（控制理论与控制工程专业论文）连续轧染机计算机控制系统.pdf

学位论文的主要创新点 lliiflliillll 丫17 7 3 15 3 一在建立系统模型的基础上进行系统的组态设计，设计了智能变 参数解耦控制和智能变参数跟随协调控制系统，实现了既响应快 又无超调的目标； 二采用了专家式智能自适应p i d 控制，运行结果表明该控制算法 具有良好的控制性能，能完全满足系统性能的设计要求。 摘要 连续轧染机是印染行业中十分重要的染色设备，连续染色的成本效益率是由 轧染机的利用率决定的。要能经济地生产批量产品，就要尽量降低设备的能耗和 缩短停机时间，这就需要与工艺相适应的自动化程度较高的连续轧染机设备。 本文以连续轧染机系统为研究对象，介绍了轧染机的工艺流程，整个系统由 退绕、轧车、透风架、预烘箱、焙烘箱、烘筒、蒸洗箱、水洗箱、卷绕等2 8 个 独立的传动单元和需要) r ot 的布料组成，布料的张力和各单元的线速度又相互耦 合，如何解决传动单元和布料所构成的耦合解耦、张力同步、运动控n 过程 控制的协调是本论文需要重点解决的问题。 本文通过分析退绕单元工作过程、两个相邻单元之间布料的运动过程和卷绕 工作过程，并建立相应的数学模型，针对退绕和卷绕单元非线性、时变的特征， 采用传统的定参数控制模式难以获得令人满意的效果，因此采用了参数自适应 p i o 和专家系统等先进控制策略以及变频器变频调速，使用昆仑通态 t p c i 0 5 一t d 3 3 h 嵌入式一体化工控机和0 m r o nc j l m 型p l c 构成i p c + p l c 控制系统， 控制算法由软件编程实现。 本课题研制的连续轧染机计算机控制系统投入运行后，自动化程度和可靠性 很高，系统稳定运行，故障率低，减轻了操作人员和维护人员的工作量，取得了 良好效果。 关键词：连续轧染机；耦合解耦；张力同步；非线性；参数自适应； i n d u s t r y c o s t e f f e c t i v e n e s so fc o n t i n u o u sd y e i n gi sd e c i d e db yt h er a t eo f u t i l i z a t i o n o ft h ed y e i n gm a c h i n e t ob ea b l et op r o d u c ep r o d u c t si nb a t c h e se c o n o m i c a l l y , i ti s n e c e s s a r yt om i n i m i z ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dr e d u c ed o w n t i m eo ft h em a c h i n e ， w h i c hn e e d sac o n t i n u o u sd y e i n gm a c h i n ew i t hah i g h e rd e g r e eo fa u t o m a t i o na d a p t t ot e c h n o l o g i c a lp r o c e s s e s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s s e so fc o n t i n u o u sd y e i n gm a c h i n e ， t h ew h o l es y s t e mi sc o m p o s i t eo f2 8s e p a r a t eu n i t ss u c ha sw i n d i n g - o f f , r o l l i n gc a r t , d r y i n gc y l i n d e r , w a s h i n gt a n k ，t a k e - u p ，e t c t h es y s t e mi san o n l i n e a r , t i m e - v a r i a n t ， s t r o n gc r o s s c o u p l i n g , m u l t i v a r i a b l e sc o n t r o ls y s t e m ，a l lo ft h e s er e a s o n sm a k ei t m o r ed i f f i c u l tt od e s i g nt h ea p p r o p r i a t ec o n t r o ls t r a t e g y t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e st h ew o r k i n gp r o c e s so fw i n d i n g - o