d i n gt o t h er e a s o n i n gi n s t i t u t i o n sa n dt h ec o n t r o la l g o r i t h m ，a n dt h r o u g hal a r g en u m b e ro f e x p e r i m e n t s ，t h es y s t e mh a sb et e s t e de n t i r e l y k e y w o r d s ：h i g hs p e e dd r a w i n gf r a m e ；a u t o l e v e l i n g ；o n - li n et e s t ；f u z z yc o n t r o l ； s y s t e mi d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u e s 目录 1 1 1 内外研究现状2 4 4 1 2 2 自调匀整分类4 1 3 本课题研究意义及主要内容6 第二章自调匀整系统分析9 2 1 棉条条干不匀的分析9 2 2 混合环控制策略的确定1 0 2 3 检测机构分析1 1 2 3 1 引言1 1 2 3 2 数学分析1 2 2 3 3 检测传感器1 4 2 4 牵伸机构分析1 4 2 4 1 牵伸机构原理1 4 2 4 2 匀整方程的确定1 5 2 5 延迟机构分析1 6 2 5 1 关于纤维移距的研究1 6 2 5 2 延迟时间的确定1 8 2 5 3 延迟控制的实现2 0 2 6 变速机构分析2 l 2 6 1 伺服驱动器2 1 2 6 2 位置控制和速度控制2 2 2 6 3 控制模式选择2 2 2 7 本章小结2 3 第三章检测与控制系统的硬件实现2 5 3 1 系统硬件结构2 5 3 2c p l h x a 系列p l c 简介2 7 3 2 1p l c 的特点2 7 3 5 人机界面一触摸屏3 7 3 5 1 触摸屏简介3 7 3 5 2 触摸屏的选择3 8 3 6 电气控制箱的设计一3 9 3 7 本章小结4 0 第四章检测与控制系统的软件设计4 1 4 1 系统主流程4 1 4 2 定长检测与定长控制模块程序设计4 2 4 2 1 定长检测与定长控制算法4 2 4 2 2 检测模块数据处理流程4 3 4 2 3 内建a d d a 模块的设置4 3 4 3 c - c 关系建模4 4 4 3 1 参数辨识方法4 4 4 3 1 参数辨识结果4 7 4 4 智能模糊控制4 9 4 4 1 模糊控制系统的基本结构5 0 4 4 2 模糊控制系统的工作原理5 0 4 4 3 模糊控制在自调匀整中的应用5 l 4 5 模糊控制环仿真验证5 9 4 6 可编程终端6 2 4 6 1 界面的编译6 2 4 6 2 触摸屏的模拟6 5 4 7 实验结果及分析6 7 4 8 本章小结6 7 第五章结论与展望6 9 5 1 论文结论o 6 9 5 2 论文展望6 9 参考文献7 1 发表论文和参加科研情况7 3 致谢。7 4 1 1 研究背景 1 1 1 纤维材料加工的特点 纺织行业中纤维材料的加工是材料加工领域的一个重要分支，相比于金属等 其它材料的加工，纤维材料的加工具有自身的特点：在棉条的加工工序中，由于 喂入棉层本身分布的不均、纤维的长短、种类及其排列的不均匀性和随机性，给 检测、控制都会带来一定的困难。同时，由于加工过程中对纤维运动的控制不够 完善，以及控制过程中的各种随机因素的影响，造成经梳棉机加工的棉条线密度 常常存在不均匀现象。梳棉机制成的生条是连续的条状半制品，具有纱条的初步 状态，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。如果对棉条的不匀不加以控制，那么所加工的棉条在后续加工过程中， 除原有的线密度不匀外，还会增加各工序所造成的不匀，这些不匀都将出现在成 纱中。