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基于变结构广义预测控制的并条机 自调匀整系统仿真 摘要 自调匀整是一种用来控制纱条粗细不匀的自动调节装 置，可以有效地提高纱线和织物的质量。自调匀整的研究始 于2 0 世纪6 0 年代，随着自动化水平的提高，自调匀整装置 在原有作用原理的基础上，控制技术和实现手段都有很大的 发展，在现代纺纱生产中的作用已十分重要。而自调匀整装 置成为高速并条机中的必要配置已成共识。 由于高速并条机的牵伸机理十分复杂，几乎不可能建立 实用的精确数学模型，工作环境和参数的多变，更是给匀整 调节带来很大困难，这就使得即使进口自调匀整系统在短片 段匀整上基本都采用开环控制。从控制理论的角度来看，自 调匀整系统是一个强扰动、大延迟的定值控制系统。短片段 闭环自调匀整效果差的主要原因在于缺少有效的控制方案 用于解决上述控制难点。 在深入研究并条机短片段自调匀整系统工作机理的基 础上本课题创新性地提出新的短片段闭环自调匀整系统的 建模方案。与以往文献中所介绍的开环控制、闭环控制和混 合环控制等几种方案在控制方式上存在根本区别的是，本方 案提出了一个以并条机输出条干线密度为被控量的控制系 统中，作为控制对象的短片段闭环自调匀整系统的数学模 型，不仅包括系统输出条干线密度检测信号、控制信号等可 测量，还应包括输入条干线密度检测信号，并把上述三个可 测量统一考虑，进行综合辨识而建立一个双输入单输出的 c a r i m a 模型的论点。该课题中，还把对于大滞后、参数复 杂多变的对象控制效果十分优秀的变结构广义预测控制这 一新的控制算法经过适当的改进后引入短片段闭环自调匀 整系统中，利用m a t l a b 软件进行相关的仿真研究，并对 并条机运行过程中所出现的几种典型工况进行基于课题算 法的仿真分析以用于验证该算法在并条机短片段自调匀整 中的有效性。 提高我国纺织机械竞争力出路在于技术创新。本课题所 进行的仿真研究在短片段闭环白调匀整方面作了一些探索。 关键词：并条机，短片段自调匀整，变结构广义预测控 制，闭环控制，m a t l a b ，计算机仿真 t h ea u t o l e v e l l e rs i m u l a t i o no f d r a w i n gf r a m eb a s e do nv s g p c t h ea u t o l e v e l l e ri sas e l f - a d j u s t i n ge q u i p m e n tt oc o n t r o ly a m t h i c k n e s su n e v e n n e s s , a n di te f f i c i e n t l ye n h a n c e st h eq u a l i t yo f y a ma n df a b r i c t h er e s e a r c ho f a u t o l e v e lb e g g n si n6 0 so fl a s t c e n t u r y , w i t ht h ei m p r o v e m e n t o fa u t o m a t i cl e v e l ，b a s e do ni n h e r e t h e o r ya n df u n c t i o n , t h ec o n t r o lt e c h n o l 0 9 9 ja n d r e a l i z a t i o nm e a n s h a sg r e a t l yi m p r o v e d , a n dt h ea u t o l e v e l l e r h a sb e c o m ev e r y i m p o r t a n ti n t h ef u n c t i o no f s p i n n i n gi nm o d e m t i m e s i ti sd i f f i c u l tt o e s t a b l i s ht h ep r e c i s ea n dp r a c t i c a l l y i n a t i l e m a l i c a lm o d e lo fa u t o l e v e l l e r , b e c a u s eo f t l l ec o m p l i c a t e d o f t h et r a c t i o nm e c h a n i s mo fh i g h - s p e e dd r a w i n gf r a m e a n di t i s m o d i f f i c u l tt oa u t o l e v e la 内l l s t b e c a u s eo ft h ec h a n g e f u lo f w o r kc i r c u m s t a n c ea n dp a r a m e t e r s b e c a u s eo f t h e s er e a s o