（材料加工工程专业论文）梳棉机自调匀整系统的研究.pdf

yl i l l lili ii i i ii l l l li lliil y 1812 2 2 6 r e s e a r c ho na u t o l e v e l l e rs y s t e mo fc a r d i n gm a c h i n e ad i s s e r t a t i o n s u b m i t t e dt os h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y f o rt h e p h d d e g r e e b y c a iw a n g s u p e r v i s o r s p r o f l ic o n g x i n g d e p a r t m e n to fp l a s t i c i t yt e c h n o l o g y s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y a p r i l2 0 0 6 l 一 i i l 本人郑重声明：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。除文中已经注明引用的内容外，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成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：祭日易 日期：加6 年7 月，7e l i 一 j _ 卜 i 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本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 被查阅和借阅。本人授权上海交通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。 保密口，在王年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：祭日易 日期：沙6 年7 月，7 日 燧名：锄5 日期俨占年7 月渗日 一 i l ， 、 1 e ， 上海交通大学博， ：学位论文 梳棉机自调匀整系统的研究 摘要 纤维材料加工是材料加t 的重要分支。梳棉机自调匀整是纤维材料加工的一个重要研究 领域。梳棉机自调匀整控制是指对梳棉过程中输出棉条的重量不匀进行在线检测和自动调整。 它对梳棉工序及后续工序的产品质量起着关键性作用。这是因为在梳棉过程中，经过梳理的 棉条的粗细不匀的变化是一种随机过程，它包括着各种形式的不匀，波形复杂。如果对棉条 的重不匀不加控制，那么所加工棉条的不匀将带入后续的各道工序，并影响成纱质量，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，因此必须采取自 调匀整控制。 目前只有少数几家国外企业掌握梳棉机自调匀整的关键技术，作为企业技术秘密不对外 公开。在国内，尽管已有多家企业开发了自己的梳棉机自调匀整控制器，但是匀整效果和国 外同类产品相比还是有一定差距。因此，对梳棉自调匀整控制系统进行分析与研究，然后在 此基础之上，设计和开发具有自主知识产权的高性能梳棉机自调匀整控制器，对我国纺织机 械国产化，以及棉纺织技术的提高都具有重要的理论意义和实用价值。本文的主要研究内容 和结果如下： 本文在综合运用棉纺工艺学理论、动力学建模技术及计算机仿真技术，在对梳棉机匀整 机理研究分析的基础上，结合实验辩识，以方块图的形式首次建立了梳棉机非线性仿真模型， 并采用信号相关分析方法，通过实验验证了该模型的准确性。为梳棉机高性能控制策略的研 究提供了一种性能可靠、使用方便的梳棉机仿真模型。 在对现有的梳棉机自调匀整控制结构分析的基础上，提出一种机后给棉罗拉和机前喇叭 口位置两处同时检测，控制给棉罗拉和道夫转速的“两检两控”梳棉机自调匀整新型控制结 构。这种前馈控制道夫+ 反馈控制喂棉罗拉的复合控制结构，不仅提高了控制的鲁棒性，而且 避免了控制耦合问题。通过模拟仿真和实验证实了“两检两控”这个梳棉机自调匀整新型控 制结构的可行性及效果。 从控制理论的角度分析，梳棉机系统是一个复杂的时变动态过程，具有很强的非线性、 强干扰和大滞后，传统的p i d 控制算法很难使之达到理想的控制效果。针对梳棉机系统的这些 特点，首次提出采用加权广义自适应预测控制算法来设计梳棉机自调匀整控制器的控制方案， 并对其中的关键技术进行了研究。最后仿真和实验结果验证了这种控制器的适应性和鲁棒性。 