（机械电子工程专业论文）基于arm的电子送经卷取控制系统设计.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于a r m 的电子送经卷取控制系统设计 摘要 目前，织机向着智能化、高速化、通用化方向发展，机电一体化 水平大幅度提高。本论文采用了国际高档织机的模块化设计方法，设 计了一套以3 2 位a r m 为控制核心的智能高速电子送经卷取控制系 统，符合了织机的发展趋势，对提高国产织机的机电一体化水平具有 重要意义。具体研究工作如下： ( 1 ) 分析了电子送经和电子卷取控制系统的工作原理和控制系 统的输入输出信号，提出了电子送经卷取控制系统的总体设计。对经 纱张力系统进行理论研究，建立经纱张力模型，并对电子送经卷取控 制系统进行同步性研究。 ( 2 ) 对基于a r m 的电子送经卷取控制系统的进行硬件设计， 包括对以s 3 c 4 4 8 0 x 微处理器为控制芯片的电子送经卷取控制器、经 纱张力和主轴的检测装置、送经和卷取伺服驱动系统的进行设计。 ( 3 ) 对基于t t c o s - i i 的电子送经卷取控制系统的软件设计进行 了研究。分析了r t c o s - i i 操作系统的特点和功能，完成了在 s 3 c 4 4 b o x 芯片上的实现。在基于p c o s i i 的电子送经卷取控制系 统进行软件开发，实现了对控制系统的多任务实时控制。 ( 4 ) 对经纱张力系统的控制策略进行了研究。分析了经纱张力 特性，提出了模糊自适应p i d 控制策略，建立了经纱张力模糊控制系 统。设计了模糊自适应p i d 控制器，并应用m a t l a b 对经纱张力系 统进行仿真研究。 关键词：电子送经；电子卷取；张力控制；删；g c o s i i ；p i d 浙江工业大学硕士学位论文 t h ec o n t r o ls y s t e m0 fe l e c t r o n l c l e t o f fa n de l e c t r o n l ct a k e u _ p o n a r m a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h el o o m sd e v e l o p m e n t a lt e n d e n c yi sr a p i d e r , m o r e i n t e l l i g e n ta n dm o r eu n i v e r s a l t h em e c h a n i c a la n de l e c t r i c a ll e v e lo ft h e l o o mi s g r e a t l yi m p r o v e d t h ed i s s e r t a t i o na d o p t st h em o d u l a r i z e d m a n n e rw i t ht h ei n t e r n a t i o n a ls l a p u pl o o ma n dd e s i g n st h ee l e c t r o n i c l e t - u pa n de l e c t r o n i ct a k e u pc o n t r o ls y s t e mo n3 2b i ta r m t h i sc o n t r o l s y s t e ma c c o r d w i t ht h el o o m sd e v e l o p m e n t a lt e n d e n c ya n di sv e r y i m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yt oi m p r o v et h em e c h a n i c a la n de l e c t r i c a ll e v e lo f t h en a t i o n a l l o o m t h er e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ew o r kp r i n c i p l ea n dt h ei n p u t o u t p u ts i g n a lo fe l e c t r o n i c l e t - o f fa n de l e c t r o n i ct a k e - u pc o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e d t h eg r o s s s t r u c t u r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi s p u tf o r w a r di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e t e n s i o nm o d e li sb a s e do nt h et h e o r yr e s e a r c hw i t ht e n s i o ns y s t e m t o r e s