n s ，e v e n i fi m p o r ta u t o l e v e l l e ru s e di ns h o r ts e g m e n ta d o p t so p e n - l o o p c o n 舡0 1 f r o mt h ep o i n to f v i e wo f c o n t r o lt h e o r y , t h ea u t o l e v e l l e r i sa ni n v a r i a b l ev a l u ec o n t r o ls y s t e mw i t ht h et r a i t o f s t r o n gn o i s ea n dg r e a tt i m e - d e l a y t h e m o s ti m p o r t a n tn 冀喀o n o fc l o s e - l o o pa u t o l e v e le f f e c tb a d l yo fs h o r ts e g m e n ti s l a c ko f 3 b a s e do nt h ei n - d e p t hs t u d yo fs h o r ts e g m e n ta u t o l e v e l l e r s y s t e mo fh i 【g hs p 日e dd r a wf l a m e ，t h i sp a p e ri n n o v a t i v eb r i n g f o r w a r dn e wm o d e l i n gs c h e m eo fa u t o l e v e l l e rs y s t e m i ti s d i f f e r e n tf r o mo p e n - l o o po o n t r o l ，c l o s e - l o o pc o n t r o la n dm i x - l o o p c o n t r o li n t r o d u c e di na n c i e n t l yp a p e r t h es c h e m eo ft h i sp a p e ri s s e t t i n gu pu n i t e dc a r i m a m o d e li n c l u d i n ga l lm e a s u r a b i f i t y a n d i n t r o d u c et h en e wa l g o r i t h mv a r i a b l es t r u c t u r eg e n e r a lp r e d i c t i v e c o n t r o li n t ot h es y s t e ma n de s t a b l i s hi t sc l o s e q o o pc o n t r o ls y s t e m t h e nd os o m es i m u l a 矗o nr e s e a r c hw o r ko ft y p i c a lw o r k i n g i n s t a n c eu s e dw i t hm a t l a b i n n o v a t i o ni st h eo n l yw a yt oe n h a n c et h ec o m p e t i t i v el e v e l o f o u r c o u n t r y st e x t i l em a c h i n e r y d u h a i t a o ( p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m ) k e y w o r d s ：d r a wf r a m e ，s h o r t - s e g m e n ta u t o l e v e l l e r , v s g p c ，c l o s e - l o o pc o n t r o l ，m a t l a b ，s i m u l a t i o n 4 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈 交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成 果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：事易疚一 日期彩年2 月2 归 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用本版权 书。 不保密 怨b j丧日孑 名 u j 雠 年 ，教 ： 指 日 名影 眵日 衷彩 登 z 者 u l 懈 佴 文 ! ； 测 锄 东华大学硕士论文 第一章引言 并条工序是棉纺产品质量的控制中心。棉纺并条工序的工艺设备 水平状况对棉纺产品质量的影响，越来越引起国内外棉纺专家的重视。 