在全面分析了梳棉机系统的特点及对比了各种控制方法优、缺点的基础上，创新性地提 出了在梳棉机自调匀整系统中采用p i d 前馈+ 自适应预测控制+ 专家智能控制的复合智能控制 策略。并针对梳棉机自调匀整的特点提出了喂棉厚度和喂棉罗拉速度设定值二自由度变化及 变周期控制思想。在此基础之上，设计开发出了具有自主知识产权的梳棉机新型自调匀整智 摘要 能控制器。工厂使用表明该自调匀整装置达到了棉条重量外不匀率( 5 米) 2 0 ，内不匀( 5 米) 1 5 的目标，且生条重茸能稳定在0 8 舻m 以内。该自调匀整控制器已经通过项目专家组 鉴定，且投入批量生产。 关键词：梳棉机，自调匀整控制，建模与仿真，“两检两控”；预测控制，专家智能控制， 变周期控制，设定值二自由度变化控制 、 l i 、 b u ta l s oa d du n e v e ni ne a c hw o r k i n gp r o c e d u r e ，w h i c hw i l la p p e a ri ny a r na n dr e s u l ti nl o w m i g h t i n e s s ，h i 【g hs e v e rr a t ea n db a du n i f o r m i t y 1 t sq u a l i t yw i l ld r o p ，a n dw i l li n f l u e n c et h eq u a l i t yo f t h ep r o d u c t , s oac a r d i n ga u t o l e v e l l e rm u s tb ea d o p t e d n o w ，o n l ys e v e r a li n t e r n a t i o n a lc o m p a n i e s m a s t e rt h et e c h n o l o g y ，b u ti tb e e nk e p tas e c r e ta n dn o tt ob e e no p e n e d t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tf o r o u rc o u n t r yt e x t i l ei n d u s t r yt od e s i g na n dd e v e l o pac a r d i n ga u t o l e v e l l e rw i t hh j i g hp e r f o r m a n c ea n d o w n i n gi n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ep r o j e c ta n di t sm a i nr e s u l t sa l ea sf o l l o w s ： o nt h eb a s i so ft e x t i l et e c h n i c s t h e o r y , d y n a m i c sm o d e l i n ga n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n t e c h n o l o g i e s ，ag e n e r a ls i m u l a t i o nm o d e lo fc a r d i n gp r o c e s si se s t a b l i s h e dw i t hb l o c kd i a g r a mf o r t h ef i r s tt i m et h r o u g hp a r t i c u l a rp r i n c i p l e sa n a l y s i so fc a r d i n gp r o c e s sa n de x p e r i m e n t t h i sm o d e l r e l i a b i l i t yi sb e e np r o v e dw i t he x p e r i m e n ta n dt h ec o r r e l a t i o na n a l y s i sm e t h o d t h em o d e li sr e l i a b l e a n de a s y - t o u s e ，w h i c hp r o v i d e sg o o ds u p p o r tt ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc o n t r o ls t r a t e