e a r c ht h es y n c h r o n i z a t i o no fe l e c t r o n i cl e t - o f fa n de l e c t r o n i ct a k e - u p c o n t r o ls y s t e m ( 2 ) t h eh a r d w a r eo fe l e c t r o n i cl e t u pa n de l e c t r o n i ct a k e u pc o n t r o l s y s t e mo na r m i sd e s i g n e d t h el e t u pa n de l e c t r o n i ct a k e u pc o n t r o l l e r 浙江工业大学硕士学位论文 b a s e do ns 3 c 4 4 b o xm p u ，t h em e a s u r ee q u i p m e n tf o rt h et e n s i o na n d p r i n c i p a la x i s ，t h el e t u ps e r v os y s t e m ，t a k e u ps e r v os y s t e ma r ed e s i g n e d ( 3 ) t h es o f t w a r eo fe l e c t r o n i cl e t u pa n de l e c t r o n i ct a k e - u pc o n t r o l s y s t e mi sp r o g r a m m e dw i t ht h ei _ l c o s i i t h ei _ t c o s i io p e r a t i n gs y s t e m i st r a n s p l a n t e do ns 3 c 4 4 b o xm p u b ya n a l y z i n gi t sc h a r a c t e r i s t i ca n d f u n c t i o n t op r o g r a ms o f t w a r es y s t e mo fe l e c t r o n i cl e t u pa n de l e c t r o n i c t a k e u pa n dt oa c h i e v et h em u l t i t a s ka n dr e a l - t i m ec o n t r o lo nj i t c o s i i ( 4 ) t h ec o n t r o la l g o r i t h mo ft e n s i o ns y s t e mi sr e s e a r c h e d t op u t f o r w a r df u z z y a d a p t a t i o np 1 d a l g o r i t h ma n dt ob u i l dt h ef u z z yc o n t r o l s y s t e mo ft h et e n s i o no na n a l y z i n gt h et e n s i o n sc h a r a c t e r i s t i c t h e f u z z y a d a p t a t i o np i dc o n t r o l l e r i s d e s i g n e d t h et e n s i o ns y s t e mi s s i m u l a t e db yt h em a t l a b k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cl e t - o f f , e l e c t r o n i c t a k e u p ，t e n s i o nc o n t r o l ， a r m ，i x c o s - i i ，p i d i i i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注弓i 用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名： ) 虱莒漏、日期：删# 年f 月? 一臼 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。本人授权浙江工业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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密咣 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：研；年f 月j o 日 日期：例年j 月；口日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 【本章摘要 阐述了课题的研究背景和意义，介绍了国内外剑杆织机、送经卷取系 统的研究现状和发展概况。阐明了本学位论文的研究内容。 