并且，不匀的最初波长都将随着各工序的牵伸倍数的增加而增加，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。其他比如纤维的伸直度、定向度、平行度、表面状态、化学成分以及分布 不匀率等，都可能影响最终的纺织品质量n 儿2 l 。 并条机是纺织工艺中降低条干不匀率、减少纱疵、改善成纱质量、提高混合 均匀度的主要工序陋1 。纺纱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。生条经过并条工序均匀度得到改善，进一步加工成熟 条。在并条工序中，将乱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。 图1 - 1 纺纱系统的工艺流程 天津工业大学硕十学位论文 1 1 2 并条机自调匀整技术国内外研究现状 用于并条机的自调匀整技术是人们为了提高输出棉条的质量而采用的一种 匀整方法。它是在并条工序中，根据喂入的棉条线密度的差异，在牵伸过程中自 动调节牵伸倍数，从而使纺出的棉条线密度稳定在一定的水平。自调匀整技术是 自动控制理论在纺纱过程中的具体运用。 虽然国产并条机的自调匀整系统已经取得了长足的进步，比如通过其操作系 统可用以设定棉条质量界限，并超限自停，可设定满筒棉条长度及自动换筒，记 录显示各班及当班实时产量、效率、运转时间，连续实时显示号数偏差、条干 c v 值，并在工艺流程上即时显示故障部位，为及时维修提供方便等，但与国际 先进的自调匀整技术仍有较大差距，主要表现在匀整片段长度和制造精度上，在 性能和功能上尚需向多功能、集成化、模块化和智能化进一步发展，从而提高机 电一体化的水平，并逐步纳入信息管理系统。 ( 1 ) 数学模型的建立 在数学模型的建立方面，无论是梳棉机还是并条机，其静态数学模型都比较 简单，但设计高质量的，能适应高速度的自调匀整系统，仅有静态数学模型还远 远不够，必须建立能用于控制工程的动态模型h 引。国外专家和学者对这方面的 研究起步较早，但仍仅限于物理建模，而难于建立精确的动态数学模型。 由于纤维运动的不规则性和复杂性，很难对其运动精确地描述。再之，纤维 品种多样，性质差别较大，长度、细度分布和成熟度都有区别阳1 。这些特性的差 异都会影响到数学模型的建立，进而对纤维的控制也出现了很大的难度旧儿引。 另外，对纤维的控制也比较困难，再加上纤维品种不同，则性质就不相同， 即使同一种纤维，由于产地不同，生长条件不同，其长度分布、细度分布及成熟 度等都不同，这些特性最终都能反映到数学模型中。为简化模型，不得不做出种 种假设，如纤维的长度分布成梯形规律，纤维变速点恒定等，即便如此，所建的 模型中包含很多参数，如纤维的长度、细度、细度的离散程度等等，模型非常复 杂，并且无法用统一的形式表达，难于用在控制工程中。现代的一些高级控制， 智能控制用得较少，相关文献也较少n 们n 。 ( 2 ) 计算机控制 在计算机控制上，更趋成熟和完善。对逻辑线路的布控更加合理，结构更加 简洁和完整。由于p l c 在工业控制方面的优越性，并条机多采用p l c 进行控制。 有的厂家采用p l c 与d s p 、p l c 与单片机相结合的控制技术，或者像p l c w v f 技术等较为先进的计算机控制技术。 ( 3 ) 传感器的应用 传感器用来检测棉条的粗细、疵点、异纤等质量因素。在传感器应用方面， 第一章绪论 目前使用较多的是电容传感器和光电传感器。国外有些公司增加f m 传感器，可 提供异纤数量和分布图。 ( 4 ) 伺服电机的使用 在伺服电机与变频电机的应用上，自调匀整系统的执行机构几乎都是伺服电 机传动系统。高速并条机控制系统的关键在于自动做出快速而精确的响应，不仅 要求性能稳定，同时还要求少维修甚至不维修。 目前国外使用的是无刷、免维护电机。