g yo f a u t o l e v e l l e rw i t hh i g hp e r f o r m a n c e an e wc o n t r o ls t r u c t u r ei si n n o v a t i v e l yp u tf o r w a r d ，w h i c hi sm e a s u r i n gt w ot h i c k n e s s e s ( t h e f e e dc o t t o na n ds l i v e rt h i c k n e s s e s ) a n dc o n t r o l l i n gt w or o l l e rs p e e d s ( t h ef e e dc o t t o nr o l l e ra n dd r a f t r o h e rs p e e d ) n ed e s i g np u tf o r w a r dt ou s i n gt h es h o r tc l o s e l o o pc o n t r o l l e ro fd r a f tr o l l e rt of u r t h e r i m p r o v et h el o n g ，m e d i u ma n ds h o r ts l i c e ss l i v e rq u a l i t i e s ，r e d u c et h ed e a dz o n eo fa u t o l e v e l l e ra n d a d v a n c et h eu n e v e n n e s si n d e x e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nv a l i d a t et h a tt h en e wc o n t r o ls t r a t e g yi s e f f e c t i v e f r o mt h ep o i n to fv i e wo ft h ec o n t r o lt h e o r y , ac a r d i n g p r o c e s si sd i f f i c u l tt oc o n t r o lw i t hc l a s s i c c o n t r o la l g o r i t h m s ( s u c ha sp 1 d ) f o rs o m el e s s o n s ：n o n l i n e a r i t y , s t r o n gs t o c h a s t i cd i s t u r b a n c e ，t i m e d e l a y s ，a n dp a r a m e t e rv a r i a t i o n i nt h i sp a p e r , aw e i g h t e da d a p t i v eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ( w a g p c ) i sf i r s t l yi n t r o d u c e dt o c o n t r o ls u c hap r o c e s s ，a n ds o m ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m so f w a g p ca p p l i e do nc a r d i n gp r o c e s s 御潞s t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y a tl a s hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t i n d i c a t et h a tw a g p c a p p l i e do nt h ec a r d i n ga u t o l e v e l l e rc a ni m p r o v es y s t e mt r a c k i n gp e r f o r m a n c e a n dr o b u s tp e r f o r m a n c er e m a r k a b l y 1 n k e y w o r d s ：c a r d i n gm a c h i n e ，a u t o l e v e f i e f m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ，“m