并条机的出条速度是衡量并条机现代化程度的主要标志。速度愈高， 愈易造成须条质量不稳定，但高速状态下，稳定地纺出高质量须条， 一直是国内外并条机研究的核心课题。当前国内并条机围绕着高产、 优质、高效，运用和发展了系列新技术。 自调匀整装置成为高速并条机中的必要配置也已经达成共识。自 调匀整的研究始于2 0 世纪6 0 年代初，随着电子和计算机技术的发展， 自调匀整装置在原有作用原理的基础上，控制技术和实现手段都有很 大的发展，在现代纺纱生产中的作用已十分重要。自调匀整系统采用 了传感器技术、计算机技术、交流伺服系统等当前先进的电子技术， 是高度的机电一体化产品。 近年来，国内几家纺织机械厂先后开发出了高速并条机，并批量 投放市场，得到了用户的认可。这些国产高速并条机配用的却多是进 口自调匀整系统，国产自调匀整系统以6 1 5 所的b y d 稍成气候。但 用户反映在短片段匀整效果方面与进口产品相比仍有相当差距。短片 段匀整效果差的主要原因在于缺少相应的有效控制算法以用于解决并 条机中所存在的大滞后、强扰动等控制难点。 本课题正是基于目前国产自调匀整系统所存在的致命缺点的现 状，准备引入变结构广义预测控制( 、7 撕a b l es t r u c t u r eg e n e r a lp r e d i c t i v e c o n t r o l ，简称v s g p c ) 这样一种新的计算机控制算法构建系统的短 片段闭环自调匀整控制系统力争解决高速并条机中所存在的短片段匀 整效果差的这一缺点，并在计算机仿真中模拟并磊机运行时的各种工 况进行验证。 东华大学硕士论文 1 自调匀整研究历史 自调匀整装置的研究，从清棉机上的洋琴装置算起已经有百余年 的历史了。但直到1 9 1 4 年自调匀整技术的研究才有了较大的发展，爱 尔兰人埃维斯( j u e v e s ) 发明了带有延迟机构的较完善的机械式 自调匀整装置。 然而自调匀整技术发展和应用于生产实际，却是近七十年的事。 英国人雷伯( g f r a p e r ) 对自调匀整的研究始于1 9 3 7 年，而有成 效的工作是在1 9 4 5 年以后。雷伯发明的自调匀整装置，于1 9 5 3 年的 英国曼彻斯特国际纺织机械博览会和1 9 5 5 年的布鲁塞尔第二届国际 纺织机械展览会上展出后，在精梳毛纺工业中得到了应用。1 9 5 9 年在 意大利米兰第三届国际纺织机械展览会上，第一次展出了棉纺用的自 调匀整装置，瑞士的格拉夫( g r a o 公司制造了用于梳棉机的自调匀整 装置，瑞士的乌斯特( u s 6 哪和美国的萨克洛威尔( s a g o - l o w e u ) 两 家公司协作制造了用于并条机的自调匀整装置，以后自调匀整装置在 棉纺中得到了应用。【o l l 近十多年来我国纺织机械行业的自动化水平有了明显的提高，在 新型纺织机械上普遍采用了自动化技术。这项技术的内容包含了先进 的信息处理和控制技术，即以计算机为核心，有p l c 、工控机、单片 机、人机界面、现场总线等组成的控制系统；先进的驱动技术，有变 频调速，交流伺服，步进电机等；检测传感技术和执行机构等伴随 着纺织机械行业自动化水平的显著提高，白调匀整装置在原有作用原 理的基础上，控制技术和实现手段都有很大的发展。已成为纺纱工程 中的重要一环 自调匀整控制系统可分为开环、闭环和混合环三种。根据三种控 制系统各自的优缺点，以及纺纱工程各工序的特点及其要求，国内外 自调匀整系统的典型配置为：并条机上多以开环系统为主，如u s t e r 的u s c 系统和国内中国航天工业总公司6 1 3 研究所的b y d 系统；梳 棉机上多以闭环或者混合环为主。 2 东华大学硕士论文 2 自调匀整研究现状 随着科学技术的发展，人们对纺织品高量的需求和国内外市场竞 争的需要，并条机自调匀整装置将越来越广泛地被采用。国产的匀整 系统也将会占领国内的大部分市场。为了适应国内外市场激烈竞争的 需要，国家纺机“九五”规划中已经把带短片段自调匀整装置、出条 速度高于6 0 0 m r a i n 的高速并条机作为开发的重点。近几年对自调匀 整装置的研究也从没有间断过，几乎每年都有关于其研究的技术研讨 会的召开，这对于自调匀整装置技术水平的提高具有十分重要的现实 意义。 近年来，国内几家纺织机械厂先后开发研制出了高速并条机，并 将其批量投放市场，而且也得到了用户的认可。然而这些国产高速并 条机配用的却多是进口的自调匀整装置系统，国产自调匀整系统以 6 1 5 所的b y d 系列稍成气候，但用户反映在短片段匀整效果和运行可 靠性方面与进口的自调匀整系统产品如u s t e r 的u s c 系统等相比仍 有相当大的差距。 由于高速并条机的牵伸机理十分复杂，几乎不可能建立实用的精 确数学模型，工作环境和系统参数的多变，更是给匀整的调节带来很 大的困难，这就使得即使进口自调匀整系统在短片段的匀整上基本都 采用了开环控制作为主流的控制模式。 开环控制简单，但是对参数变动敏感，对使用者要求也比较高， 而若控制参数调节不当会导致匀整效果的明显恶化。开环系统设计关 键是使控制系统的时滞参数设定与纱条通过检测点与匀整点之间所需 的时间配合得当，并使牵伸倍数的变化与输入纱条的线密度变化相适 应。