1 1 本文的研究背景和意义 在改革开放以后，由于我国纺织品原料、劳动力资源的丰富及对外贸易政策 的改变，使我国的纺织品产量和生产能力均居世界首位，成了纺织品出口大国【l j 在我国加入w t o 后，特别是2 0 0 5 年其他国家取消我国纺织品出口的配额限制， 带给了我国的纺织业巨大的发展空间。同时，也给与纺织业相关的我国织机工业 带来了巨大的外来竞争与挑战【2 h 4 】。 目前，我国织机生产水平低下，高档剑杆织机9 5 以上是从国外进口的， 主要来自国际著名织机制造厂商意大利s o m e t ( 舒美特) 和s m i t ( 斯密特) 、 瑞士s u l z e r ( 苏尔寿) 、比利时p i c a n o l ( 必佳乐) 、德国d o r n i e r ( 多尼尔) 、 日本t o y o d a ( 丰田) l ”。国际高档剑杆织机普遍采用强大的3 2 位电子计算机控 制系统进行快速采集、监测、设置各种工艺参数，并配备电子送经、电子卷取等 装置，使其机电一体化水平大幅度提高，运转速度达6 0 0 转份。国产剑杆织机 的控制系统普遍以8 位单片机或p l c 为控制核心，且配套机构的电子化控制程 度不高，大多还是配用机械式送经和卷取装置，只有经纱纺织机械股份有限公司、 中国纺织机械股份有限公司、浙江泰坦股份有限公司少数几家织机制造厂家配备 电子送经和电子卷取装置，运转速度约2 0 0 - - 4 0 0 转，分6 l 【”。为了提高我国织机 的机电一体化水平，加快织机向高速化、智能化、通用化的发展步伐，国内一些 大型织机生产厂家正积极开发的高档织机或者改造已有的中低档织机，对配套机 构进行电子化控制。 在织机配套机构中，送经和卷取机构是织机进行连续织造的条件，并对保持 织造过程中经纱张力动态稳定和精确纬密起到重要作用。在织造过程中，经纱张 力系统是一个非线性动态时变系统，受到多方面的影响，而经纱张力是否稳定直 浙江工业大学硕士学位论文 接影响到织造速度和织物质量。同样，送经和卷取的同步性的好坏也影响着织造 速度和织物质量。这就要求送经和卷取系统能实时检测张力信号及其他控制信号 和参数，控制送经速度和卷取速度，使张力控制系统超调量小，响应速度快、稳 定性好、送经和卷取同步性好。随着织机速度和人们对织物构造要求的不断提高， 传统机械送经和卷取装置难以满足实际生产要求，对送经和卷取装置进行电子化 控制，实现电子送经和电子卷取，提高织造速度和织物质量。 目前，国产织机多数仍为机械式送经卷取系统，通过织机主轴带动来实现织 造的协同工作，其生产效率和质量难以满足高质量、高速度织造生产要求。本论 文引用了国际高档织机的模块化设计思路，设计一套以3 2 位a r m 处理器为控 制核心和交流伺服系统为驱动机构的智能高速的电子送经卷取控制系统，实现对 控制信号的实时采集处理和系统参数的在线设置与显示查询，完成织造过程中经 纱张力的稳定和精确纬密控制，同时也符合了电子送经卷取系统的发展趋势。 1 2 剑杆织机研究状况 由于剑杆织机结构简单、控制方便、生产效率高，在适应高质量、多花样、 小批量等市场变化中具有更大的优势使得剑杆织机得到了迅猛发展。在现代纺织 工业中，剑杆织机已成为无梭织机中适用性最强的、成本最低的一种织机，被广 泛的应用。随着电子技术的发展，新型织机向着高速、高产量、高质量、高可靠 性的方向发展诩，对五大运动系统进行电子控制和独立驱动，以提高机电一体化 水平，如电子送经、电子卷取、电子选色选纬。 1 2 1 剑杆织机的组成 剑杆织机是一种将经纱与纬纱交织成织物的机器，经过开口、引纬，打纬、 送经、卷取等五大运动过程完成织物的织造，具体过程如下5 j 【钉： ( 1 ) 开口过程：通过常用的开口部件综框完成，每页综框有若干根综丝， 经纱穿过综丝孔眼，综框分别作上下运动将经纱分开，形成菱形空间的梭口。 ( 2 ) 引纬过程：由附在剑带上的送纬剑头夹住纬纱，在剑带盘的带动下沿 着导轨传入梭口；接纬剑头也进入梭口，在梭口的中央处交接，接纬剑头接过在 2 浙江工业大学硕士学位论文 送纬剑头上的纬纱；再两剑往后退出梭口，完成一次引纬运动 ( 3 ) 打纬过程：将引入梭口中的纬纱推到经纱和织物的分界处一一织口， 在摆杆机构的作用下梳形的筘前后摆动；当向前摆动时，把已经引入梭口的纬纱 打到织口，同时综框反向运动关闭织口，经纱和纬纱交织。 ( 4 ) 送经过程：随着织物被引离，织区里的经纱随之减少，织轴由一定的 机构驱动下均匀地送出经纱，以补充交织所需经纱，并保持经纱张力的稳定。 ( 5 ) 卷取过程：经过开口、引纬、打纬等过程，一根纬纱和经纱完成一次 交织，反复的交织形成了织物，为了能下面正常的织造，织物必须及时被引离出 织区织物先经过表面租糙的毛刺辊，再经过毛刺辊与卷布辊之间的打滑机构， 在控制器的控制下根据织造的要求不断的卷到卷布辊上，以保证得到精确纬密的 织物。 送经和卷取过程是织机进行连续织造的条件，对提高织机的速度和织造质量 相当重要。因此，对其进行电子化控制，已是织机生产厂家用于以提高织机机电 一体化的水平的一个重要研究内容。 1 2 2 剑杆织机发展趋势 随着电子技术的飞速发展，剑杆织机向着以高速处理器为控制核心、电力电 子技术为基础的新型驱动技术进行模块通用化、生产专业化方向发展，采用分布 式智能控制系统对各功能模块的控制系统和执行机构进行协调工作，甚至应用工 业网络技术，采用以太网、c a n 总线、光纤进行远程通讯，实现对剑杆织机的联 网、远程监控及群控。