e a s u r i n gt w ot h i c k n e s s e sa n d c o n t r o l l i n gt w or o l l e rs p e e d s ”，w e i g h t e da d a p t i v eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ，e x p e r t i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，v a r i a b l ec o n t r o lp e r i o dc o n t r o l ，t w o d e g r e e - o f - f r e e d o mc o n t r o l ：n o u g h to fs t a n d a r dv a l u e i v ， 0 一 j r 、 立 l l 、 2 3 梳棉机的结构及原理。2 0 2 3 1 盖板式梳棉机的工艺流程2 0 2 3 2 梳棉机特征分析2 1 2 4 梳棉机模型分析2 2 2 4 1 梳理混合部分分析2 2 2 4 1 1 梳理混合部分模型分析2 2 2 4 1 2 梳理混合部分的稳定性分析2 5 2 4 1 3 时间延迟函数的近似有理化2 6 2 4 2 梳棉机整体分析2 7 2 4 2 1 梳棉机整体模型分析2 7 2 4 2 2 梳棉机整体稳定性分析2 9 2 5 梳棉机模型系统的建立与仿真3 1 2 5 1m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境简介3 1 2 5 2 基于m a t l a b 的梳棉机动态仿真模型。3 2 2 5 2 1 梳棉机喂入系统仿真模犁3 2 2 5 2 2 梳棉机梳理系统仿真模型3 3 2 5 2 3 梳棉机剥离系统仿真模型3 3 2 6 梳棉机动态仿真模型的验证。3 4 2 6 1 信号线性相关分析方法的原理3 4 2 6 2 梳棉机模型仿真结果及相关分析3 6 2 7 本章小结4 3 本章参考文献4 3 v 目录 第三章梳棉机自调匀整新型控制策略4 5 3 1 弓i 言4 5 3 2 “两检两控”控制结构的理论可能性4 5 3 3 新型“二检二二控”自调匀整控制系统硬件结构。4 6 3 4 新型“二检二控”自调匀整控制系统分析。4 7 3 4 1 新型“二检二控”自调匀整控制原理分析4 7 3 4 2 新型“二检二控”自调匀整控制方法4 9 3 5 仿真模拟5 0 3 5 1 仿真框图5 0 3 5 2 仿真参数5 1 3 5 3 仿真结果及分析5 1 3 6 试验结果及分析5 3 3 7 本章小结5 5 本章参考文献。5 5 第四章基于广义预测的自适应梳棉机自调匀整控制5 7 4 1 引言5 7 4 2 预测控制的基本原理5 8 4 2 1 预测模型5 9 4 2 2 滚动优化。6 0 4 2 3 反馈校正6 0 4 3 广义预测控制的基本方法。6 1 4 3 1 预测模型6 1 4 3 2 _ 步导前输出预测6 2 4 3 3d i o p h a n t i n e 方程的递推解6 3 4 3 3 1 弓向。j 和弓向j ) 的递推解6 3 4 3 3 2 q 向。j 和q 向。j 递推解”6 4 4 3 4 滚动优化6 5 4 4 基于广义自适应预测控制的梳棉机自调匀整控制设计6 6 4 4 1 梳棉机的c a r i m a 模型6 6 4 4 2 加权，“义预测控制器设计6 7 4 4 3 参考序列的设定。6 9 4 4 4 滤波器的选择7 0 4 4 5 时变遗忘因子的最小二乘法参数辨识方法7 1 4 5 仿真研究7 3 4 6 实验研究7 7 4 7 本章小结。7 9 本章参考文献7 9 第五章梳棉机自调匀整复合智能控制8 1 5 1 引言8 1 5 2 梳棉机自调匀整复合智能控制设计8 l v i 、 一 8 1 8 3 8 3 8 4 8 5 5 3 梳棉机自调匀整智能控制系统的硬件设计。8 6 5 3 1 硬件系统结构8 6 5 3 2 硬件系统组成8 6 5 3 2 1p c 1 0 4 架构c p u 板8 6 5 3 2 2 自调匀整专用电路板8 7 5 3 2 3 驱动系统韶 5 3 2 4 信号检测部分8 9 5 3 2 5 可编程逻辑控制器( p l c ) 9 1 5 3 2 6 触摸屏9 1 5 4 梳棉机自调匀整智能控制系统的软件设计。 5 4 1 软件功能描述。9 2 5 4 2 软件开发环境选择9 2 5 4 3 软件开发方法9 3 5 4 4 软件框架与组成9 3 5 4 5 主程序9 4 5 4 6 中断服务程序9 9 5 5 实验验证1 0 0 5 6 本章小结1 0 2 本章参考文献。