若设计得当，则可以匀整较短片段的不匀，而且效果十分优秀。 而且，开环系统不能对牵伸过程中出现的不匀进行补偿，开环系统只 能调节，不核实调节结果。 基于上述几点原因，开环控制系统在使用前必须精确地校正，且 在正常工作时也要保证校准的参数不能变化。另外，各环节参数变化 或外界扰动引起的偏差也无法修正，容易使条子定量出现偏差。所以 3 东华大学硕士论文 稳定性差且系统参数精确设定困难，对操作人员的要求十分高是开环 控制的自调匀整系统所存在的主要缺点。 闭环系统却恰恰可以抑制各环节中参数变化以及外界扰动的影 响，其系统的稳定性要远远优于开环控制。但是由于系统中匀整死区 的存在，目前在各种文献资料中被广泛认可的观点是闭环系统主要是 匀整长片段、较长片段的不匀，而对中片段、短片段的匀整则无能为 力，而且若系统的灵敏度设计不当，还有可能造成短片段不匀的恶化。 因此引入适当的算法设计能够对应于自调匀整系统所合适的闭环控制 系统是其趋势所在。 并条机自调匀整技术的发展趋势是适应主机的高速度、高产量及 纺纱品种的高质量要求。向高机电一体化、高可靠性方向发展。从匀 整片段看，短片段和超短片段类型将成为主流；从控制方式看，混合环 是发展趋势；从传动方式看，多电机分部传动的高度机电一体化为发 展方向；从市场需求看，国内棉纺企业在压锭调整后对短片段自调匀 整装置和中、长片段自调匀整装置均有相当需求，市场前景十分看好。 3 变结构广义预测控制综述 变结构控制( v 撕a b l es t r u c m r ec o n t r o l ，v s c ) 是一种相当优秀的 现代控制技术。它的控制快速，鲁棒性好，对被控对象的参数变化和 外界干扰不敏感。而且算法的实现也十分简单，是一种比较适合于实 际应用的控制技术。但是它也有一个致命的缺点：对被控对象的惯性 和滞后十分敏感，常因此造成控制上的颤振或失稳，大时滞系统则会 导致滑模条件的破环，引起系统的震荡。而工业控制中实际的被控对 象一般都具有或大或小的时滞，这一缺点影响了这个优秀控制技术的 推广和应用。 变结构广义预测控制是在变结构的基础上结合了广义预测控制， 系统的时滞通过预测予以克服，并且使得广义预测控制的优点在变结 构控制中得到体现。在线辨识少量的参数，利用丰富的动态信息进行 大时域长度的多步输出预测。这不仅克服了系统的抖振，而且增强了 4 东华大学硕士论文 系统的鲁棒性。该控制算法可对大滞后和变参数的被控对象进行有效 的控制。 交结构预测控制技术是经过长期研究所获得的一项理论成果，对 于传统技术难以有效控制的具有大滞后特性、参数复杂多变的对象， 控制效果特别有效。而其作为一项优秀的控制算法，目前已在一些实 际产品如塑料挤出机多段简温度控制和橡胶硫化仪实验模腔精密温度 控制中成熟应用多年。良好的实际使用效果使用户十分满意。 变结构广义预测控制是在交结构预测控制基础上进一步发展，其 稳定性更强，我们将其应用用于高速并条机短片段自调匀整系统的闭 环控制，有望获得良好的控制效果和比较高的稳定性，取得性能上的 突破。 4 本课题的任务 提高我国纺织机械竞争力出路在于技术创新。纺织行业在近几年 一直着力于品牌的开发和产品的创新。包括纺织机械产品的大量进口， 都是纺织行业为提高产品的技术含量而作的努力。目前我国并条机的 自调匀整技术与国际先进水平相比还有相当大的差距，主要体现在可 以匀整的片段长度和制造精度方面，我们应加相关技术的研究，努力 赶超世界先进水平。 此项课题正是在上述背景下，在深入研究高速并条机短片段自调 匀整系统和对变结构广义预测控制进行分析改进的基础上准备把变结 构广义预测控制这项新的控制技术引入高速并条机短片段自调匀整的 闭环控制控制系统。闭环系统具有开环系统无法比拟的稳定性，它对 于开环控制对牵伸过程中所出现的不匀无法进行补偿和对外界扰动引 起的偏差无法修正这一缺点有很好的抑制作用。 本课题主要是在自调匀整装置中引入变结构广义预测控制构建其 闭环控制系统，利用计算机仿真技术进行此控制系统的仿真研究，并 就典型的工况进行计算机仿真，以期对实际产品的研制起一定的指导 作用。 5 东华大学硕士论文 基于上述章节的讨论与分析。本课题论文的内容基本安排包括如 下几点： 高速并条机自调匀整系统研究和分析，根据系统辨识的思想 具体提出其控制系统动态数学模型的建模方案； 深入研究变结构广义预测控制的基本思想和计算机仿真。并 就此控制算法根据前述对自调匀整系统的分析和动态数学模 型的建模方案进行相关改进以适用于该控制系统； 将变结构广义预测控制算法应用于高速并条机自调匀整装置 的控制系统中，并利用仿真软件m a t l a b 进行仿真研究和分析。 将该算法的仿真效果与目前所流行使用的开环控制效果进行 各种工况下的对比研究和分析，并进一步得出将该算法应用 于自调匀整系统有望获得良好的效果和比较高的稳定性，并 能够取得性能上的突破的相关论点； 就该算法在实际的高速并条机短片段自调匀整系统中的应 用，提出构想和实际的解决方案，并提出一些建议。 我们将从上述几个方面对变结构广义预测控制在高速并条机短片 段自调匀整控制系统中的应用利用m a t l a b 软件进行仿真以研究其控 制效果和稳定性，并就其运行过程中所出现的各种工况进行仿真分析。 