因其具有大的过载能力，小的转动惯 量，小的转矩脉动，转矩电流的线性特性，控制系统有较高的通频带和放大系 数，使整个伺服系统具有良好的动静态性能，且体积小、质量小、效率高、转子 不发热、无刷、少维修，符合上述要求。 德国吕茨勒公司研制的自调匀整系统属于全伺服形式，该公司的h s r l 0 0 0 型并条机有3 个伺服电机，而t d 3 0 型并条机有四个伺服电机，且可实现后区牵 伸倍数的自动优化。特吕茨勒公司自称该系统每一米出条质量都是最优化的，且 换筒期间的减速和加速过程中，也能使出条匀整。目前，国内的一些企业也在研 制全伺服匀整形式，但还处于起步阶段，都没有正式投入市场。u s t e r 公司推 出的一种最新型的匀整形式名为u s g ，该系统调试简单，是目前国内外并条机 设备中配备最多的一种匀整形式。但是，国内目前配备该匀整的企业只有沈阳宏 大、陕西宝花、天门纺机和青岛云龙四家n 引。 ( 5 ) 匀整形式 在匀整形式方面并条自调匀整检测系统与梳棉机类似，利用对喂入棉条( 或 输出棉条) 连续检测，自动调节牵伸机构的牵伸倍数，修正棉条中、长、短片段 的不匀，使输出棉条线密度和条干c v 值有显著的改善。匀整形式有闭环、开环、 混合环3 种。 ( 6 ) 匀整效果 在匀整效果上，一般匀整精度1 。通常都能显示棉条的重量偏差、条干 c v 值、条干曲线图、车速、产量、圈条长度、故障原因等数据和状态。最高测 试速度可达8 0 0 m m i n 或以上。瑞士立达公司研制的自调匀整系统。该系统属于 差速合成的匀整形式，应用于立达公司的r s b d 3 0 c 、r s b d 3 5 型并条机上。目 前该系统在国内市场上都能见到。 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 质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 天津工业大学硕士学位论文 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。 1 2 自调匀整概述 1 2 1 自调匀整原理 所谓自调匀整，其根本原理是根据喂入或纺出半制品的单位长度重量的差 异，自动调节机器的牵伸倍数，使纺出半制品的单位长度重量( 或粗细) 保持一个 较稳定的数值n 2 儿1 3 1 。 自调匀整系统的牵伸机构由罗拉和皮辊组成，相邻两对罗拉组成一个牵伸 区。每个牵伸区实现牵伸所必须具备的条件是： ( 1 ) 前一对罗拉的线速度要大于后一对罗拉的线速度。 ( 2 ) 每对罗拉形成一个握持须条的钳口，必须有一定的握持力，以便控制 纤维运动。 ( 3 ) 两个罗拉钳口间要有一定的握持距( 两个钳口间须条运动的轨迹长度) 。 握持距要大于纤维的品质长度，以利于牵伸顺利进行，并可避免损伤纤维。 对于并条机中的自调匀整系统，其工作原理如图1 2 所示，首先对喂入棉条 ( 6 8 根) 的线密度通过传感器进行不间断地检测，控制系统根据线密度的大小 自动调节牵伸机构的牵伸倍数，匀整系统根据工艺要求和喂入棉条的情况调节伺 服电机的转速进而改变前后罗拉的转速比来改变牵伸倍数，修正中、长、短片段 的不匀，使输出的棉条均匀程度获得提高。 竺一l 型。测r _ 1 9p9 一 ll j控制系统 1 2 2 自调匀整分类 图卜2 自调匀整工作原理 4 棉 条 第一章绪论 根据检测与控制位置不同，可将自调匀整装置分为闭环、开环和混合环三种 类型。混合环系统是开环与闭环两个系统的结合。 ( 1 ) 闭环系统 图1 - 3 闭环系统框图 当检测点在机器输出处，控制点在喂入处时，将检测点到控制点的匀整过程 和产品的运动过程连起来，成为一个封闭的环状，称为闭环自调匀整系统n 刳，如 图1 3 所示。根据前方检测的棉条线密度，反馈改变牵伸倍数，控制和匀整棉条 均匀度。但由于机前检测点与机后变速点之间间隔一段距离，匀整作用在时间上 必然滞后，存在匀整死区，所以对5 l o m 以下中、短片段的匀整效果较差。