1 0 2 第六章结论与展望1 0 3 6 1 全文总结1 0 3 6 2 工作展望1 0 4 附录1 现场实验照片1 0 5 附录2 项目参加证明1 0 6 附录3 项目验收证明1 0 7 作者在攻读博士学位期间完成的论文1 0 8 致谢1 0 9 l l 课题，其目的 是通过对梳棉机白调匀整关键技术的研究，开发出具有自主知识产权的梳棉机自调匀整控制 系统，并在该领域达到国外先进水平。 1 1 问题的提出 纤维材料加工是材料加工的重要分支。梳棉机自调匀整是纤维材料加工的一个重要研究 领域梳棉机自调匀整控制是指对梳棉过程中的输出棉条的重量不匀进行在线检测和自动调 整，它对梳棉工序及后续工序的产品质量起着关键性作用。这是因为在梳棉过程中，经过梳 理的棉条粗细不匀的变化是一种随机过程，它包括着各种形式的不匀，波形复杂。如果对棉 条的重量不匀不加控制，那么所加工棉条的不匀将带入后续的各道工序，并影响成纱质鬣， 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【1 1 ，因此必须 采取自调匀整控制。 目前只有少数几家国外企业掌握梳棉机自调匀整的关键技术，作为企业技术秘密不对外 公开。在国内，尽管已有多家企业开发了自己的梳棉机自调匀整控制器，但是匀整效果和国 外同类产品相比还是有一定差距。如今，中国迎来了纺织品的后配额时代，中国纺织工业进 入一个新的发展阶段，其竞争越来越激烈，对纺织品的质量要求也越来越高。我国众多的纺 织企业迫切希望能有一种符合目前实际需要，技术先进、造价较低，且有良好的匀整效果的 梳棉机白调匀整装置。因此，对梳棉机自调匀整控制系统进行分析与研究，然后在此基础之 上，设计和开发具有自主知识产权的高性能梳棉机自调匀整控制器，对我国纺织机械国产化， 以及棉纺织技术的提高都具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 自调匀整技术原理分析 自调匀整是一种用来控制棉条粗细不匀的自动调节装置，它的基本原理是根据喂入或输 出棉条定量的偏差，通过改变喂入罗拉速度的方法，相应地自动调整牵伸倍数，使经过梳理 的棉条定量保持在一个稳定的符合要求的数值，同时还能够改善棉条不同片段的重量不匀 率。其基本原理【2 j 如下： 设y l ，y 2 为输入和输出罗拉的线速度，m ，w 2 为输入和输出棉条单位长度的重量，q 为牵伸区棉条的储存量，q 为牵伸区q 的瞬时变化值，则有牵伸基本方程式： y l h q v 2 w 2( 1 1 ) 必须调整e 和a w 的关系，即要求e 为时间的函数e o ) ，按此要求，上式变为： w；2 w o + a ww o 一 ( f ) e o 其中e o 为没计的额定牵伸倍数，为定值，整理上式得： ( f ) 。e 。w o + a w ，e 。( 1 + a w ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 此式即为自凋匀整的基本方程。它表达了牵伸倍数e ( f ) 和喂入棉条定量的变化量觚之间 j ， 气 ， 最早 展， 展览 会上，第一次展出了棉纺用的自调匀整装置，瑞士的格拉夫公司制造了用于梳棉机的自调匀 整装置，瑞士的乌斯特和美国的萨克洛威尔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广泛应用。近年来，由于自调匀整理论的发展以及机 械制造工业的进步、计算机技术和自动化技术的发展，许多国家相继制造了许多不同类型的 自调匀整装置，并广泛应用于纺纱工序中。 目前，在自调匀整研究领域处于领先地位的是德国的特吕茨施勒尔( t r l r i 西c h l e r ) 公 司和瑞士立达( r e r r e r ) 公司【4 】。特吕茨施勒尔公+ - - j 配置在它最新的d k 9 0 3 型梳棉机以及瑞士 立达公司最新生产的c 6 0 型梳棉机配置的自调匀整控制系统可以在出条速度 3 0 0 m m i n - - + 0 0 m m i n 下匀整1 米的片段，5 米片段c v 值可达到0 7 以下，1 0 0 米片段c 6 值可达0 2 - 0 3 ；同时还配有棉结、杂质检测装置，并可做到质量在线检测。其次是意大 利马佐里( m o r z o l i ) 公司为其c 5 0 1 和c x 4 0 0 型梳棉机配置的m s t 型中短片段和s t 型短片段 自调匀整器。据称其棉层厚度的匀整范围在6 0 以内，生条5 米c v 值可达0 9 ，匀整棉条 长度可短于4 c 一5 1 。