上述工作是为了验证该课题所应用的这一种新的控制算法变结构广义 预测控制在并条机短片段自调匀整系统中的控制有效性和与目前所存 在的开环控制相比更具稳定性的优势。 全文共分七章，章节的主要安排如下所述。第一章为引言，总体 介绍了本课题的研究背景和课题要采用的新的控制算法变结构广义预 测控制，以及本人所研究的课题内容及结构；第二章主要对自调匀整 系统进行综述性分析介绍，对自调匀整的研究历史、自调匀整的工作 原理及对象进行分析介绍。同时对自调匀整效果的评估原则作一简要 介绍；第三章主要研究分析本课题所采用的变结构广义预测控制的原 理及仿真分析，这一章我们将对变结构广义预测控制的工作原理及其 控制效果进行分析，并就该控制算法在应用过程中所应注意的关键性 6 东华大学硕士论文 闯题进行简要分析；第四章主要研究将变结构广义预测控制应用于自 调匀整系统的仿真原理和分析，在这一章节主要在分析自调匀整系统 和其目前所存在的几种控制方式的基础上提出高速并条机自调匀整系 统的建模思想，并对变结构广义预测控制这一算法进行适当的改进以 适于该课题中所要建立的控制系统，最后就一般系统进行仿真；第五 章主要研究自调匀整系统运行过程中所出现的各种工况，并就各种工 况进行仿真研究并与主流的控制方式进行对比研究；第六章是总结与 展望，总结该论文研究对现实系统的研制所提供的思路，并就其真实 系统的研制提出自己的见解和建议。 7 东华大学硕士论文 第二章自调匀整系统分析 自调匀整是一种用来控制纱条粗细不匀的自动调节装置。在纺纱 工程中，纱条断面粗细不匀的变化是一种平稳随机过程，它包含着各 种形式的不匀，波形复杂。如果对纱条不匀不加以控制。那么所加工 的纱条，除原有的单位长度不匀外，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，且不匀的最初波长都将随着各工序的牵 伸倍数而大大增长，最后将导致成纱强力低，断头率高，均匀度差， 品质指标下降，严重影响织物的质量和外观。【o l l 为了提高纱线和织物的质量，目前在并条机中都基本上采用了自 调匀整装置。本章将从自调匀整装置的研究涉及面、对象分析、自调 匀整的评估原则等几个方面对目前所存在的自调匀整系统进行一番分 析和描述。 1 纱条不匀的形成 因为纱条存在租细不匀从而需要对已经经过并条处理的纱条进行 自调匀整的调节，所以目前并条机中基本都装备了具有自动调节功能 的自调匀整装置。本节中首先简要对纱条不匀的形成原因进行综述性 介绍。 纱条不匀是一个复杂的问题，原因来自多方面，纱条的总不匀是 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。1 0 1 】 1 1 纤维分布的随机不匀 当组成纱条的纤维完全被随机地配置于纱条中时，这种纱条称为 随机纱条若组成纱条的纤维总数趋于0 0 ( 当纱条断面伤纤维数为有 限时，即意味着纱条为无限长) ，则其中某一根纤维出现于某断面上的 概率趋于零。根据数理统计原理，纱条断面上的纤维数量将变成泊松 矗 东华大学硕士论文 分布。 进一步说，不同的纤维具有不同的横截面形状。即使所有的纤维 都具有相同的细度，也会出现沿纱条长度方向的厚薄变化。 在实际生产中，要达到纱条完全均匀的要求是不现实的。纺纱过 程中，纱条内存在着各种形状和各种片段长度的不匀，自调匀整装置 能在所规定的一定范围内起匀整调节的作用。 牵伸波 实际的纱条不匀率超过理论上最小的纱条不匀率，其原因之一就 是牵伸波。在机械状态为理想的条件下，牵伸后的纱条具有波的形态， 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 的波形成为牵伸波，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。由于纱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。其结果是造成纤维分布的不规则或变速 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， 喂入纱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个方面。 1 罗拉钳口移动。由于罗拉钳口位置的不稳定，罗拉隔距也随之 变化，从而形成纱条不匀。以罗拉偏心为例，当存在罗拉偏心时，罗 拉钳口产生移动，牵伸后将产生周期性不匀，其波长与钳口移动的周 期成一定的数倍关系。此外，下罗拉的偏心与弯曲、皮辊弯曲、包覆 物不均匀都会造成罗拉钳口不断变化。 2 下罗拉表面速度不稳定。 9 东华大学硕士论文 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因素有关，如操作方面的失误和接头 不良等。 2 自调匀整研究涉及面 自调匀整的研究和发展涉及到多种学科和技术。 在研究纱条结构和牵伸过程方面，应用了数理统计和概率论的基 本原理。