呈现出智能化、网络化、通用化和绿色化的发展趋势1 0 1 1 、智能化 现代剑杆织机集中运用了光、机、电、气动、液压等多种新技术成果。它采 用了以c p u 为核心的高性能工业控制器，完成复杂的运算和繁杂的逻辑控制，以 及对各种指令的快速实时响应和高速通讯，如可编程控制器、3 2 位微控制器、p c 平台等都是常用的工业控制器。新型驱动技术的广泛应用，使得驱动系统成为控 制方式多样化、控制精度高、响应速度快的智能化子系统，如变频调速、直流无 刷电机调速、伺服控制、直线电机等。各种新型传感器在织机上的应用，为设备 的监测、控制提供了精确的数据信息这些新技术的结合，使新型织机具备了智 3 浙江工业大学硕士学位论文 能化的控制功能，如纺织生产过程的各种工艺参数、运行状态的在线检测、显示、 自动控制和自动调节，故障自动排除，人机交互。 2 、网络化 随着工业网络技术的成熟和应用，特别是现场总线技术的成熟和应用，促使 织机控制系统由集散控制系统( d c s ) 向现场总线控制系统( f c s ) 过渡。越来越多 的公司推出了具备网络连接功能的主机、辅机和相应的软件系统，网络技术己经 成为现代化织机的重要手段，实现实时集中监测、各类信息的传递与显示、远程 控制设备的远程监控提高运转效率、降低用工成本，使得管理者可以通过互联 网在世界任何地方管理控制分布在不同地点的生产工厂，技术人员迅速进行远程 遥控故障诊断与排除。 3 、通用化 为适应纺织品市场小批量、多品种、快交货、变化快的需要，通用化设备逐 渐成为技术开发热点。新型剑杆织机普遍采用了变速织造技术和纬密可变技术。 变速织造技术就是通过传动系统对织机运转速度进行程序控制，实现变速运转， 使织机根据原料的不同改变生产速度，因而品种适应性大大提高。纬密可变技术 是通过程序控制电子送经和电子卷取，在织造过程中改变织物的纬纱密度，可以 生产结构更加复杂的产品。各织造过程实行模块化设计，各模块之间通过主控制 系统协调工作，成为相对独立的子系统。 4 、绿色化 织机发展的另一个重要目标是绿色化生产，实现低能耗、水耗、染化料消耗， 低噪音，少飞花或粉尘，少废水、废气、废渣排放的清洁生产。 1 3 送经卷取系统研究现状 1 3 1 送经系统 l 、送经系统的简介及类型 在织造过程中，根据织物的纬密大小送经系统以一定的送经速度将经纱从送 经轴上退绕下来，并保持在送经轴从满轴到空轴的全过程中张力稳定，以维持织 4 浙江工业大学硕士学位论文 造过程的连续进行。其中能否使经纱保持均衡一致的经纱张力，是衡量送经系统 性能的主要标志f “h l ” 根据织轴的传动方式，送经系统可分为机械式和电子式两种类型。机械式送 经系统以主电机为动力源，通过机械式的传动链，驱动送经轴回转而送出经纱。 电子式送经系统的送经轴由单独的送经电机驱动，送经电机在一定的范围内可无 级变速，以满足不同送经量的要求，已经普遍应用于高档织机。 电于送经系统采用活动后梁作为经纱张力的感测元件，应用了非电量电测的 手段，将后梁的不同位置转变为电信号，应用电子技术或微机技术采用控制器对 该信号进行采集处理，根据采集的经纱张力与设定经纱张力比较，控制经纱送出 速度的快慢，以保证恒定的经纱张力0 4 1 1 ”1 电子送经系统可以分为：间歇式电 子送经系统和连续式电子送经系统。间歇式电子送经系统：把在主轴的一个回转 内呈周期性变化的经纱张力用传感器输出，织机的控制系统在设定的时刻对传感 器输出的信号进行处理，做出是否启动送经电机，送经电机的转速不变，送经量 是通过控制送经电机工作时间的长短来调节的。连续式电子送经机构：传感器在 设定的时刻对经纱张力信号采集，控制处理器对该信号进行处理，根据纬密设定 值和设定经纱张力与实测张力的误差值计算出控制量并转换成相应的控制信号， 控制送经电机的转速。 2 、国外内送经系统现状 目前，国外已经有比较成熟的电子送经控制系统，如日本丰田、津田驹，德 国百格拉，意大利舒美特，比利时必佳乐等公司，它们的产品占据着我们高档织 机的大部分市场。根据系统驱动方式 1 6 1 ，国外电子送经系统可分为下列几种： ( 1 ) 交流伺服电机系统，如意大利舒美特公司的t h e m a - - l l e 型、t h e m a 一1 1 - - e x c e l 型，意大利舒美特公司选用意大利m o t o r p o w e r 公司的t 1 1 5 型的交流 伺服电机系统，比利时必佳乐公司的g t x 型，德国多尼尔公司的h 型、p 型系列， 德国多尼尔公司选用德国西门子公司的交流伺服电机系统。 ( 2 ) 步进电机系统，如意大利范美特公司的p 1 0 0 1 e e s 、p 1 0 0 l s u p e 卜- e k 型，意大利斯密特公司的f a s t - t 型、g 6 3 0 0 型等步进电机系统，均选用德国百格 拉( b e r g e rl a h r ) 公司的三相混合式步进电机及驱动器；驱动器采用交流伺服的 5 浙江工业大学硕士学位论文 原理，解决了低频振动大、噪声高、高速无扭矩和驱动器可靠性低问题，使电机 的运动几乎与交流伺服电机一样平稳。 ( 3 ) 开关磁阻电机系统，如比利时必佳乐公司的g a m m a x 型、g a m m a 型、 g ，一p l u s 型的关磁阻电机系统。 ( 4 ) 直流无刷电机系统，如意大利舒美特公司的t h e m a - - s u p e r - - e x c e l ( 天 马超优秀) 型、a l p h a 型直流无刷电机系统。 国内大概在9 0 年代中后期展开了电子送经控制系统的应用研究，但研制的产 品在运行稳定性，高速化，批量商品化等方面还有所欠缺，没取得大规模应用， 基本还处于样机开发使用或小范围的使用阶段。国内自己研制的早期电子送经和 控制系统一般都是采用p l c 或单片机作为主控制器，电机采用力矩电机或步进电 机，近来也有采用高档p l c 或工业计算机作为主控制器来进行闭环控制的电子送 经控制系统【1 7 j 【1 1 1 。国内大部分剑杆织机的送经系统主要为机械送经，小部分为 电子送经，其中电子送经系统进口的居多数。 3 、送经系统的发展趋势 织机送经系统发展趋势是驱动机构相对独立，控制系统采用电子化，计算机 化，由经纱张力检测子系统、控制器和驱动系统组成。电子送经技术的发展趋势 体现在张力检测系统、控制系统和驱动系统的发展呻1 1 2 0 1 ( 1 ) 张力检测系统 张力检测是织机进行张力控制必不可少的环节，张力检测的方式有接近开关 式和张力传感器式。采用接近开关式需要人工调节弹簧张力及传感器位置，误差 大，而采用张力传感器感测式可以通过键盘设定张力大小，可以消除人为因素带 来的误差。因此，张力传感器将逐步取代接近开关式，成为张力检测的发展趋势。 ( 2 ) 控制系统 早期的控制系统有模拟电路、模拟和数字混合电路以及数字电路三种模式 模拟电路速度快，但精度低；数字电路精度高逻辑判断功能强，但要实现复杂控 靠4 规律显然数字电路无能为力接着出现p l c 控制和工控机，p l c 控制精度不高， 工控机功能强大、控制效果好，但体积较大而且价格昂贵，不适于分布式控制系 统。目前，国内很多送经系统采用了8 位单片机，少数采用了1 6 位和3 2 位单片机， 6 浙江工业大学硕士学位论文 而随着单片机技术发展，采用3 2 位单片机进行电子送经控制将是必然趋势。 ( 3 ) 驱动系统 织轴驱动机构可以采用电磁离合器式、直流电机伺服式、交流电机伺服式以 及变频电机调速。步进电机驱动虽结构简单、成本低廉，但在高速过程中可能产 生失步现象而使送经系统存在误差、控制精度较低，只适用于低中档剑杆织机。 目前，变频调速技术已成熟并广泛的应用，交流伺服电机也日益在织机驱动系统 中崭露头角。直流电机调速方便，但由于采用电刷换向导致电刷易磨损，所以驱 动系统发展趋势向着采用交流伺服驱动系统方向发展。 1 3 2 卷取系统 卷取系统在织造过程中与送经机构协同工作，保证实时、定长地将形成的织 物引离织口，获得精确纬密，并与送经系统同步进行以保证经纱张力稳定与送 经系统相同，卷取系统也可以分为机械式和电子式卷取系统。传统织机大多采用 机械卷取：卷布辊经过传动机构由主轴驱动以实现稳定卷取，局限于稳定地连续 引出织物。8 0 年代中期开始，随着织机电子化的发展，电子卷取系统在织机中开 始普遍应用，包括步进电机式、伺服电机式、变频调速式电子卷取系统。电子卷 取系统实现了织物纬密的自动设定、卷取量准确恒定、纬密的任意调整和变化， 具有独立卷取驱动机构【2 l 】。 与电子送经系统相同，高档织机的电子卷取系统被德国、意大利、比利时、 日本等国外公司所占据，主要采用交流伺服电机系统和步进电机系统。由于电子 卷取和电子送经是一个同步性特强的两个过程，两者之间有着密切的联系和相互 影响。因此，国外各公司在设计织机电子卷取系统时是选用与电子送经统一的结 构形式，送经系统采用交流伺服系统，卷取系统也采用交流伺服系统，并采用同 一厂商的交流伺服系统。如必佳乐公司采用开关磁阻电机控制的电子卷取系统， 舒美特公司最新型号的织机采用直流无刷电机控制的电子卷取系统。国内织机采 用机械式卷取系统为主，只有部分高档织机采用电子卷取系统，但多数以引进为 主，如上海中国纺织机械股份公司的新龙型、西安航空发动机( 集团) 有限公司 的j z - 2 型、浙江新昌泰坦纺机的i t - 2 0 0 0 型等，国内自主研发的系统很少，如 广东丰凯纺机的k t 5 6 6 型、河南纺机的( 3 1 7 3 1 型、江苏苏州纺机的g a 7 3 7 型等。 7 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 本文的研究内容 目前，织机向着智能化、网络化、通用化和绿色化方向发展。国外高档织机 普遍采用3 2 位处理器为独立控制核心，对配套机构进行电子化控制，并应用独 立驱动机构，提高织机的机电一体化水平，满足织机的智能化、高速化、通用化 要求。在织机配套机构中，送经和卷取机构是织机进行连续织造的条件，并保持 织造过程中经纱张力动态稳定和精确纬密起到了重要作用。因此，送经和卷取机 构进行电子化控制，对提高织机的速度和织物质量具有重大意义，已成为织机生 产厂家用于以提高织机的机电一体化水平一个重要研究内容。我国织机的机电一 体化水较低，送经和卷取机构的控制核心主要以8 位单片机和p l c 为控制器， 电子送经和电子卷取未广泛应用。因此，论文在h g a 7 3 2 型剑杆织机基础上进 行技术改造，设计一套以3 2 位a r m 为控制核心的智能高速电子送经卷取控制 系统，满足了织机向高速化、智能化、通用化的方向发展要求。