英国的克洛斯洛尔( c r o s r o l ) 公司为其m k 5 d 型梳棉机配置的闭环中 片段自调匀整器，采用独特的刺辊力矩传感控制器检测棉层喂入量的变化，用变频控制的电 机改变给棉罗拉转速，提高了检测精度和控制的可靠性，能控制重量不匀的片段长度为1 米 r - s 。这几家公司的梳棉机配置的自调匀整装置，虽检测部位、方式及控制方法各有不同， 但在保证梳理质量及提高生产效率方面都取得了一定的成就。对于自调匀整的各关键环节， 国外各大公司都对此保密或有专利保护，有关自调匀整的控制理论和控制方法的文献资料也 很少公开发表，在公开的刊物上很难查到相关文献，有限的一些相关文献也是综述性的、介 绍性的宣传资料，并不涉及相关技术内幕和研究背景。尽管如此，通过这些梳棉机自调匀整 现场运行过程，可以了解这些先进的自调匀整装置的主要技术特点和技术发展趋势：( 1 ) 随 着微电子技术的应用不断提高。调节器由以前的集成电路模拟调节发展到计算机数字调节； ( 2 ) 由针对单一范围的片段( 短、中或长) 匀整控制发展到大范围的短、中、长片段复合 控制；( 3 ) 由仅仅控制梳棉机的给棉罗拉一点控制发展到梳棉机与喂棉箱或者梳棉机与牵伸 模块装置等的多点联合控制；( 4 ) 在棉层厚度检测上采用新型结构和新型传感器提高检测结 果的准确性和灵敏性；( 5 ) 在罗拉电机控制上采用交流变频控制技术，提高速度控制的精度 和可靠性。 在国内，主要有中国纺科院与青岛纺机厂共同研制开发了m 2 5 型清梳联混合环自调匀 c v 值是用来表示棉条重不匀的国际标准。 3 第一章绪论 整装置【1 5 1 ，以及中国纺科院与郑州纺机厂开发的c r a 兀0 2 5 混合环自调匀整器和无锡恒久电 器公司开发的c c a 型梳棉机自调匀整仪等产品，但是它们在稳定性和匀整效果上和国外同类 产品相比都还有一定差距。 1 3 i 自调匀整的分类及各自优缺点 目前，梳棉机自调匀整控制系统可分为三种控制方式 9 , 1 0 1 ：开环、闭环和混合环。 1 开环控制系统 自调匀整开环控制系统又可分为机后短片段开环和机前短片段开环两种。 图1 1 梳棉机自调匀整机后开环控制示意图 f i g u r e1 1t h es k e t c hm a po fo p e n - l o o pc o n t r o lf e e dr o l l e ro fc a r d i n gm a c h i n e 机后短片段开环控制系统如图1 1 所示，其特点是先检测后控制，即先检测喂入棉层的 线密度，然后再通过控制喂棉罗拉的转速，从而调整输出棉层的线密度。机后开环系统采用 先检测后匀整的方法，针对性强，调节性能较好。在系统中，喂入的棉层厚度是未进入梳棉 机时，由检测机构检测的，在这种情况下，设计关键是使控制系统的时间延迟与棉层通过检 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完全与输入棉层的线密度变化 相适应。 从工艺角度而言，机后开环控制系统可以匀整较短的片段长度，中短片段的不匀也可以 有一定程度的改善。由于开环系统的假设是当输入是平稳时，那么输出也是均匀，实际上这 太理想化。从而造成机后开环调节系统不能对梳棉过程中出现的不匀进行补偿。机后开环系 统只进行调节，不核实调节结果，因此，机后开环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。因为开环系统控制同路是非封闭的，没有反馈补偿。 4 l 、 图1 2 梳棉机自调匀整机前开环控制示意图 f i g u r e1 2t h es k e t c hm a po fo p e n l o o pc o n t r o ld r a f tr o l l e ro fc a r d i n gm a c h i n e 机前短片段开环控制系统如图1 2 所示，其特点同样是先检测后控制，和机后短片段开 环系统不同的是：它在梳棉机输出罗拉前加装了一对牵伸罗拉，根据检测输出棉层的线密度， 调节牵伸前罗拉和圈条装置的速度，反应速度快，匀整片段短。由此可见其匀整作用主要靠 牵伸罗拉的拉扯作用来保证棉条的不匀率，可以对梳棉过程中出现的不匀进行补偿。但是， 机前开环系统同样只进行调节，不核实调节结果，因此，机前开环系统在使用前也必须精确 地校正，对各环节参数变化或外界扰动引起的偏差也无法自动修正。而且更严重的是由于梳 棉机输出的棉条是连续的，经过机前牵伸后，在牵伸罗拉之间产生小的不均，破坏棉条的连 续性，而且这些不均是周期性会给后续工序带来很大的质量问题。当参数变化或外界扰动时， 往往还会加重这种现象。现在只有台湾东夏的自调匀整装置采用这种系统 6 1 1 。 