随着研究的进展以及对纱条不匀的认识深入，应用了平稳随 机过程，这是研究自调匀整的一个方面自调匀整装置又是自动控制 在纺纱工程中的具体应用，它涉及一些基础科学如工程数学、电子技 术、液压技术、机械动力学、信号检测分析，又发展了统计动力学， 这是研究自调匀整的又一个方面。【o l l 在测量和试验研究技术方面，从开始用机械测量纱条均匀度，发 展到用灵敏度比较高的电器测量仪器，以及波谱仪( 频谱仪) ，自相关 函数仪等，来分析纱条的不匀，用频谱特性图示仪等来测量有关环节 的频率特性。近年来，国外应用了新的科学技术，制造了模拟自调匀 整的电子计算机，可以对自调匀整的各种参数进行模拟分析研究。所 有这些都促进了自调匀整的研究。 此外，纺织机械和纺织工艺技术的发展也加速了自调匀整装置的 应用。 由此可以得出，自调匀整装置的研究涉及的面是很广的。鉴于自 调匀整装置是自动控制在纺纱工程中的应用，因此它既具有一般的自 动控制系统的普遍性，又具有其本身的特殊性；既涉及到自动控制的 原理，又涉及到调节对象，即纱条不匀的各方面的问题。所以在研究 过程中两者都不可偏废。应用自动控制的基本原理，可以对自调匀整 系统作出科学的分析和判断，从而不断提高其性能，以适应纺纱工程 的需要。 1 0 东华大学硕士论文 由上述论述的几点内容综合起来，可以把自调匀整装置的研究过 程归纳如图2 1 所示。 图2 - 1 自调匀整的研究过程 本文正是从控制方面进行创新性的研究，依据并条机的工作原理 提出一种新的动态数学模型建模方案，并引进一种新的控制方案变结 构广义预测控制利用计算机仿真模拟其各种工况进行相关的仿真研究 以在仿真环境中给出其在并条机短片段自调匀整系统中的应用效果的 评估研究。 3 自调匀整系统原理 要设计自调匀整装置的控制系统，首先要对自调匀整的工作原理 和其被控对象有一定的认识和分析。本节将对并条机自调匀整系统的 工作原理和对象进行初步的分析并根据功能将该装置进行分类并就各 部分的功能及目前流行使用的器件进行简要介绍以对系统被控对象有 全面的了解和认识。 在纺纱厂，并条机扮演着一个十分重要的角色。在生产流程中并 条机提供最后改善质量的工序，并以此来大大改善纺织品的质量，亦 因为如此，并条机的质量标准亦应相应地提高，此外，亦需考虑现今 的趋势如何增加并条机的产量和减少并条机在生产流程所需的道数。 为达到这一目的，更有效的白调匀整装置才能保证高质量棉条的要求。 东华大学硕士论文 所谓自调匀整就是该装置根据喂入或纺出半制品的单位长度重量 ( 在密度均匀一致时也可用纱条粗细表示) 的差异，能够自动调节机 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。 并条机的短片段自调匀整系统的工作原理及组成部分如图2 - 2 所 示。 图2 - 2 高速并条机短片段自调匀整系统结构图 对其进行分析可知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。 牵伸机构：利用前后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。 检测机构：对调节对象( 纱条) 进行测量和数据采样滤波。 包括棉条线密度检测传感器和采样滤波装置。检测机构包 括前置传感器，用于检测输入棉条的厚度，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。以此与控制信号构成整个控制系统。 调速机构：根据控制机构传送的信号及时调节牵伸装置的 前后罗拉速度差，实现匀整装置的自动调节。 东华大学硕士论文 控制机构：利用控制算法设计适当的控制器以能够根据检 测机构传送的信号实现对被控对象即伺服系统进行适当 的调节。 其基本结构简图如图2 3 所示。 搠 条 输 入 r 3船 冀l 捕 索 输 出 图2 3 控制结构简图 图2 3 中，r i 、r 2 和r 3 分别代表前罗拉( 由主牵伸电机带动) 、 后罗拉( 由辅牵伸电机带动) 和给棉罗拉( 通过传动机构皮带轮与r 2 保持恒定的速度比) ：s i 、s 2 和s 3 是三个棉条厚度传感器，s 3 用于 开环控制，s 2 用于闭环控制，s 1 用于波谱分析；b 是喇叭口。系统 主要通过合理调节r l 与r 2 的速度比来达到自调匀整的目的。 4 系统对象分析 根据上述分析从功能划分，短片段自调匀整系统主要包括检测机 构、牵伸机构、交流伺服系统和匀整控制器四部分的内容。下面分别 对检测机构、牵伸机构和交流伺服系统进行有关分析和介绍。 1 1 检测机构 检测机构是为了对调节对象( 纱条) 进行测量，将须条的不匀变 化以某种信号反应出来，并将测量数据传送到控制单元。包括棉条线 密度检测传感器和采样滤波装置。 目前，普遍使用的系统的检测机构主要包括凹凸检测罗拉、位移 传感器和信号调理部分，可以看作一比例环节。由于棉条对象的特殊 性，该比例环节的比例系数和凹凸罗拉的沟槽宽度及检测时的凹凸罗 东华大学硕士论文 拉加压大小有很大关系检测系统通过一对凹凸罗拉机构并给活动的 罗拉施加一定的压力下将棉条的线密度变化信号转化为活动罗拉围绕 一个定轴齿轮转动的位移信号，然后由位移传感器检测出位移变化信 号，通过一定的转换关系将棉条线密度的变化准确有效地转化为一电 信号，并以此为依据进行系统的控制。