基于a r m 子送 经卷取控制系统的硬件系统由以s 3 c 4 4 b o x 芯片为核心的a r m 处理器、“s ”型 张力传感器、主轴光电编码器、送经卷取伺服系统构成，并应用l lc o s i i 操作 系统和模糊p i d 控制策略，实现对控制信号的实时采集处理和系统参数的在线 设置与显示查询，完成织造过程中经纱张力的稳定和精确纬密控制。论文的具体 研究内容如下： 第一章阐述了本课题的研究背景和意义，介绍了国内外剑杆织机、送经卷取 系统的研究现状和发展概况，阐明了本学位论文的研究内容。 第二章对电子送经卷取控制系统结构进行研究，分析了电子送经和电子卷取 控制系统的工作原理和控制系统的输入输出信号，提出了电子送经卷取控制系统 的总体设计。对经纱张力系统进行理论研究，建立经纱张力模型，并对电子送经 卷取控制系统进行同步性研究。 第三章对基于a r m 的电子送经卷取控制系统的进行硬件开发，主要包括对 以s 3 c 4 4 b o x 微处理器为控制芯片的电子送经卷取控制器、经纱张力和主轴的检 测装置、送经和卷取伺服驱动系统的进行设计，实现控制系统信号的实时采集、 控制系统参数的在线设置与查询、报警信息的显示。 第四章对基于p c o s i i 的电子送经卷取控制系统的软件设计进行研究。分 8 浙江工业大学硕士学位论文 析了肛c o s - 操作系统的特点和功能，完成在s 3 c 4 4 b o x 处理器上的实现。对 基于p c o s 一的电子送经卷取控制系统软件开发进行研究，提出了控制系统的 软件框架，阐明了各软件模块的功能及控制流程，完成程序的设计。对弘c o s 的多任务管理进行研究，建立了电子送经卷取控制系统的任务优先级，实现了控 制系统的多任务实时控制。 第五章对经纱张力系统的控制策略进行了研究。分析了经纱张力特性，阐述 了p i d 控制和模糊控制技术，建立了经纱张力模糊控制系统，并提出了模糊自适 应p i d 控制策略。针对了p i d 控制系数对经纱张力控制系统的影响，建立了模糊 控制规则，完成模糊自适应p i o 控制器的设计。应用m a t l a b 工具对张力控制系 统进行仿真研究，分析比较模糊自适应p i d 控制和常规p i d 控制策略的对控制 系统的影响。 第六章对全文工作进行了归纳和总结，并对电子送经卷取控制系统研究提出 了进一步设想和展望。 9 浙江工业大学硕士学位论文 第二章电子送经卷取控制系统结构研究 本章摘要 阐述了电子送经和电子卷取控制系统的工作原理和功能，进行了控制 系统的总体设计。对经纱张力系统进行理论分析和系统建模，对电予送经卷取控 制系统进行同步性研究。 2 1 电子送经卷取系统整体设计 随着电子技术的发展，织机的控制系统向着不同运动机构具有独立的控制器 和驱动系统的分布式控制方向发展，控制器从8 位单片机、p l c 向3 2 位a r m 、 d s p 高速微处理器发展。送经卷取系统采用电子送经和电子卷取方式进行送经和 卷取，具有独立的驱动系统，成为织机控制系统的一个独立子系统。 2 1 1 电子送经卷取系统工作原理及功能 当织机主轴每转动一转时，经过三大主要运动过程( 开口、引纬、打纬) 完 成一次交织形成织物，为使织机能连续进行织造，卷取系统不断地把织物引离并 卷绕到卷布辊，送经系统不断地把经纱从经轴上退绕下来送入织区，并保持在织 造过程中经纱张力的动态稳定和织物的精确纬密。电子送经卷取系统工作原理如 图2 1 所示例。 电子送经卷取系统完成以下主要功能： ( 1 ) 参数的设置：纬密、经纱预设张力、总经纱数、各种情况下的补偿量、 传动比等一系列织造参数。 ( 2 ) 送经卷取控制：根据织造工艺要求，与织机主控制器保持信息通信， 在手动联动下，对经送经和卷取速度进行调节，实现经纱张力稳定，织物精确 纬密及纬密可变控制，在异常情况下，进行定位停车和送经卷取补偿，并发出报 警和补偿信号，在重新开车时，进行相应的送经卷取补偿。 ( 3 ) 数据显示：设定张力值、实时张力、参数及报警信息。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 图2 - 1电子送经卷取系统工作原理图 2 1 2 控制系统总体结构 根据电子送经卷取系统的功能要求，控制系统总体结构【2 4 】【2 ”，如图2 2 所 示。键盘和液晶屏分别用于参数的设置和信息的显示，主轴编码器、张力传感器 及放大器分别用于主轴速度及位置检测、张力信号采集及调理，交流伺服电机系 统用于控制驱动送经轴和毛刺辊，由三星公司s 3 c 4 4 8 0 x 的a r m 芯片及外部控 制电路组成的电子送经卷取控制器完成信号通信处理、系统控制、控制信号及报 警信号发送。 图2 - 2 控制系统总体结构框图 1 l 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 电子送经控制系统 电子送经控制系统包括经纱张力检测、送经控制器、送经驱动等模块应用 “s ”型传感器实时采集经纱张力，根据织造参数及经纱张力误差，送经控制器 采用模糊p d 控制技术对伺服电机转速进行控制，调节送经速度，实现经纱张 力的动态稳定。 