f fu n i t ，t h et e n s i o n c o n t r o lb e t w e e nt w oa d j a c e n tc e l l sa n dt a k e u pp r o c e s s ，a n df o r m st h em a t h e m a t i c a l m o d e l s b e c a u s ei ti sd i f f i c u l tt oo b t a i ns a t i s f a c t o r yr e s u l t sb yu s i n gt h et r a d i t i o n a l p i dc o n t r o l ，a d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g i e si n c l u d i n gp a r a m e t e ra d a p t i v e ，s i g n a la d a p t i v e ， e x p e r ts y s t e ma n df r e q u e n c yc h a n g e ra r ea p p l i e di nt h es y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e dw i t ht p c 10 5 一t d 3 3 hi n d u s t r i a lc o m p u t e ra n do m r o nc j1mp l c ( i p c + p l c ) t h i sc o n t i n u o u sd y e i n gm a c h i n ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nu s e di n p r o d u c t i o n s y s t e mr u n ss t a b l ew i t hl o wf a i l u r er a t e ，a n da c h i e v e sg o o dr e s u l t s k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sd y e i n gm a c h i n e ；c o u p l i n g d e c o u p l i n g ；t e n s i o n s y n c h r o n o u s ； n o n l i n e a r ；p a r a m e t e ra d a p t i v e ； 目录 第一章绪论1 1 1 论文背景1 1 1 1 印染行业现状1 1 1 2 轧染工艺简介1 1 2 连续轧染机的国内外发展状况2 1 2 1 国外连续轧染机的发展状况2 1 2 2 国内连续轧染机的发展状况2 1 3 系统组成和工艺要求3 1 3 1 连续轧染机的组成3 1 3 2 控制系统组成4 1 4 主要技术指标7 1 5 本课题研究内容和意义7 1 6 作者完成的主要工作8 第二章连续轧染机控制系统分析与设计9 2 1 退绕张力控制系统9 2 1 1 退绕轴数学模型9 2 1 2 张力检测装置数学模型1 0 2 2 多单元同步传动控制系统1 2 2 2 1 相邻单元之间布料的数学模型1 3 2 2 2 控制系统组成1 5 2 2 3 控制策略1 7 2 2 4 松紧架1 7 2 2 5 变频器参数设置2 2 2 3 卷绕控制系统2 5 2 3 1 卷绕过程数学模型2 6 2 3 2 卷绕控制系统的组成2 7 2 3 3 控制方案分析2 8 2 3 4 恒张力控制系统设计3 1 2 3 5 智能控制策略3 2 2 3 6 变频器的选用和设定3 3 第三章控制算法及软件设计3 7 3 1 常规p i d 控制3 7 3 2 自适应p i d 控制3 7 3 3 智能p i d 控制3 8 3 3 1 智能p i d 控制器控制规律3 8 3 3 2 智能p i 控制器参数调整规则3 9 3 4 智能p i d 在连续轧染机系统中的应用4 0 3 4 1 比值系数设定4 0 3 4 2 调整系数设定4 1 3 4 3 变比例( 增益) 、变积分时间常数控制4 2 3 5 智能p i d 控制算法评价4 3 第四章人机界面设计4 4 4 1 系统介绍4 4 4 1 1 系统环境4 4 4 1 2 系统网络结构4 4 4 2 监控系统设计4 4 4 2 1m c g s 组态软件的组成4 6 4 2 2 组态设计4 7 4 2 3 触摸终端人机界面5 4 第五章通信链路设计 5 1p c l 一7 4 5 通讯卡简介 5 1 1p c l - 7 4 5 的主要特点 5 1 2p c l 一7 4 5 使用简介 5 2h o s tl i n k 通信协议 5 3 通信软件设计 第六章结束语 参考文献 发表论文和参加科研情况说明 致谢 第一章绪论 1 1 论文背景 1 1 1 印染行业现状n 3 第一章绪论 纺织工业是我国的传统支柱产业，印染行业是纺织品深加工、精加工和提高 附加值的关键行业，是纺织纤维、原纱、坯布加工后进入消费品市场的最终产品 之间的纽带。