该 自调匀整形式主要控制质量偏差和3 0 m 及其以上的片段不匀，其中2 5 0 - - 3 0 0 m 片 段上的匀整效果更为明显。 ( 2 ) 开环系统 图卜4 开环系统框图 开环与闭环相反，检测点在机器输入处某部位，而控制点则在输出处，匀整 过程和产品运动过程不成为一个封闭环状蚓。如图1 4 所示。开环系统采用先 天津工业大学硕士学位论文 检测后匀整的方法，针对性强，而且调整及时，可以匀整较短片段的不匀，即对 l s i n 中、短片段的不匀率匀整效果好。要求严格满足匀整的基本方程，有自检 能力，可以修正各环节或元件变化引起的偏差。与闭环式比较，对长片段的匀整 效果较差。 ( 2 ) 混合环系统 图i - 5 混合环系统 混合环系统顾名思义就是同时采用开环和闭环的控制系统，如图1 5 所示。 它把快速响应的开环系统和中、低速反应的闭环系统有机地结合起来，在控制机 构上叠加两方面检测到得信号，形成混合环控制系统。混合环的构成，可以在两 处检测一处执行，也可以在一处检测两处执行。它综合了前两种系统的优点，克 服了各自的缺点，取长补短，使输出棉条的短、中、长片段的均匀度都得到改善， 综合性能较好口6 m 儿1 8 。 总之，闭环为滞后调整，开环为及时调整，混合环更为完美，但较为复杂卅比。 1 3 本课题研究意义及主要内容 目前国内的并条机大都配置进口的自调匀整装置，其缺点是价格昂贵，维修 不便并且零配件不能及时供应，因此难以在国内大范围的推广。而国内并没有成 熟的能适应高速运转情况下的自调匀整装置心，因而如何在很高的出条速度下， 改善自调匀整性能，是高速并条机研究中的一大难点和重点。如果能设计出一种 自调匀整装置可以实现并条工序生产过程的自动检测和控制，从而改善输出条的 质量偏差和质重不匀，保证成纱质量，将有利于国内并条机自调匀整技术的发展。 结合课题研的意义，本课题研究的主要内容如下： ( 1 ) 分析棉条条干不匀的指标原理。 ( 2 ) 研究在线检测与控制系统的工作过程，对检测机构、牵伸机构、延迟 第一章绪论 机构等进行系统分析。 ( 3 ) 根据对被控对象和要实现的功能确定硬件结构。 ( 4 ) 设计出适合高速并条机的在线检测与控制系统的控制算法。 设计检测与控制系统的硬件，包括检测棉条厚度的激光传感器、变频器、伺 服电机、触摸屏的选择，以及它们与p l c 的连接。传感器检测到的数据传送给 p l c ，p l c 的控制程序经过数据处理和运算改变伺服电机的转速来改变输入棉条 的速度，从而改变牵伸倍数，使棉条的均匀度达到预定要求，实现自调匀整的目 的。同时，把检测到的数据和有检测数据生成的曲线图、趋势图在触摸屏上进行 直观显示，通过数据和曲线图、趋势图可以对棉条的质量进行分析。最后，根据 设计好的硬件设施，设计便携式自调匀整装置控制柜。 本课题的关键点在于实现实时检测与同步控制。在实时检测过程中，要实现 数据采集、数据转换、数据处理，数据分析、判断，生成曲线图和趋势图。同步 控制过程中，要通过调整罗拉速度，改变前后罗拉的牵伸比，达到自调匀整的目 的。 天津工业大学硕+ 学位论文 8 第二章自调匀整系统分析 第二章自调匀整系统分析 2 1 棉条条干不匀的分析 棉条的条干不匀是指在其长度方向粗细不匀；条干不匀率是指在其长度方向 粗细不匀的程度。 棉条条干不匀产生的原因为嘲： ( 1 ) 棉纺过程中纤维不能完全分解承担纤维，棉纺工艺不能使纤维伸直或 平行。 ( 2 ) 浮游纤维变速随机性造成非周期性不匀。 ( 3 ) 机械缺陷如罗拉弯曲、偏心、传动齿轮不良等形成的不匀。 机械因素造成的条干不匀具有周期性，在机械状态为理想的情况下，牵伸后 的棉条上仍然具有波的形态，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叫牵伸波，它与机械状态无关。罗拉牵伸的波形不如机 械因素造成的波形那样有规律，其波长、幅值和相位都是变化的。这是由于棉条 经过反复的牵伸与合并，原来的波形被拉长，且相互叠合，同时产生新的波，所 以使牵伸波的形态变得复杂。