2 2 1 控制系统工作原理 在织机按下开车按钮正常工作时，电子送经系统根据张力传感器信号、经纱 总根数和纬密信号，每根经纱实时张力与在此纬密下的单根经纱设定张力比较。 如果实时张力大于小于设定张力的最大最小值时，向织机发出停机报警信号， 通过送经松紧按钮调整经纱张力。实时张力在设定张力范围内，根据主轴编码 器信号，进行相应前进后退送经。当实时张力超出设定范围但是又未超出最大 最下设定张力时，根据主轴编码器信号及相应的参数，调用控制程序，控制器向 伺服系统发出相应的控制信号，控制送经电机速度，调节送经速度，从而保持张 力动态稳定。在织机由于某种情况( 断经、断纬、手停等) 停车时，电子送经系 统根据相应的停车信号与主轴编码器信号，送经电机停止在相应的位置并发出相 应的报警信号，如在断纬时，停止主轴后心位置；当织机重新启动时，电子送经 系统根据停车信号做出相应的纬数补偿。 当织机在停车时，按钮信号为点动收紧放松信号时，根据按下按钮的长短 ( 通常时间为2 秒) ，在2 秒内以手动送经第一速度反正向送经，否则以第二 速度反正向转送经，通常第二速度要大于第一速度，并跟随按钮停止或者送经。 按钮信号为联动信号时，经过一定的送经推迟时间，跟随主轴转动以自动送经方 式送经并保持经纱张力稳定。 电子送经系统是一种连续式送经机构，并采用二重负反馈闭环控制：内环的 伺服速度控制和外环的经纱张力控制【2 7 】。根据s 型压力传感器输出模拟电压 信号与经纱张力的对应关系获得实时张力，模拟电压信号通过放大器调理输送到 控制器的a d 模块并转换为张力数字信号，并根据送经参数和织机主控制器及 主轴信号，控制器采用模糊p d 控制策略向伺服驱动系统发出相应的脉冲信号， 1 ：2 浙江工业大学硕士学位论文 控制伺服驱动系统实现张力控制。伺服驱动系统本身就是一个复杂的反馈闭环控 制系统，由伺服控制器、伺服电机、变速机构组成。伺服控制器根据脉冲频率控 制伺服电机的转速，并通过光电编码器对伺服电机转速和位置反馈完成速度控 制，再经过变速机构带动经轴，实现送经速度控制。 2 2 2 电子送经参数 在电子送经系统中，具有一系列的送经参数，包括织造参数、控制参数、实 时参数等参数，主要参数见表2 1 【瑚。 表2 1 电子送经系统的送经参数 电子送经系统主要参数 序号 参数符号单位功能描述 lc p p ( 纬n o m m ) 基本纬密c p 2d o p ( 纬1 0 r a m ) 纬密d o 3d l p ( 纬1 0 r a m ) 纬密d i 4d 2 p ( 纬n o m m ) 纬密d 2 5 d 3 p ( 纬1 0 m m ) 纬密d 3 6d 4 p ( 纬1 0 r a m ) 纬密d 4 7s v m l r p m ( 转速)手动送经第一速度( 2 秒内) 8s v m 2 r p r n ( 转速) 手动送经第二速度 9s 1 1 5 u p s ( 秒)按开车键后，补偿推迟时间 1 0s t c p s ( 秒)开车后送经推迟时间 l i s s f o r p ( 纬) 断经停车补偿纬数 1 2 s s f n t p ( 纬) 断纬停车补偿纬数 1 3s s p l s p ( 纬) 手动停车补偿纬数 1 4s r f o r p ( 纬) 断经开车补偿纬数 1 5s r 阿l p ( 纬) 断纬开车补偿纬数 1 6 s r p l s p ( 纬)手动停车重新开车补偿纬数 1 7 n f 根 总经纱根数 1 8g f g ( 克) 每根经纱设定张力( c p 纬密时) 1 9g f o g ( 克) 每根经纱设定张力( d o 纬密时) 2 0 g f l g ( 克) 每根经纱设定张力( d i 纬密时) 2 1g f 2 g ( 克) 每根经纱设定张力( d 2 纬密时) 2 2g f 3 g ( 克) 每根经纱设定张力( 1 9 3 纬密时) 2 3g f 4 g ( 克) 每根经纱设定张力( d 4 纬密时) 2 4s m g f 每根经纱张力最大值( 百分比) 2 5s l g f 每根经纱张力最小值( 百分比) 2 6s i 变速机构传动比 2 7s d n锄( 厘米) 织轴最小直径 2 8s d m n锄( 厘米) 织轴最大直径 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 3 控制系统的输入输出信号 l 、输入信号： ( 1 ) 按钮信号：收紧放松信号、联动信号，由按钮直接输入送经卷取控制 器，属于开关信号。 ( 2 ) 运行信号：开车信号、点动信号、停车信号，这些信号于织机的外部 按钮操作输入，通过织机主控制器输入到系统中，反映织机的运行情况，属于开 关信号。 ( 3 ) 同步信号：主轴信号，由光电编码器发送a b z 脉冲信号，获得主轴的 转速和位置，为五大过程提供时间基准和织机转速及方向，属于脉冲信号。 ( 4 ) 反馈信号；张力信号，根据压力传感器的压力与电压的相应关系，得 到电压模拟信号，获得实时经纱张力，属于模拟信号。 ( 5 ) 异常信号：经停信号、纬停信号、急停信号等，由织机主控制器发出， 为系统停车及送经补偿的依据，属于开关信号。 ( 6 ) 其他信号：纬密信号，由织物和织造过程约定，由一个基本纬密和补 偿纬密相加组成，一共有6 种不同的纬密信号，从织机主控制器获得，属于开关 信号。 