印染行业的发展与人民的日常生活和消费息息相关。 在印染行业，国内外目前比较公认的一个大趋势，就是高效、节能和环保， 生产力要发展，提高生产效率就是最直接的手段。国家发改委在分析我国印染行 业的现状和发展趋势后，明确提出“要用信息化和高新技术改造传统行业 ，这 既可以说是印染行业发展的政策方向，也可以说是印染机械行业发展的政策方 向。所谓印染行业的改造，最主要的是指印染设备的改造。新型印染设备的开发 和旧设备的改造是实现印染工艺技术进步的有力保障，是印染企业现代化的物质 基础，是印染新产品开发、新工艺应用的技术保障，更是印染企业增强市场竞争 能力，创造良好经济效益的必要条件。 1 1 2 轧染工艺简介瞳3 1 在印染行业中，根据染料施加于染物的方式不同，纺织品染色的方法主要有 两种，即浸染( 也称竭染) 和轧染。 轧染是将织物在染液中经过短暂的( 一般为几秒或几十秒钟) 浸渍后，立即 用压辊轧压，将染液挤压进入织物的组织和空隙内，同时轧去多余的染液，使染 料均匀地分布在织物上。染料的上染和固着主要通过以后的气蒸或焙烘等处理过 程来完成。轧压后织物上所带的染液量( 通常称为轧余率) 用下式表示： 轧余率= ( 轧后湿布质量一轧前干布质量) * l 前干布质量x1 0 0 织物不同，轧余率要求也不同，一般棉织物的轧余率在7 0 左右，合成纤维的 轧余率在4 0 左右。轧余率大，则带液量高，织物烘干时水分蒸发的负荷重， 并且对于亲和力小的染料，尤其是采用悬浮体轧染时，染料易发生泳移。 所谓泳移，是指织物在浸轧以后的烘干过程中，染料随水分的蒸发从纤维内 部向纤维表面迁移的现象。染料一旦发生泳移，将导致染色不匀，摩擦牢度下降。 浸轧方式一般有一浸一轧、二浸二轧和多浸一轧( 或- , k ) 等。为使织物浸轧时 大津l ：业人学硕十学位论文 迅速且均匀地吸收染液，可在染液中加入适量的润湿剂或渗透剂，并且压辊的 力要均匀一致，以防织物产生左中右色差。 一般染料对纤维都有一定的直接性，在浸轧时染料会被纤维吸附，而使轧槽 的染料浓度下降，造成染色前深后淡的前后色差，这可以通过将初开车时轧槽 的染液适量冲淡来加以解决。对于那些对纤维无直接性而不能随水一起扩散进 纤维的染料则恰好相反，轧染时会产生f j 淡后浓的现象，这可以通过将初开车 轧槽中的染液加浓来加以解决。鉴于上述情况，在拼色轧染时，应该选用直接 相接近的染料进行拼色。轧染的染色浓度表示方式通常用g l 表示，即l l 染 中所含染料的克数( g ) 。 轧染是连续化生产，生产效率高，适用于大批量加工，连续轧染机以其产量 、质量稳定、色差小等优势获得了较快的发展，普遍应用于印染企业。 2 连续轧染机的国内外发展状况h 1 2 1 国外连续轧染机的发展状况 国外连续轧染机设备的发展趋势总体可以概括为：计算机技术已经普遍应 ，设备的自动化程度不断提高，机电一体化已经取得很大的发展，设备运行高 、高效。 设备流程更加适应多变工艺的要求，开发人员现已不局限于设备的研究，而 向纵深发展，开始对印染工艺乃至染化料进行研究，以保证连续轧染机的开发 加适用于工艺的要求。 传动单元独立化，简化了机械机构，减少了噪音污染，朝清洁生产又进了一 3 ) 充分应用计算机技术，提升设备的机电仪一体化水平。设备配有远程分析诊 断操作系统、专家分析系统、多单元集成操作管理系统等。 1 2 2 国内连续轧染机的发展状况 长期以来，我国印染设备的技术水平一直与国外有着相当大的差距。设备的 开发起步较晚。2 0 世纪9 0 年代中期，“九六 型印染设备项目“新型染整设备 及工艺技术一条龙项目 的开发，国家经贸委组织经过评估决定，将连续轧染机 ( 含热熔染色机) 和轧卷染色机等列入了专项的开发。国产l m a 2 0 6 型连续轧染 联合机同原先的7 4 型设备相比，在加工产品的质量、生产效率、耗能、染化料 2 第一章绪论 消耗、工艺参数在线监控和生产过程自动化等方面均有了很大提高，能够对各种 纯棉、混纺织物进行连续轧染，对各种染色的显色皂洗具有广泛的适应性，自动 化程度较高。但和国外联合机组相比，国产设备创新不够，仿造较多，没有自主 创新的内容，在线检测技术和生产过程中央监控管理系统等方面装备不够先进， 精度低，我们用的传感器不少还需要进口。 1 3 系统组成和工艺要求5 1 嘲7 1 8 1 1 3 1 连续轧染机的组成 连续轧染机一般由浸轧装置、烘干装置、气蒸箱、焙烘箱及水洗装置等部分 组成。根据单元机的组成不同，可适用于各种不同染料的染色，如活性染料、还 原染料、不溶性偶氮染料、可溶性还原染料、酞菁染料等。 