检测系统检测对象是松软的、 可压缩的且截面形状不固定的棉条，要检测的物理量是棉条的线密度， 而实际传感器所能检测到的只是棉条棉条的厚度。 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l ，在凹凸罗拉宽度不同的情况下，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 有一个比例系数勋，从理论上讲，当纤维材料密度已知时，棉条实 际截面面积的大小与棉条的纤维密度成正比。勋决定了对棉条波动 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已改变放大倍数。 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 ) 牵伸机构 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。既可以改变后罗拉的速度，也可以改变前罗拉的速度来实现牵伸 倍数的调节。在现有的自调匀整方案中，这两种方法均有采用， 在自调匀整装置中，调节前罗拉速度或调节后罗拉速度各有优缺 1 4 东华大学硕士论文 点。但在高速并条机配套的自调匀整装置中，用后罗拉变速的方式较 多，因为前罗拉的速度保持不变有利于稳定产量，同时前罗拉速度较 高。较难精确的调节牵伸倍数另外调节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后罗拉调速。匀整牵伸的工艺原理如下：自调 匀整控制系统根据喂入及输出棉条定量的偏差( 与额定值的差值) 。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。 r lr 2 图2 - 4 军伸装置示惹图 如图2 4 牵伸装置示意图所示。r l 表示输入罗拉，r 2 为输出罗 拉，则牵伸比k 有下列关系式成立。 牵伸蜘矧燃= 罴黼 在理想牵伸条件下，假定纤维的变速点分布固定，则有以下基本 牵伸方程公式： v l g i ；v 2 g 2 ( 2 1 ) 式中：为输出罗拉的线速度；g 。为输出棉条的单位长度重量； v 2 为喂入罗拉的线速度；g ：为喂入棉条的单位长度重量； 当棉条中存在定量偏差a g 时，有： g 2 = g o4 - g 由式( 2 - 1 ) 得 g 。= 半 式( 2 2 ) 中e = v ：为实际牵伸倍数。取e 。为设计的额定牵 东华大学硕士论文 伸倍数，在理想情况时有： e o = g o i o i 于是 e = e o ( 14 - a 6 g o )( 2 3 ) 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a g 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： = 百e 南( 2 4 ) n = l 一 ( 2 4 ) o ( 1 + g g o ) 、 上式中，k 、e 。为常数。要求喂入速度矿：_ 应f 疱a 6 o 。的变化而 变化。 当a g 0 时，喂入棉条的实际重量大于设定要求的棉条重量，则 喂入罗拉速度变慢，牵伸倍数变大。反之，a g 0 时，喂入棉条的实 际重量小于设定要求的棉条重量，则喂入罗拉速度变快，牵伸倍数变 小。 由上分析可得：假设出条速度恒定，则根据式( 2 - 4 ) ，当喂入棉 条波动为a g 时，可变牵伸区喂入罗拉的速度变化率与喂入棉条的不 匀率及输出棉条的不匀率之间的关系： 等= 嵩篑；( 2 4 ，百。再丽5 ( 2 6 ) 喂入棉条的线密度波动率和喂入罗拉速度变化率之间的关系曲线 如图2 4 。 东华大学硕士论文 目 图2 4 喂入棉条不匀率与喂入罗拉的速度变化率关系曲线 3 ) 交流伺服系统 在工业应用的许多领域，交流伺服系统自其诞生的那天起，就成 为有刷的直流伺服系统的强劲竞争对手，尤其自本世纪八十年代以来， 交流伺服驱动技术有了突飞猛进的发展，也使得交流伺服系统的性能 更加优越，价格更加合理，交流伺服系统终将取代传统的直流伺服系 统。 现代电力电子学的大发展为交流伺服系统取代传统的直流伺服系 统奠定了坚实的基础。随着性能优越的全控型大功率电力电子器件如 m o s f e t 、i g b t 、m c t 等不断问世，变频装置发生了根本性的变化， 使交流伺服系统得关键部件之的变频器成本降低，且向高频化、小 型化发展。同时高性能的开关器件也使各种新型的脉宽调制( p w m ) 技术与高频谐振逆变技术得到了广泛的发展，并克服了相控方式变频 电源谐波含量大、功率因数差、转矩脉动大、动态响应慢、线路复杂 等缺点，大大优化了变频器的性能，这也为交流伺服系统的性能提高 提供了物质保障。 在高性能伺服应用领域，采用p w m 控制、方波电流激励的无刷 直流电机交流伺服系统统其它类型的交流伺服系统相比，显示出更为 明显的优越性，表现在：反馈控制简单、功率密度更高、输出转矩更 大、控制结构更为简单、能使电机和逆变器各自的潜力得至更充分的 发挥。