牵伸波的形成是由在牵伸区中作用于纤维上的引导 力与控制力经常波动造成的，其结果是纤维运动的不规则或变速点的分布循环性 地前后振荡，在牵伸后的产品上产生周期的节粗节细。 棉纺过程中，描述棉条质量好坏的主要指标有重量偏差a 、条干不匀率和 条干c v 值。 ( 1 ) 重量偏差 a 是取样棉条与标准棉条之差与标准棉条之比的百分数，即： 壁警枷。 ( 2 1 ) ( 2 ) 条干不匀率 条干不匀率的计算方法是：采集n 个样本，计算平均值为x n ，对比x n ， 统计低于x n 的样本数为m ，这m 个样本的平均值为x m ，则不匀率可以计算为： 不棒警川。 ( 2 2 ) 天津工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 变异系数 变异系数又称“标准差率”，它是指均方差占平均数的百分率，是衡量资料 中各观测值变异程度的一个统计量，当进行两个或多个资料变异程度的比较时， 如果度量单位与平均数相同，可以直接利用标准差来比较心钔乜别。 c v ：呈： x 式中：z ，测试所得各数据之值； x 测试数据的平均数； n 测试总个数； 仃均方差( 标准差) 。 2 2 混合环控制策略的确定 x 1 0 0 ( 2 - 3 ) 对于并条机而言，开环控制可以消除死区，但是对来自牵伸系统干扰的影响 无能为力，系统的稳定性较弱；闭环控制可以抑制干扰的影响，系统有着较强的 鲁棒性，但不能消除死区。混合环式并条机自调匀整控制系统兼具开环式和闭环 式两种系统的优点，因为它有开环式环路可以保证短片断棉条的匀整，又具有闭 环式环路可以保证系统高度的稳定性。混合环要同时解决开环与闭环系统中的问 题，机构和技术上要复杂得多，经济上的花费也较大。以前，由于电子元器件昂 贵，因此混合环使用较少，但现在电子元器件价格已经降低，可靠性也较高，尤 其是用计算机进行控制，混合环并不比开环或闭环系统成本高太多，因此混合环 已经逐渐成为首选。 本装置采用以开环控制为主，闭环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。 混合环式并条机自调匀整示意图如图2 一l 所示，在系统的输入和输出各设置 一个检测点，将两个测量值和给定值一起送到控制器，通过牵伸机构调整中罗拉 的转速进行自调匀整。 第二章自调匀整系统分析 中罗拉 前罗拉 图2 一l 混合环自调匀整示意图 并条机自调匀整装置的系统按其功能实现主要分为四个部分。 ( 1 ) 检测机构：对棉条进行测量和数据采样。检测机构包括前置激光传感 器，用于检测输入棉条的线密度，从而得到前置输入的信号；后置传感器，用于 检测输出棉条的厚度，得到后置输出的信号。并将检测到的信号转变为数字量显 示在触摸屏上。以此与控制信号构成整个控制系统。 ( 2 ) 牵伸机构：利用前罗拉和中罗拉的速度差对棉条进行牵拉，调节棉条 的粗细。牵伸机理十分复杂，几乎不可能建立可臻实用的精确数学模型，工作环 境和参数的多变，更是给匀整调节带来很大的困难。 ( 3 ) 变速机构：通过电机转速的改变来改变罗拉的速度，使输出半制品的 定量等于或接近设计定量，达到改变牵伸比、实现自调匀整的目的。 ( 4 ) 控制机构：控制部分由转换机构和调节机构组成。转换机构将检测所 得的质量或厚度波动的机械量，转换成相应的电信号；调节机构将电信号按比例 放大，控制调速部分变速。利用相应的计算机控制方法，调节电机的转速达到控 制的目的。这是自调匀整系统的核心部分。 2 3 检测机构分析 2 3 1 引言 检测机构是控制系统的重要组成部分。运动控制系统中的检测机构就是要实 时地对被测对象的运动参数进行检测和数据处理的系统。 传感器是一个把待测量变换成电信号的装置，传感器能否获取信息和获得的 信息是否正确，关系到整个测量或控制系统的成败与精度。 检测系统的结构如图2 2 所示。 