1 ) 浸轧装置 浸轧装置的作用是使织物均匀带液，并轧去多余的染液，便于烘干。浸轧装 置包括浸轧槽和轧辊两部分。浸轧槽为不锈钢制，容量一般在1 0 0 l 以内。轧辊 有软、硬两种。硬轧辊是不锈钢或胶木制，软轧辊为橡胶制。轧车按轧辊数可分 为两辊和三辊两种；按位置分有立式和卧式两种；按加压方式分有杠杆式、气动 式和油泵加压式。通常用调节压辊的压力来控sj j 车l 余率的大小，以满足各种不同 的工艺要求。 2 ) 烘干装置 烘干装置的作用是使水分蒸发，干燥织物。常用的有红外线、热风、烘筒烘 燥( 又称锡林烘燥) 等几种方式。红外线烘燥是利用红外线热辐射穿透织物内部， 使水分蒸发。此方法织物受热均匀，不易产生染料的泳移，烘燥效率较高，设备 占地面积小。热风烘燥是通过由喷口喷出的热空气烘干织物，织物上蒸发的水分 散逸在空气中，使机内空气含湿量增大。红外线和热风烘燥方式均属于无接触式 烘干，织物所受张力较小。烘筒烘燥是将织物通过用蒸汽加热的金属圆筒表面， 使水分蒸发。它的烘燥效率较高，但若温度掌握不好，容易造成染料泳移，所以， 操作中温度以先低后高为宜。在实际生产中，为了提高烘燥效率，往往是几种烘 燥方式联合使用。一般都先用无接触烘干方式来防止染料泳移，在水分蒸发到一 定程度后，再用接触式烘干方式，这是染料不会再发生泳移，这样既防止了染料 泳移，又能提高烘燥效率。 3 ) 气蒸箱 气蒸箱的作用是借助蒸汽使纤维膨胀，织物上的染化料、助剂发生扩散、渗 3 松紧架 图卜1 轧染机工艺流程图 4 第一章绪论 蒸箱 m 1 2 im 1 2 4m 1 2 7 【4 0 7 5 k w 【4 0 7 5 k w 】【4 o7 5 k w 】 7 5 k w 图1 - 1 轧染机工艺流程图( 续) 5 5 k w 水洗箱i 轧车2蒸洗箱l耗车3 蒸洗糖2轧车4蕉洗箱3 轧车5术洗箱2 m 1 3 7m l “ m 1 5 产巷 o o o o o o 巷 o o o o o o 慈 0 0 0 0 0 尊 帚 州m 乃 町j - 1蕙 1 j 竹i n 惑。产 o 州 m i h 5 j k w m 1 4 i 5 j k w 烘燥2 m m 5 j l | w 图1 - 1 轧染机工艺流程图( 续) 烘燥3 m i h 55 n f i l l 5 7 7 5 k - m 1 6 l 5 5 k w m 1 6 4 5 5 k 图1 - 1 轧染机工艺流程图( 续) 大津j ：业人学硕十学位论文 所需要改进的轧染机设备由进布架、2 辊轧车、3 辊轧车、水沈机、蒸煮箱、 滚筒烘干机及出布架等共计2 8 个单元组成。 连续轧染机组成及工艺流程如图1 - 1 所示，整机由2 8 个单元组成。 1 ) 进布单元； 2 ) 退卷单元a ： 3 ) 退卷单元b ； 4 ) 气动加压松紧架； 5 ) 均匀轧车l ； 6 ) 红外预烘单元( 含3 台力矩电动机) ； ， 7 ) 预烘( 焙烘) 单元l 及气动加压松紧架； 8 ) 预烘( 焙烘) 单元2 及气动加压松紧架； 9 ) 烘筒烘燥1 及气动加压松紧架； 1 0 ) 均匀轧车2 及松紧架； 1 1 ) 蒸箱传动1 及气动加压松紧架； 1 2 ) 蒸箱传动2 及气动加压松紧架； 1 3 ) 蒸箱传动3 及气动加压松紧架； 1 4 ) 轧车1 及气动加压松紧架； 1 5 ) 水沈箱l ； 1 6 ) 轧车2 及气动加压松紧架； 1 7 ) 蒸洗箱1 及气动加压松紧架； 1 8 ) 轧车3 及气动加压松紧架； 1 9 ) 蒸洗箱2 及气动加压松紧架； 2 0 ) 轧车4 及气动加压松紧架； 2 1 ) 蒸洗箱3 及气动加压松紧架； 2 2 ) 轧车5 及气动加压松紧架； 2 3 ) 水洗箱2 ； 2 4 ) 轧车6 及气动加压松紧架； 2 5 ) 烘筒烘燥2 及气动加压松紧架； 2 6 ) 烘筒烘燥3 及气动加压松紧架； 2 7 ) 落布单元及气动加压松紧架； 2 8 ) 打卷单元及气动加压松紧架。 整机的控制系统由t p c i 0 5 - t d 3 3 h 嵌入式一体化工控机、欧姆龙c j l 型p l c 、 丹佛斯v l t 2 8 0 0 系列和v l t 5 0 0 0 系列变频器变频电机、气动加压摆式松紧架、 6 第一章绪论 角位仪以及接近开关等组成。工控机用于功能模块的实现、2 8 单元比值系数设 定、车速设定、车速显示、退绕层数显示、卷绕层数显示、设备的开车、停车以 及报警等。 1 4 主要技术指标 整个连续轧染机计算机控制系统的主要技术指标为： 1 ) 速度范围：0 5 m m i l 3 至5 0 m m i n ； 2 ) 同步精度：同步检测装置( 角度传感器) 的角位移在2 。范围内； 3 ) 多单元智能可变比值系数精确到小数点第6 位； 4 ) 根据动态误差自动调用采样周期t 。，采用周期可设置为1 6 级至6 4 级； 5 ) 根据动态误差自动调用增益k p ，增益值可设置为1 6 级至6 4 级： 6 ) 根据动态误差自动调用积分时间常数t 。