尤其随着新型稀土永磁材料的不断开发和应用，无刷直流电机 1 7 东华大学硕士论文 交流伺服系统的造价更低、性能更为优越，并广泛应用于柔性制造系 统、机器人、办公自动化、数控机床等领域。 短片段高速并条机自调匀整系统得伺服系统采用交流伺服系统， 它主要包括交流永磁伺服电机、电机控制器和刹车控制器等部分其 中伺服电机带掉电抱死机构。系统采用闭环控制，p i 调解器参数可根 据需要进行调整，动、静态特性良好；能够实现四象限运转；系统功 能完善，与上级设备接口简单，使用操作方便。 5 匀整效果评估原则 本节简要介绍自调匀整的匀整效果的评估原则。 衡量自调匀整的匀整效果的一个重要指标是条干的c v ( ) 值。 c v ( ) 值越小，匀整效果则越小。 其中，c v 值的描述如下： c 矿( ) ：孚1 0 0 ( 2 7 ) 善 式中，矗( i = 1 ，2 ，n ) 是棉条线密度采样值；为 上述n 个测量值( 即采样点) 的平均值。 当；一定时，c v ( ) 值与输出量的测量差的方差仃成正比。因此， 可以把c v ( ) 值等效为方差指标。 6 本章小结 在本章中，首先就纱条不匀的原因进行了简单的分析描述。接着 从自调匀整研究的涉及面出发，介绍了研究自调匀整系统需要涉及到 的知识，并了解到自调匀整的研究和发展涉及到多种学科和技术。而 且对自调匀整系统的研究涉及到自动控制的原理，又涉及到调节对象， 1 8 东华大学硕士论文 两者不可偏颇。对两部分内容要同步进行研究以此来共同促进自调匀 整系统的发展。然后对自调匀整系统的工作原理和对象进行了分析阐 述，并根据功能对自调匀整系统进行功能性分类。最后，简要介绍了 自调匀整装置匀整效果的评估原则。 综上所述，本章我们主要是从自调匀整装置这一切入面出发对该 系统进行了分析和说明。在下一章中，我们将详细介绍该课题中应用 于并条机自调匀整装置的控制算法变结构广义预测控制。 1 9 东华大学硕士论文 第三章变结构广义预测控制分析 本章，将对该研究课题所应用的新的控制算法变结构广义预测控 制进行初步的分析和仿真，以此来说明该算法在时滞和变参数系统中 的优越性。 变结构预测控制作为一项优秀的控制算法。目前已在一些实际产 品成熟应用多年，良好的实际使用效果使用户十分满意变结构广义 预测是在此基础上经过长期研究所获得的一项理论成果。对于传统技 术难以有效控制的具有大滞后特性、参数复杂多变的对象，控制效果 特别有效。变结构广义预测控制是变结构预测控制的发展，它引入了 对时滞系统更为有效的广义预测功胄b 使其鲁棒性进一步提高。 1 变结构广义预测控制基本原理 变结构预测控制是在变结构滑模控制中引入了参数辨识和状态预 估器，而使之具有较强的自适应能力，可对大滞后和变参数对象进行 有效控制。变结构广义预测控制是对变结构预测控制的进一步发展， 在变结构滑模控制的基础上，引入了广义预测进一步增强了系统的自 适应能力和对大滞后交参数对象进行有效控制得能力。 变结构广义预测控制( v a r i a b l es t r u c t u r eg e n e r a lp r e d i c t v ec o n t r o l ， 简称v s g p c ) 的基本思想【0 5 】如图3 1 所示 图3 - 1 v s g p c 结构框图 辨识器通过在线收集到的数据不断对过程进行辨识，估计过程模 东华大学硕士论文 型的参数。预估器依据此模型进行预报，以克服系统所存在的时滞影 响。变结构滑模控制依据预报参数绘出控制量，使系统状态沿着滑模 超平面迅速达到设定状态。因此整个过程可描述为辨识、预测、控制 三个过程。畔l 下面我们就分别对变结构广义预测控制的系统辨识、广义预测和 变结构滑模控制三个过程进行详细阐述。 1 1 系统辨识 系统是通过模型来表达的，因此系统辨识也称之为模型辨识。在 系统设计的过程中最常见的应用模型是数学模型，它用数学结构的形 式来反映实际过程的行为特性。常用的有代数方程、微分方程、差分 方程和状态方程。 系统辨识是一种利用系统的输入输出数据建模的方法，是黑箱建 模问题，即使对系统的结构和参数一无所知，也可以通过多次测量得 到的系统的输入和输出的数据来求得系统的模型，是对实际系统的一 个合适的近似。 时间序列的a r m a x 模型也叫受控的自回归平均( c a r m a ) 模 型，在预报和控制领域中是应用十分广泛的一类模型。 对c a 眦模型的结构辨识包括一下几个方面。 模型阶和子阶的决定。子阶是指在c a r m a 模型中自回归部 分的阶一。，受控部分的阶以6 和滑动平均部分的阶n 。模型的 阶是指各子阶的最大值胛= m a x ( n 。，n ，撑。) ； 模型时滞的决定。 本文对一般的c a r m a 模型采用的是递推增广最小二乘法估计模 型参数，可以联立地估计模型的阶、子阶和时滞，能够方便地得到系 统的c a r m a 模型。 系统辨识结构如下图所示。 2 1 东华大学硕士论文 其中： 图3 - - 2 递推增广最小二乘法系统辨识结构 ( z - 1 ) = 具体的系统辨识方法如下面的介绍，设动态系