天津工业大学硕士学位论文 被测对象 图2 - 2 检测系统的结构示意图 信息处理与控制单元是检测系统的核心，现代检测系统用计算机完成数据处 理，可以实现误差分析以提高系统的性能，进行自动补偿、校准和诊断。 2 3 2 数学分析 棉条检测单元是将喂入棉条的不匀变化以电信号的形式反映出来并将测量 数据传送到控制单元，而且在触摸屏上显示。 对输入棉条进行连续测量。其工作原理是：凹罗拉固定不动，凸罗拉通过弹 簧加压紧靠在凹罗拉上，形成一测量钳口。由于钳口中棉条粗细的变化，使凸罗 拉推动传感器的探头发出信号。根据位移量的大小，传感器输出相应的电压值， 该值与棉条输入量有良好的线性关系，测得的信号同时得到放大和传送。这种结 构的优点是测量稳定可靠，不易受外界干扰，操作使用方便。为使凹凸罗拉组成 的测量钳口能j 下确反应须条不匀的变化，要合理设置测量罗拉加压、直径和沟槽 宽度等参数，同时还要注意须条定量、回潮率、结构性状等对测量信号的影响， 不同品种可以设置不同的测量参数。 对于检测系统检测对象棉条，松软、可压缩且截面形状不固定。要检测的物 理量是棉条的线密度，而传感器实际所能检测到的只是棉条的厚度。经验表明， 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性关 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。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。 墨= 参= 号 ( 2 - 4 ) s = 口b ( 2 5 ) 式中口为检测沟槽的宽度，b 为检测厚度。 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问存在一 个比例关系，即有一压缩比k ，： k ，：l 1 s ， 式中：s 为棉条的实际截面积。 故实际检测厚度为： 6 ：盟：k ：q p a ( 2 6 ) ( 2 7 ) 位移传感器及信号调节部分对厚度信号进行处理放大，两者的放大系数共计 为k ，故检测的馈入信号】，与线密度的关系为： 】，= k 3 b = k 2 k 3 q = k g q ( 2 8 ) k 。决定了对棉条波动的响应程度，由于凹凸罗拉检测装置检测喂入棉条线 密度时受原料性质、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 天津工业大学硕士学位论文 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 3 3 检测传感器 检测传感是实现自动控制、自动调节的关键环节，它的功能越强，系统的自 动化程度越高。 由于高速并条机的出条速度可达到8 0 0 m m i n 以上，对于高速并条机的自调 匀整系统而言，要求对机械进行实时控制，对数据进行实时监控，并要对机械进 行安全检查，所以对检测传感器的要求较高啪1 。要求传感器抗干扰能力强、精度 高、动态响应好、灵敏度高。 光电式传感器在受到可见光照射后即产生光电效应，将光信号转换成电信号 输出。它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多 种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感器 件。光电测量时不与被测对象直接接触，光束的质量又近似为零，在测量中不存 在摩擦和对被测对象几乎不施加压力。对棉条的检测首选光电式传感器瞳引。 2 4 牵伸机构分析 牵伸机构是自调匀整系统的关键部分，是自调匀整控制的被控对象。通过改 变牵伸罗拉的速度来调节牵伸比例，进而匀整棉条的均匀度。要实现牵伸倍数的 调节，既可以通过改变中罗拉的速度，也可以通过改变前罗拉的速度。在自调匀 整装置中，调节前罗拉速度或调节中罗拉速度各有优缺点。