，t 。可设置为1 6 级至6 4 级； 7 ) 根据动态误差自动调用积分控制的切入时机，达到既响应快又无超调震荡的 目标。 1 5 本课题研究内容和意义 国产印染设备存在的问题是显而易见的，集中体现在稳定性差、能耗高、自 动化程度低、维护不方便等方面。但是国产印染设备的价格普遍比国外低得多， 能满足一般的工艺要求，配件便宜。私营企业资金有限，往往注重价格水平选用 国产。我们可以对国产印染设备进行设备改造，通过设备改造以后印染设备自动 化程度大大提高，系统运行可靠，企业效益明显提高。 本课题是来源于天津纺织投资控股集团印染分公司的轧染机设备改造的实 际项目。需要改造的连续轧染机采用微型p l c 控制开关量，采用单片机组成同步 器，只有一组系数，无法实现动态解耦和快速跟随协调控制。工艺难点是要满足 轧染机的2 8 个独立的传动单元和织物所构成的既要解耦又要跟随协调的工艺要 求。 全篇论文主要分为五个部分，分别介绍了退卷单元的张力控制、多单元的同 步传动控制、收卷单元的卷绕张力控制、计算机监控系统的设计以及上位机与 、p l c 之问通信链路的设计，对各部分的数学模型和控制策略的确定进行了详细的 分析和阐述。 7 与算法的编程等； 第二章连续轧染机控制系统分析与没计 第二章连续轧染机控制系统分析与设计 2 1 退绕张力控制系统 在连续轧染机控制系统中，退绕张力控制系统是整个系统必不可少的组成部 分。它的任务是保持布料张力的恒定。对于连续轧染机控制系统而言，为了稳定 布料带材的张力，从而进一步改善系统的动态性能，采用退绕信号自适应控制策 略。退绕控制系统示意图如图2 1 所示。 浮动辊 图2 - 1 退绕控制系统示意图 工艺上要求退绕轴与轧辊之间的布料张力可连续设定，设定后，在整个轧染 过程中，布料的张力保持恒定，为实现这一要求，采用电磁粉末制动器、布料张 力检测装置以及张力控制器等构成张力闭环控制系统。在退绕过程中，布料退绕 轴的半径和转动惯量逐渐减小，退绕轴数学模型为非线性、时变模型，为适应这 些参数的变化，采用退绕轴半径检测、动态补偿和退绕信号自适应控制。为有效 的设计控制策略，首先建立退绕轴的数学模型。 2 1 1 退绕轴数学模型9 1 1 0 1 1 1 1 1 2 1 退绕轴布料带材的转动惯量j d 为： ，。= 华，l ：) 2 1 式中，p ，单位宽度布料的质量密度；q l 占积率：r t 退绕轴瞬时半径； r 。r 退绕轴空轴半径。 9 大津j ：业人学硕十学位论文 p ：盟 ( 2 2 ) g 中，y 。布料比重；广重力加速度；b ，布料的宽度。 绕轴力矩平衡方式为： 丢u 。缈) + p 。缈。+ m ：= m f 以= z o + j o + 以 m ，2f r1 盟=孥=2删i，13一drldtd t出 ” ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 鲁= 丢“- 8 1 n i ) - _ 警= 丢( 嘉r 蚋 一，缈。 防7 ， 中，f _ 一布料张力；m 广_ 布料张力矩；r 。r 退绕轴满轴半径；6 布 厚度；n 。退绕层数；m 广电磁粉末制动器产生的制动力矩。 由以上各式可知，退绕轴的数学模型是非线性、时变数学模型，其中，布料 转动惯量j d 是退绕轴半径r 。的4 次方函数，还存在r 3 与d r 。d t 的乘积项。为 应这种被控对象本身参数的变化，应采用自适应控制，为此，利用脉冲编码器 1 检测退绕轴退绕的圈数n 。，得到瞬时半径r 张力控制器产生与半径相适应 补偿信号u k ，随着半径的减小，u k 自动的减小，是电磁粉末制动器的制动力 m ，自动地减小，以保持布料退绕张力恒定。这种控制是在张力闭环控制的基 上叠加一个自适应控制回路，产生辅助信号，属于信号自适应控制。信号自适 不同于参数自适应，它根据退绕半径和转动惯量的变化，改变加在被控对象上 综合信号。信号自适应控制的主要部分是辨识器和综合信号计算器，利用辨识 以求得权函数。利用估计调节偏差、权函数和评价信号匹配准则求得综合控制 号u ( t ) 。退绕信号自适应控制减轻了张力闭环控制的负担，改善了系统的动 态性能。 2 1 2 张力检测装置数学模型n 羽伽阍 张力检测装置由浮动辊、液体阻尼器以及张力传感器等组成。浮动辊被布料 包住，当处于退绕点和牵引点之间的布料张力变化时，浮动辊在绕自身轴转动运 动的同时，还要沿着垂直方向作平动运动。 浮动辊转动方程： ，譬：抚一兀) ( 2 - 8 ) 1 0 第二章连续轧染机控制系统分析与设计 c o r = d u 3 式中，j 浮动辊的转动惯量；浮动辊自转角速度； 带材张力；f 。，浮动辊右侧布料张力；r 浮动辊半径； 线速度；u 。包住浮动辊布料的速度。 ， 、 六一 = k o l1 3 2 一l 1 3 i ( 2 - 9 ) f 。