2 、输出信号： ( 1 ) 正常运行信号：在正常运行时，向织机主控制器发送系统正常运行信 号，继续工作。 ( 2 ) 报警信号：系统在发生异常情况时，向织机主控制器发送异常报警信 号使织机停车，并点亮报警信号灯。 ( 3 ) 脉冲信号：控制伺服电机的转速及方向，完成在各种工作情况下经纱 张力和送经量控制。 2 3 电子卷取控制系统 2 3 1 控制系统工作原理 在织造过程中，卷取运动与送经运动之间有着高度的同步性和协调性。在织 机停车时，按钮信号为点动按钮时，根据按下按钮时间的长短以手动卷取第一 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 第二速度卷取，并跟随按钮停止或者卷取。按钮信号为联动按钮时，经过一定的 卷取推迟时间，跟随电子送经以自动卷取速度卷取在织机正常工作时，根据纬 密信号和织机主轴编码器信号，前进后退卷取相应的卷取量，保持织造中经纱 线速度稳定和织物纬密精确。在织机由于某种情况( 断经、断纬、手停等) 停车 时，根据停车信号与主轴编码器信号，卷取电机停止在相应的位置并发出报警信 号。当织机重新启动时，根据停车信号做出相应的纬数补偿。当卷取的布到达设 定布长时，停止卷取，并向织机发送停机信号。 根据织机转速和纬密等卷取参数，电子卷取控制系统计算出卷取量和卷取速 度，发送相应的控制信号到伺服系统，控制卷取电机转速，再经减速机构驱动毛 刺辊，完成卷取速度和卷取量控制，并根据织机的工作情况，进行卷取补偿或者 停车 2 3 2 电子卷取参数 与电子送经系统相似，电子卷取系统具有一系列相关的卷取参数，主要参数 见表2 2 。 表2 2 电子卷取系统的卷取参数 电子卷取系统主要参数 序号参数符号单位功能描述 ic p p ( 纬1 0 m m ) 基本纬密c p 2d o p ( 纬t o m m ) 纬密d o 3d l p ( 纬1 0 r a m ) 纬密d l 4d 2 p ( 纬1 0 r a m ) 纬密d 2 5i ) 3 p ( 纬1 0 m m ) 纬密d 3 6 d 4 p ( 纬1 0 r a m ) 纬密d 4 7r v m l r p m ( 转速) 手动卷取第一速度( 2 秒内) 8j 、限记 r p m ( 转速) 手动卷取第二速度 9j t r m s ( 秒)按开车键后，补偿推迟时间 1 0j t c ps ( 秒) 开车后卷取推迟时间 l lj s f o r p ( 纬) 断经停车补偿纬数 1 2j s n r p ( 纬) 断纬停车补偿纬数 1 3j s p l s p ( 纬) 手动停车补偿纬数 1 4j i u o r p ( 纬) 断经开车补偿纬数 1 5j r 踟l p ( 纬) 断纬开车补偿纬数 1 6 l s p ( 纬)手动停车重新开车补偿纬数 1 7 j i 变速机构传动比 1 8j d mc m ( 厘米) 毛刺辊直径 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 3 控制系统的输入输出信号 i 、输入信号： ( 1 ) 按钮信号：正反卷取信号、联动信号，由按钮直接输入电子送经卷取 控制器，属于开关信号。 ( 2 ) 运行信号：开车信号、点动信号、停车信号，这些信号于织机的外部 按钮操作输入，通过织机主控制器输入到系统中，反映织机的运行情况，属于开 关信号。 ( 3 ) 同步信号：主轴信号，由光电编码器发送a b e 脉冲信号，获得主轴的 转速和位置，为五大过程提供时间基准和织机转速及方向，属于脉冲信号。 ( 4 ) 异常信号：经停信号、纬停信号等，由织机主控制器发出，为系统停 车及卷取补偿的依据，属于开关信号。 ( 5 ) 其他信号：纬密信号，由织物和织造过程约定，由一个基本纬密和补 偿纬密组成，一共有6 种不同的纬密信号，从织机主控制器获得，属于开关信号。 2 、输出信号： ( 1 ) 正常运行信号：在正常运行时，向织机主控制器发送系统正常运行信 号，继续工作。 ( 2 ) 报警信号：系统在发生异常情况时，向织机主控制器发送异常报警信 号使织机停车，并点亮报警信号灯。 ( 3 ) 脉冲信号：控制伺服电机的转速及方向，完成在各种工作情况下卷取 量 2 4 经纱张力控制系统 在一个织造过程中，经纱张力受到多方面影响在不同时刻发生不同的变化， 在多个织造过程中又显示出一种动态周期性。同样，经纱张力对织造过程也有很 大的影响，张力过大会产生布面张力太大、断经增加等现象，而过小则会产生布 面太松，开口不清等使织造产量或质量下降，对于经纱张力控制变的相当重要， 也是织机织造的一个重要指标。 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 2 4 1 影晌张力因素 经纱从织轴上退绕下来与纬纱交织成布后卷到卷布辊上，先后经过五大织造 过程，而且随着织造的连续进行，织轴直径不断减小，都影响到经纱张力变化。 下面对张力的变化各因素进行分析御1 【划。 ( 1 ) 开口运动：在开口过程中，经纱受到拉伸、摩擦、弯曲等作用经纱单 位长度发生了变化而造成经纱张力的变化。a t = ( 1 工i + i l 2 ) h 2 ，式中，r 为 经纱张力变化值，厶，三2 为梭口前后部经纱长度，日为梭口高度。从中可知，张 力变化值a t 与开口高度日平方成正比。 ( 2 ) 打纬运动：在打纬之前，纬