2 长片段闭环系统 5 第一章绪论 图1 3 梳棉机自调匀整长片段闭环控制示意图 f i g u r e1 3t h es k e t c hm a po fl o n gc l o s e - l o o pc o n t r o lo fc a r d i n gm a c h i n e 如图1 3 所示，在闭环系统中，棉层是经过梳棉机后再进行检测的。这类调节机构是按 反馈原理工作的。由于检测的棉条是已经被匀整过的，一般，棉条的重量差异较小，因此闭 环系统往往需要一个高倍放大器，以放大检测的偏差信号，才能改变调速机构的速度，使偏 差减少。在调节机构正常工作的动态过程中，闭环系统输出棉条条干粗细波动幅度比开环系 统大，但闭环系统由于反馈同路的作用，能自动地修正各环节参数变化以及环境干扰的影响， 解决班与班之间生条重量的“漂移”，从而使输出棉条的平均粗细能保持稳定，因此稳定性 好。但是由于其特点是先匀整后检测，根据经典控制理论，它不能匀整波长等于或小于匀整 点到检测点距离的不均匀波，从匀整点到检测点之间的距离通常称为匀整死区，所需时间称 成为匀整死时。由于匀整死区的存在，它只能匀整较长片段的不匀。匀整死区越大，能匀整 的片段越长：另外由于系统的误动作可能造成中、短片段棉条均匀度的恶化。英国克洛斯洛 尔m k s d 型梳棉机【8 1 和瑞士乌斯特( u s t e r ) 公司的u c c l 型长片段自调匀整系统【1 1 采用 这种闭环控制。 3 混合环系统 6 ， l 、 l由由由 l ： l，| ： ；参考信蛩l 叫- f 磊高再叫i 7 第一章绪论 图1 5 梳棉机自调匀整“一检二控”式混合环控制示意图 f i g u r e1 5f i g u r e1 4t h es k e t c hm a po f “o n e ：m e a s u r ea n d t w oc o n t r o l ”o f c a r d i n gm a c h i n e 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，由于电子元气件昂贵，因此混合环使用较少，但现在电子元气件价格已经降 一 低，可靠性也较高，尤其是采用计算机进行控制，混合环并不比开环或闭环系统成本高太多， 因此要提高匀整的效果，混合环应是较好的选择。 1 3 2 梳棉机自调匀整控制策略综述 梳棉机自调匀整控制策略的研究一直是棉纺领域研究的重点，不仅因为自调匀整控制的 研究直接关系到梳棉机控制性能的提高，而且它的研究成果也是清梳联技术的基础。国外对 梳棉机自调匀整控制研究开始于上世纪6 0 年代。许多发达国家( 如德国、瑞士、英国、意大 利等) 的专家学者和棉纺设备生产厂家均投入大量的资金和人力进行了不懈的研究，取得了 显著成果。如今，德国的特吕茨施勒尔m i t z s c h l e r ) 、瑞士立达( r e r r e r ) 公司的梳棉 机自调匀整控制已经发展到很高的水平。 近年来，随着中国棉纺织工业的发展，对高性能清梳联需求持续增长，在很大程度上促 进了国内梳棉机自调匀整控制技术的研究。研究和发展高性能的梳棉机自调匀整控制系统已 成为众多学者的共识，近年来围绕该问题做出了许多努力。j 费青【9 】根据平稳随机过程理论，认为梳棉机的喂入棉层可分解为各种不同频率，不同振 幅的波形叠加而成。通过经过梳棉机梳理后，各种频率波的振幅将有所减小改善，其程度与 _ r 喂入频率及梳棉机系统有关。他将梳棉机的均匀作用视为线性系统的一阶惯性环节，在此基 8 调匀整的 费青1 1 1 】还进一步用平稳随机过程中的自相关函数来研究梳棉机的白调匀整装置滞后时 间对不同波段匀整效果的影响。他将机前检测点的棉条厚度( 或重壤) 与给棉罗拉处的棉层厚 度( 或重量) 视为同一个随机函数驯( 二处间实际相差某一牵伸倍数) ，但时间相隔z ，因此 根据机前检测点的棉条厚度去预测给棉罗拉处的相应棉层厚度，如果两者相关性好，匀整效 果就好，反之起恶化破坏作用。 刘学锋和武松领【1 2 l 运用现代控制工程中的线性二次型最优控制理论，把梳棉机作为一 阶对象，讨论了梳棉机长闭环自调匀整系统的最优调节规律，即为比例积分控制；提出用预 估方法克服梳棉机纯滞后对系统调节质量的影响，给出预估方程，并从系统理论角度分析了 预估最优调节器的有效性。 赵强【1 孓1 5 】等在梳棉机微机自调匀整器研究 ：作的基础上，提出采用开环、闭环相结合的 混合环控制结构，积分分离的p i 控制方法，以开环控制减小输入棉层的波动，闭环控制自 动校正偏差，从而达到可在较短到较长的片段上控制生条的重偏和重不匀。同时，他探讨了 梳棉机自调匀整系统频率性能的推导和估计，并设计了一个实验方法，在采集大量输入棉层 和输出棉条信号基础上，采用数字信号分析，来确定梳棉机自调匀整系统传递函数的频率特 性。