浮动辊左侧 u 浮动辊表面 ( 2 - 1 0 ) 一：去f ，三一，二 (211)03= if t ，一f 1 1l 厶一 不pl “”7 式中，符号“”表示各参数是相对参数( 无因次形式) ；p 一微分算子；1 。 浮动辊与退绕轴之间的布料长度；1 ：广浮动辊与缠绕点之间的布料长度。 浮动辊平动方程： 聊鲁= 六+ 无一以 ( 2 _ 1 2 ) 反= 去( t + ， 3 一z ) 眩 式中，i i r _ 一浮动辊质量；u 浮动辊在垂线方向上的平动速度。浮动辊在垂 直方向上的位移： i = 争e 出 ( 2 1 4 ) “ = kh ( 2 1 5 ) 式中，u 。张力传感器输出信号。至此，建立了检测装置浮动辊的数学模型。 在此基础上再考虑阻尼器，在图2 1 中，浮动辊和阻尼器的简化数学模型可以用 二阶振荡环节来描述。 图2 2 是张力检测装置中浮动辊的数学模型( 结构图) ，该图还没有考虑阻 尼器。对应于布料的张力，在这里，张力传感器是位移传感器。 由图2 - 2 可得浮动辊位移h 与退绕轴线速度u 。之间的传递函数，h 与缠绕 线速度d 。之间的传递函数。 型；二堡，鱼堕! 堡堕! 堡塑堡2 鱼! ! 堡2 鱼望鱼塑( 2 1 6 ) 玩o ) o ) 旦盟：堡；鱼坦：鱼堕，鱼塑垡；鱼礁。鱼卫 ( 2 1 7 ) 唬 ) 心) 2 2 多单元同步传动控制系统 “同步 这个词是希腊字s r m ( 指同) 和c n r o n o s ( 指时间) 导来的。它是 指两个或几个现象在时间上的协调性。而印染机械分部传动若称之谓同步传动系 统是不妥的。因为，同步传动系统不仅要求各单元静态的线速度在单位时间内皆 相等，而且要求动态的速率亦相同，而这是不符合印染机械分部传动的实际运行 情况的。因此，从严格意义上讲，多电机同步传动控制系统应属于跟随系统。 跟随系统是自动控制系统的一种类型。其系统输入量是预先不知的时间函 数，其输出量将复现这个输入量。印染机械分部传动应从属跟随系统。它的主令 1 2 第一二章连续轧染机控制系统分析与设计 电机是发令器，从动电机是执行器，两者位移比较是采用松紧架装置来实施单元 间线速度差的协调。随着印染设备的高速化发展，印染设备希望其传动系统的控 制过渡过程具有快速响应和精确跟随，从而提高传动的静态精度，改善动态的稳 定性。但由于松紧架中贮布量又不可能太多的增加，这就需要进一步提高印染机 械分部传动的跟随能力。 造纸、印刷、涂布、塑料薄膜、复合材料、纺织以及印染等生产过程，其生 产机械通常由多个单元( 或称多分部或多机架) 设备组成，被加工材料依次通过 各个传动点( 夹持点) ，在不同的单元设备中进行相应的加工处理。就传动控制 系统而言，属于多电机同步传动控制系统。所谓“同步 是指同速、牵伸或超喂。 ( 1 ) 同速( v 1 - - v 2 ) 导辊1 的线速度v l 与导辊2 的线速度v 2 相同。导辊l 与导辊2 这一区间的 带材张力与上一个区间的布料带张力有关。 ( 2 ) 牵伸( v i v 2 ) 导辊1 的线速度v l 大于导辊2 的线速度v 2 ，带材被牵伸，布料张力与布料 在这一区间的伸长量成正比。 ( 3 ) 超喂( v l k 川时为牵伸加工，这种加工方式适用于合成纤维的后处理工艺和帘子线 的浸胶工艺；当k 。 4 0 k g ；透风架l o 1 5 k g ；烘筒5 一- , 2 0 k g ；焙烘 4 0 k g 。 1 8 第二章连续轧染机控制系统分析与没计 松紧架安装位置直接影响到松紧架速差采样，其安置位置示意图见图2 6 。 轧车2 轧乍1 v 2 厂、v l v l n 一u 、， 处理单元 、 一 1 o ：o 1 图2 - 6 松紧架安置位置示意图 当单元间呈等线速时安置在a 点。当布料进入处理单元后出布，基本上无伸 缩现象，应考虑布料进入处理单元前应有一初始张力，以防平幅加工起皱。轧车 1 跟随轧车2 ，由松紧架速差变速器调节v i _ v ：。通常平洗槽与小轧车组合时，皆将 松紧架设置在a 点平洗槽进布处。 当单元间布料发生明显伸缩时，宜安置在b 点处。当处理单元因故使布料发 生明显的伸缩时( 如棉布丝光浸碱后收缩，或经大量导布辊当摩擦阻力矩欠补偿 时的伸长等) ，轧车1 跟随轧车2 ，此时若以v ，与v ：对比，由于v ，v 。，进入轧车2 的织物线速度v 。若高于v ：易起皱，甚至积布；若v 。低于v ：，张力增大，皆影响 到正常工艺处理。所以，应以v ，与v ：对比，松紧架应安置应在b 点处。a 、b 两点 松紧架的初始张力不等。 ( 2 ) 速差调节 静态时，凡是各单元的运动链中，减速比和轧辊直径有差异，拖动负载有变 化，布料在两单元区段间有伸缩，便会在松紧架的导辊上发生张力变化，导辊受 到张力变化而产生偏转( 如图2 - 5 中虚线所示) ，布料的穿布角( 巾) 的变化，引 起了布料张力的新变化。新的张力变化大小与穿布角由值成j 下比，与引布辊离松 紧架导布辊的距离成反比。