但在高速并条机配套 的自调匀整装置中，用中罗拉变速的方式较多，原因为： ( 1 ) 前罗拉的速度保持不变有利于稳定产量。 ( 2 ) 前罗拉速度较高，较难精确地调节牵伸倍数。 ( 3 ) 调节中后罗拉速度所需功率的变化比调节前罗拉为小，也比较容易满 足系统对惯性的要求。 本论文中我们对自调匀整系统采用中罗拉调速。 2 4 1 牵伸机构原理 牵伸机构的工艺原理如下：自调匀整控制系统根据喂入及输出棉条定量的偏 差，通过牵伸机构改变喂入罗拉的速度，相应自动调整牵伸倍数，使纺出棉条的 定量保持符合要求的稳定数值，同时改善棉条不同片段的重量不匀率嘲1 。 牵伸区所必须具备的条件是：前一对罗拉的线速度大于后一对罗拉的线速 度；每对罗拉形成一个握持须条的钳口，必须有一定的握持力，以便控制纤维运 e = v l v 2 式中：m 为输出罗拉的表面线速度，v z 为喂入罗拉的表面线速度。 2 4 2 匀整方程的确定 图2 - 3 牵伸作用示意图 前钳口 ( 2 9 ) 假定牵伸过程中没有纤维散失，则单位时问内从牵伸区中输出的重量与喂入 的重量相等，于是： u 彤= v 2 e = y 1 v 2 = 式中： 、为输出产品、喂入产品单位长度的重量，则有： = r v o + a w ( 2 1 0 ) ( 2 - l1 ) ( 2 1 2 ) 为棉条的单位长度标准重量，a w 为棉条中存在的定量偏差，由式2 1 1 和式 2 1 2 得： 彤= t r v o + , r v ( 2 1 3 ) 天津工业大学硕士学位论文 取为额定牵伸倍数，在理想情况时有： 则有： e o = w o 彬 ( 2 1 4 ) e=e o ( 1 + w wo ) ( 2 - 1 5 ) 该式为自调匀整基本方程，它表达了牵伸倍数e 与喂入棉条定量的变化量 b w 之间的关系。并条机自调匀整系统通过改变喂入罗拉的速度从而改变牵伸倍 数的匀整方式，于是匀整方程变为： v ： 兰 。 e o ( 1 + a w l w o ) ( 2 1 6 ) 上式中，v 。、民为常数，要求喂入速度1 ，：应随w o 的变化而变化。 当a w 0 时，喂入棉条的实际重量大于设定要求的棉条重量，则中罗拉速 度变慢，牵伸倍数变大。反之， x ，当纤维彳在墨一墨界面上变速后，纤维b 尚须以速度1 ，：向前移动 以。一x ) 的距离才变速，此时需要时间t = ( a 。一曲1 ，：，在同一时间内，纤维a 的 头端向前移动的距离是 。一石) ，则 口l x = 1 ，lx ( a o x ) v 2 = ex ( a o x ) 口。= e ( 口。一工) 一x = e a 。一( e 一1 ) x ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 上式说明了前面纤维的变速较晚，后面的纤维提早变速，牵伸后纤维移距比 正常移距小，其移距偏差( e l k 为负值。 综上所述，牵伸过程中，由于纤维不在同一界面上变速，从而产生了移距偏 差，其值为e 一1 k 。 移距偏差的存在，形成了附加不匀。在牵伸过程中，如果棉条的某一截面上 有较多的纤维变速较早，便产生粗节，细节紧随其后；反之，如果有较多的纤维 变速较晚，便产生细节，粗节紧随其后。由移距偏差( e l k 可知，当纤维变速 位置越分散( 即x 值越大) 、牵伸倍数e 越大时，则移距偏差值越大，条干越不 均匀。因此，在牵伸过程中使纤维变速位置尽可能向前钳口集中，即x 哼0 ，是 改善条干均匀度、提高牵伸能力的重要条件。 2 5 2 延迟时间的确定 匀整基本方程找到了调节牵伸的规律，由于牵伸函数是根据输入不匀的变化 而变化的，其匀整特点是针对性匀整，因此延迟距离的确定与分析就显得十分重 要汹1 。图2 - 6 所示为棉条匀整点的情况。 由前面的牵伸调节方程式可知，调节是以棉条重量为依据的。在棉条线密度 一定且纤维长度成一定分布时，棉条中纤维根数的变化可体现棉条重量的变化， 而棉条中纤维根数的变化常用纤维头端密度来表示。