在实验的基础上，对不同白调匀整控制算法( 混合环) 的系统进行比较分析。并据此与 青岛纺机厂合作开发了f t 0 2 2 a 型自调匀整器，安装在f a 2 0 1 a 型梳棉机上。 魏鹏霄【1 6 l 讨论了输入棉卷纵向均匀性对梳棉机输出均匀性的影响，并研究了棉卷纵向 均匀性和梳棉机输出均匀性的统计规律。他通过对输入棉卷纵向均匀性和输出棉条记录曲线 采样数据进行分析计算发现，输入输出均匀性都是随机过程，其均匀性概率分布呈现正态分 布。同时指出，目前在装有自调匀整系统的梳棉机中，大多设置有针对输入棉卷不匀、具有 时间延迟的开环补偿装置。但是，由于这种装置大多是针对可测的确定性扰动进行设计的， 所以相应的补偿作用会受到限制。指出采用一个针对可测的随机扰动( 输入棉卷的纵向均匀 性呈现随机过程) 所设计的开环补偿装置，会收到更好的匀整效果。 郭月洋和陈瑞琪【1 7 1 在分析了梳棉机传统的混合环自调匀整装置基础上，指出由于梳棉 机准确的数学模型难以获得，且受到的扰动较多，而模糊控制不需要准确数学模型，且快速 性、鲁棒性好，冈此提出一种含可变参数的模糊前馈+ 反馈控制器来进一步提高匀整效果。 这种方法即保留了原混合环的结构，并可根据输入棉层线密度变化自动调整参数米协调前馈 和反馈的作用。进一步，他们针对梳棉机梳理过程具有强随机干扰、时间延迟和参数缓慢变 化的特征，建立了c a r i m a 控制模型，在此基础上提出采用广义预测算法对梳棉机进行自 调匀整控制【埘。 由于梳棉机中的存在的扰动主要是随机扰动，传统方法采用的p i d 控制方法效果并不 理想。因此，一些学者提出采用方差控制方法来对其进行控制。采用方差作为衡量的标准： 9 第一章绪论 一是因为输出棉条的线密度是随机的，二是在棉纺织中衡量棉条均匀性的重要指标c v 和 方差成止比。 李学军【1 9 j 在实验辩识的基础上，证实了国产a 1 8 6 梳棉机模型是一定的且作为一个受控 对象是一个参数缓慢变化的过程。并输出棉层厚度变化的方差最小为性能指标对梳棉机进行 了具有前馈补偿的最小方差自调匀整控制模拟，表明在克服随机干扰上能取得较好的效果。 李炜【2 0 】以国产a 1 8 6 型梳棉机为实际研究对象，针对梳棉机常伴有不可测随机扰动的特 性，设计数字滤波器并将其串联于p i d 控制回路用于克服随机扰动。然后分别采用p i d 自 整定控制系统和模糊控制系统，运用m a t l a b 语言对相应的控制形式进行了人量的仿真试 验，最后将这两种控制方案分别与最小方差控制方案，以纺纱工艺中的重要技术指标a 值等效为方差指标进行了比较。最后表明带有数字滤波器的模糊控制对于减小随机扰动，其 效果是显著的。 1 4 梳棉机梳理过程的数学模型和匀整作用研究概况 国内外一些专家和学者很早就从事这一方面的工作，他们采用物理建模的方法，即根据 现有物理定律、物质守恒定律、概率和数理统计等知识对梳棉机的牵伸、匀整和混合过程建 立了各种数学模型。 在这方面做出开创性工作是m a r t i n d a l e 2 1 1 ，他首次提出了研究梳棉机梳理过程的一个基 本方法：假设纤维在梳棉机梳理区各部分之间的传输过程是自由地，或者说是一个随机过程； 同时引入了纤维在梳理区各部分的驻留时间概念，以此米描述混合和匀整在梳理过程中的影 响，然后通过证实这些在动态建模中建立起的假设，通过进一步的分析，使我们更深入地了 解梳棉机的梳理过程。 m o n f o r t 2 2 1 第一个用数学方法比较综合地描述这个问题，他应用静态马尔可夫有限链研 究了罗拉式梳棉机的纤维传输过程。为了能采用有限马尔可夫链的最简单形式，他做出了一 些假设：罗拉式梳棉机的工作罗拉和道夫的纤维转移率是恒定的，且纤维在各个状态之间的 传输路径是互相独立的。他虽然认识到了静态模型的缺点，但是考虑到采用静态模型能在平 均的意义上考察纤维的传输现象，他还是保留了模型的静态性。采用这种分析方法能获得关 于纤维在被道夫剥离前在梳棉机上各个部分驻留时间信息。 z a v i l e v i c h 2 3 甜1 在考虑了在工作罗拉和剥离罗拉之间有落棉的情况下，对罗拉式梳棉机 进行数学分析，在分析中他引入了在各个状态之间采用平均转移概率的概念。他计算了道夫、 工作罗拉和剥离罗拉的纤维抓取率的数学期望和偏差，以及纤维到达各个工作部件抓取点的 概率。在研究中获得的主要信息是：在静态假设下，纤维在罗拉式梳棉机上的传输可以表示 为一个有限马尔可夫链，通过分析获得的纤维传输的信息能用来估计梳棉机的运行。第二， 这种描述给出了纤维到达道夫时所需要的次数，纤维逃离道夫的次数，纤维被剥离罗拉所抓 取的次数和纤维在梳棉机上运动所需的时间。第三，采用有限马