导布辊的摆臂转轴角位移，转换成电信号输出，反馈 给调节器，被控单元获得速差微调指令，协调两单元问无速差运行。 松紧架摆臂在有差角位移时，t m s 型重锤式摆臂松紧架从水平位置上摆3 5 。， 下摆3 5 。( 全程7 0 。) ，上、下限位置张力变化4 ：1 ，这是布料在张力辊上包角变 化所致。因此，若因两单元线速设置不当，形成摆臂偏离水平位置时，应予以调 整。 气动松紧架与重锤式摆臂松紧架的工作原理相同，不同的是以气缸代替重锤 作平衡力，占空间小，调节方便。不足之处在于压缩空气压力将影响到平衡力的 输出。 动态的缓冲 过渡过程时由于单元间动态惯量不一，因速率干扰引起两单元速度变量差值 加大，致使摆角加大。摆臂松紧架中的贮布量补偿动态两单元间速差，可有效地 1 9 天津i ：业人学硕十学位论文 起到缓冲作用。 有些区段，如轧车与烘筒烘燥机问，常出现起动、停车、升速、降速过程， 松紧架中贮布太多或拉完，发生张力辊“越位”，这说明动态缓冲作用不够，原 因是未能按轧染机设备中动态惯量最大的单元设置动态加、减速度的时间。 ( 3 ) 印染设备的保安 连续轧染机在运行中，若个别单元发生机械故障，单元问的过大速差，使松 紧架摆臂角位移急剧增大，直至振角达到预设值的最大值，松紧架“越位”指令， 发出全机停车的信号，防止机械故障的扩大。 连续轧染机设备中，在两单元问设置的松紧架，结构形式种类很多，诸如： 多辊升降式( 亦称龙门式) 、重锤摆臂式、挡板贮布斗、光电垂环、气动式及扭 簧式等等。目前以气缸取代图3 - 5 中的平衡锤，调节气缸压力可调节初始张力的 大小。 2 ) 松紧架变送器的反馈量 速度控制器提供的松紧架速差变送器的电源一般是5 v d c 。常规将速差反馈 信号经比例调节后，供控制器运算后控制从动单元机的线速度。表2 - 1 为常规调 节情况示值。 表2 - 1 常规速筹反馈调节 上艺车速( m m i n1 ) 83 25 68 0 主令电压v 1471 0 变送器电源电压v 5555 比例凋节 2 02 02 02 0 反馈电压v11l1 工艺速调节量( m m i n1 ) 8888 由表2 - 1 显示出，速差反馈变送器的电源与反馈信号的比例调节量皆为固定， 因此，轧染机从0 5 5 0 m m i n 的工艺车速，速差最大调节量皆为5 m m i n ，也就是 说相同的松紧架张力辊角位移具有同样的反馈调节量。这样导致工艺低速的调节 将过激，轧染机运行操作将不稳定、易“越位 造成非故障停车；速度为5 0 m m i n 时调节量仅1 0 ，致使单元间速差反应不够敏捷。 表2 - 2 是经过改进后的比例调节量按工艺车速变化而相应变化的示值。表中 示值为工艺车速由0 5 4 - - 5 0 m m i n ，松紧架速差反馈调节值为2 0 ，工艺车速全程 调节一致。比例调节的百分率，按工艺车速主令信号“乘4 ”则可。一旦设置， 则松紧架张力辊相同角位移，5 m m i n 工艺车速的反馈调节量是5 0 m m i n 的1 l o ， 改变“乘4 ”便可变更反馈调节值。 第二二章连续轧染机控制系统分析与没计 表2 - 2比例调1 7 随上艺车速变化 1 ：艺车速( m m i n1 ) 83 25 68 0 土令电压v 1471 0 变送器电源电压v 5555 比例调。肖 41 62 84 0 反馈电压v 0 20 81 42 j l ：艺速调1 ，赞( m m i n1 )1 6 6 41 1 21 6 3 ) 采用自动位置控制 传统的单元间松紧架速差变送反馈，属于有差调节系统，只要两单元问产生 速差，所产生的织物张力能拉动张力导布辊，或是因进布多出布少张力导布辊在 平衡力的作用下，发生张力导布辊的上摆，或者下摆，差值传输给控制器，控制 跟随单元与相邻单元有一个新的等速交点。有差就调，一调节张力辊就发生角位 移，张力辊不易居于松紧架“零位( 张力辊水平位置) 。 自动位置控制，即位置跟随控制。速差调节器采用p i d 算法，具有强大的动、 静调节能力，对工艺变化、负载变化、电源波动等速度扰动，实现自动补偿，每 个工艺单元形成独立的二阶无静差定位( 松紧架“零位”) 闭环系统。如图2 7 所示。 图2 - 7 自动位置控制系统 图中u 。位置给定( 多为固定d c 5 v ) ；u i 联合机速度统调信号；v 。本 单元织物线速度；v ，相邻单元织物线速度；0 张力架位移信号；u f _ 位移反馈信号；u 。变频器给定频率信号；e 位置偏差；u 。p i d 调节 器输出校正值。 为使位置调节强度与统调车速相适应，比例系数( k p ) 应为速度统调信号的 函数。 2 1 天津i ：业人学硕十学位论文 u t = u 。+ u c ( 2 2 7 ) u p 瑙非扎i g d “f k ( 2 - 2 8 ) 式中，u 广比例校j 下量；u 。积分校正量；k 常数，决定比例系数大小， 一般取2 1 5 。 