所谓纤维头端密度，就是在 棉条单位长度内包含的纤维头端数。而纤维变速点是针对纤维头端而言的。下面 对纤维密度与棉条截面内纤维根数的关系进行分析。 第二章自调匀整系统分析 检 测 点检测罗拉 皤0 匀变钳 、 整速 口 点：卓 线 输出罗拉 图2 - 6 检测点和匀整点的关系示意图 在牵伸区中，当纤维受到的握持力大于牵伸力时纤维开始变速，纤维变速点 的分布针对纤维的头端，而检测厚度亦即匀整厚度是针对纤维平均长度的中点， 因此纤维变速点与棉条匀整点之间的长度为纤维的平均长度的一半。从牵伸理论 中知道，纤维变速点并不在前罗拉钳口线。实际上大部分纤维在前罗拉钳口线一 定距离处开始变速，设变速点到钳口线的距离为s ，则棉条匀整点到前罗拉钳口 的距离m 为： m = l | 2 + s 其中，为纤维平均长， 如果考虑纤维的整齐度或长度离散系数c ，则 m = t 2 ( 1 + c 2 ) + s ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 从检测点到棉条匀整点的距离l = l m ，这个距离代表纱条离开测量罗拉 后到匀整点以前必须走的距离，即延迟距离： l = l 一 1 2 ( 1 + c 2 ) + s ( 2 2 5 ) 式中：一从检测罗拉到前罗拉握持线问的距离。 为固定值，( 1 2 ( 1 + c 2 ) + j ) 受纤维状况、牵伸参数等多种因素影响，为 未知数。由于这些因素的影响，使牵伸过程中纤维变速点或匀整点的位置的不确 定性，造成了延迟距离的不确定性，从而很难保证匀整效果。因此延迟距离是很 o o 天津工业大学硕士学位论文 重要的参数，必须在测试时进行修正。 则延迟时间可按照下式计算： l - t 2 ( 1 + c 2 ) + s 。， f = 一一l y 2 ( 2 - 2 6 ) 式中：f 一系统惯性延迟时问； 由上式可以分析： ( 1 ) 延迟时间与值有关。l 值越大，延迟时间越长，并随加工原料类别 及牵伸装置的结构的不同而不同。 ( 2 ) 延迟时间和v ，成反比。v ，越大，延迟时间就越小，反之，延迟时间越 大。v ，是个关键的参数，v ，的大小合适与否，不仅影响纱条的喂入张力变化， 而且在很大程度上影响匀整质量。 ( 3 ) 延迟时间受，值的影响。由于被加工棉条的质量和品种的不同，的纤维 平均长度不同，要求有相应的延迟时间的变化。 ( 4 ) 延迟时间与纤维长度离散系数c 和纤维变速点到前罗拉握持点之间距 离s 有关系。在c 值大的情况下，s 值也相应大，反之亦然。 ( 5 ) 惯性延迟时间t 越大，则系统的延迟时间应越小。t7 值受自调匀整装 置的型式的影响。对t 值测定的正确性对更好掌握延迟时间的规律具有重要意 义。 由于延迟时间受隔距、喂入速度、纤维平均长度、惯性延迟时间等众多因素 的影响，延迟时间会随着这些因素的细微波动不断发生变化，所以非常难以确定。 上述分析只是在理论上给出了影响延迟时间的因素和影响程度的大致范围。 2 。5 3 延迟控制的实现 自调匀整技术可以改善织物的质量，在控制过程中，先检测再控制的方法称 为延迟控制方法，延迟控制的精确性是决定自调匀整效果的一个关键因素。本装 置采用定长控制自调匀整技术啪1 。在检测罗拉的旁边放置编码器，当检测罗拉转 过一定的角度，即棉条经过一定的位移后，发出一个脉冲，实现其定长检测控制， 克服以前定时检测在速度不稳定时，计算匀整延时困难的不足。编码器与p l c 相连。 所谓对棉条牵伸的定长控制是指：棉条从检测点到匀整点的长度是一定的， 而检测罗拉每转一周棉条走过的长度也是一定的。如果在检测罗拉轴上连接一个 旋转编码器，旋转编码器每转一周发出一定的的脉冲数，则从检测点到匀整点发 第二章自调匀整系统分析 出的脉冲数也是一定的。这样，检测到棉条不标准值后触发中断，可以实现与罗 拉转速无关的精确控制，这样既提高了c p u 的效率，也对中短片段棉条的自调 匀整可以起到了很好的效果。 定长控