积分的作用是消除位置偏差，是辅助调节。为防止积分饱和，引起位置环不 稳定，积分运算多采用增量式。 u 。暇丁) = u 。僻一1 ) t + l ( e 0 ) ( 2 2 9 ) u 。( k 丁) = u 。伍一l 沙一l ( e 0 ) ( 2 3 0 ) 式中，u 。( k t ) 本次积分周期积分量；u 。( k - 1 ) t 上次积分周期积分量；t 积分周期，是偏差大小的函数。 2 8 1 2 9 】【3 0 】 具体控制算法在第三章中阐述。 2 2 5 变频器参数设置m 小2 5 1 除了控制系统的核心部分i p c + p l c 之外，同步传动控制系统另外重要的原件 是变频器，它用于实现对电机的变频速度控制。 v l t 5 0 0 0 系列通用变频器，输出功率为0 5 5 - - 1 8 5 k w ( 三相3 8 0 v ) 。内置r f i 滤波器及调和滤波器，速度p i d 控制器和过程p i d 控制器，脉冲起动停止，自 动电机适配( a m t ) 功能。转矩特性：可选择恒转矩特性或变转矩特性。控制方式： 可选择开环速度控制、闭环速度控制或闭环过程控制。多单元同步传动控制系统 采用对电机速度闭环控制，为此需对其参数1 0 0 进行相应的设置，以满足控制要 求。 以下设置的是与本系统有关的主要参数。 1 ) 操作与显示 ( 1 ) 参数0 0 1 语言( l a n g u a g e ) v l t 2 8 0 0 系列变频器显示器显示的语言有英语、德语、法语、丹麦语、西班 牙语及意大利语，本系统选择英语，即参数0 0 1 取值为 0 。 ( 2 ) 参数0 0 2 本机远程操作( o p e r a t l 0 ns i t e ) 选择远程操作( r e m o t e ) ，即参数0 0 2 取值为 0 。由外部端子来控制开车 停车。 ( 3 ) 参数0 0 卜显示读出( d i s p l a yl i n e2 ) 参数0 0 9 取值为 7 ，即显示转矩( ) ( t o r q u e ) 。 第二章连续轧染机控制系统分析与殴计 ( 4 ) 参数0l3 本机控制( l o cc t r l c o n f i g ) 参数0 0 2 选择远程控制后，参数0 1 3 应选择“本机中止( d i s a b l e ) ”，即参数 0 1 3 取值为 0 。 2 ) 负载与电机 ( 1 ) 参数1 0 卜控制结构( c o n f i g m o d e ) v l t 5 0 0 0 系列变频器的控制方式有速度开环调节( s p e e do p e nl o o p ) 、速度 闭环调节( s p e e dc l o s e dl o o p ) 和过程闭环调节( p r o c e s sc l o s e dl o o p ) 三种 方式。本系统选择速度闭环控制方式，即参数1 0 0 取为 1 。变频器本身构成速 度负反馈控制系统，有关p i d 调节器的设置在参数4 0 0 中进行设置。 ( 2 ) 参数101 转矩特性( t o r q u ec h a r a c t ) 参数1 0 1 选择恒转矩( c o n s t a n tt o r q u e ) ，即参数1 0 1 取值为 1 。 ( 3 ) 参数1 0 2 电动机功率p 札、( m o t o rp o w e r ) 参数1 0 2 取值为1 5 k w 。 ( 4 ) 参数1 0 3 电动机电压u 乩。( m o t o rv o l t a g e ) 参数1 0 3 取值为3 8 0 v a c 。 ( 5 ) 参数1 0 4 电动机频率凡。( m o t o rf r e q u e n c y ) 参数1 0 4 取值为5 0 h z 。 ( 6 ) 参数1 0 5 电动机电流i t 。( m o t o rc u r r e n t ) 参数1 0 5 取值为3 7 a 。 ( 7 ) 参数10 6 电动机额定转速( m o t o rn o m s p e e d ) 参数1 0 6 取值为1 4 0 0 r m i n 。 ( 8 ) 参数1 0 7 自动电机适配a m t ( a u t om o t o rt u n ) 自动电机适配是一种算法，它能在电机轴不旋转的情况下测出电机定子电阻 r s 。优化以后选择优化关闭( a m to f f ) ，即参数1 0 7 取值为 0 。 ( 9 ) 参数1 3 5 一i f 比( u fr a t i o ) 由于参数1 0 1 选择了恒转矩特性，u f 比只影响电压特性。参数1 0 5 的值为 7 1 8 。 ( 1 0 ) 参数1 3 6 转差补偿( s l i pc o m p ) 参数1 3 6 用于补偿电机n i tn 值的偏差。只有参数1 0 0 选择了速度开环方式及 参数1 0 1 选择了恒转矩特性时，转差补偿才