（控制理论与控制工程专业论文）并条机的自调匀整及网络化控制系统设计与实现.pdf

摘要 摘要 本课题研究目的是设计一种比较先进的自调匀整控制系统，可以实现对旧机 型并条机f a 3 0 2 的改造，以提升f a 3 0 2 的生产效率；设计一个网络化控制系统， 以实现对整个并条车间生产过程的监控。 通过对国内外并条机自调匀整技术发展现状的分析，以及自调匀整控制形式 的对比，最后选择开环控制方式。这种方式针对性较强，只要棉条厚度测量准确、 检测点到匀整点的延时把握得当，牵伸倍数合适，就可以取得良好的匀整效果。 目前国际先进的自调匀整技术大都确定为开环形式。 由于开环控制中要求把棉条厚度准确测量，因此本课题也研究了有关棉条检 测传感器的技术，利用杠杆原理，结合l v d t 和a d 6 9 8 的应用技术设计出了一种 适合于对并条机喂入棉条检测的传感器。它不仅精度高，机械惯性小，信号处理 电路简单，而且解决了凹凸罗拉式、阶梯罗拉式棉条检测传感器面对加工工艺的变 化，必须更换不同的检测罗拉的问题。 针对f a 3 0 2 并条机的机械结构特点，设计出了一种比较适合f a 3 0 2 现状的自 调匀整控制器的机械结构平台。通过s 7 2 0 0p l c 、伺服电机、触摸屏和自行研制 的棉条检测传感器实现了并条机开环自调匀整控制的设计，利用伺服电机位置控 制精度高的特点，提出棉条从传感器检测点到变速点的定位匀整新控制方法，并 与棉条定长检测、罗拉速度检测等相结合，设计出相应的匀整控制系统。另外也 进行了基于p r o f i b u s d p 总线技术的并条机网络监控系统方案的设计。 最后通过棉条数据读取实验、干扰实验和匀整实验的调试，检验了棉条检测 传感器的线性度、灵敏度和分辨力，验证了自调匀整系统对棉条厚度变化的分辨 能力，通过匀整前后棉条厚度的对比，体现出所设计的并条机自调匀整系统在实 验调试阶段实现了匀整功能。 总之，本课题设计的棉条检测传感器与开环自调匀整控制系统为今后自调匀 整技术的发展做出一定的贡献。 关键词：并条机自调匀整开环控制棉条检测 广东工业大学工学碗士论文 a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h er e s e a r c hi st od e s i g nam o r ea d v a n c e da u t o l e v e l l i n gs y s t e m i tc a na c h i e v e dt h eg o a lo ft r a n s f o r m a t i o no ft h eo l dm o d e lf a 3 0 2 ，i no r d e rt oe n h a n c e t h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o n a n dt h ed e s i g no fan e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ，t oa c h i e v e t h ew h o l eo ft h ew o r k s h o pa n dt h ep r o d u c t i o np r o c e s sm o n i t o r i n g t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h es t a t u so fa u t o l e v e l l e rt e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n ta t h o m ea n da b r o a d ，a n dc o n t r a s te a c hf o r mo f a u t o l e v e l e rc o n t r o l ，f i n a l l yc h o s et h e o p e n l o o pc o n t r 0 1 w h i c hm e a n sm o r et a r g e t e d ，a sl o n ga st h ec o t t o ns l i v e rt h i c k n e s s m e a s u r e m e n ta c c u r a c y ，t h ed e l a yb e t w e e nd e t e c t i o np o i n ta n dl e v e l i n gp o i n tg r a s p p r o p e r l y , d r a f t i n ga p p r o p r i a t em u l t i p l e s ，w ec a a c h i e v eg o o dr e s u l t so fl e v e l i n g ，a n d t h ec u r r e n ti n t e r n a t i o n a la d v a n c e dt e c h n o l o g yo fa u t o l e v e l e rm o s t l yi d e n t i f i e da s o p e n l o o pf o r m a st h eo p e n l o o pc o n t r o lr e q u i r ea c c u r a t em e a s u r e m e n to ft h i c k n e s s ，t h u st h e t o p i co ft h es l i v e rs e n s o rt e c h n o l o g i e s ，a n dl e v e r a g e ，l v d ta n da d 6 9 8w i t ht h e a p p l i c a t i o no ft e c h n o l o g yt od e s i g nas u i t a b l er i g h to ft h em a c h i n ea n df e e ds l i v e r d e t e c t i o ns e n s o r sn o to n l yh i g ha c c u r a c y ，s m a l lm e c h a n i c a li n e r t i a ，s i m p l es i g n a l p r o c e s s i n gc i r c u i t ，b u ts o l v i n gt h ep r o b l e mt h a ti nt h ef a c eo fp r e c e s s i n gt e c h n o l o g i e s c h a n g e ，s l i v e rs e n s o r w i t he m b o s s i n gr o l l e ra n dl a d d e rr o l l e r ，n e e dt or e p l a c et h e d i f f e r e n td e t e c t i o nr o l l e r i na l l u s i o nt ot h em a d em a c h i n es t r u c t u r e ，w ed e s i g nam o r ea p p r o p r i a t es t a t u so f t h ea u t o l e v e l l e rc o n t r o l l e r sp l a t f o r mf o rf a 3 0 2 t h e nt h r o u g ht h es 7 2 0 0p l c s e r v o m o t o r ，t o u c h s c r e e na n dd e v e l o p e ds l i v e rs e n s o ra n dt h er e a l i z a t i o no ft h ed e s i g no ft h e a u t o l e v e l i n gc o n t r o l l e r , u s ep o s i t i o nc o n t r o ls e r v om o t o rf e a t u r e sh i g ha c c u r a c y ，m a d e s l i v e rf r o mt h ep o i n to fd e t e c t i o ns e n s o rv a r i a b l ep o s i t i o n i n gp o i n tl e v e l i n gn e w c o n t r o l m e t h o d s ，a n dw i t hf i x e d - l e n g t h s l i v e r d e t e c t i o n ，r o l l e rs p e e dd e t e c t i o n c o m b i n i n gd e s i g nt h el e v e l i n gc o n t r o ls y s t e m w ea l s od e s i g nt h es y s t e mb a s e do n t h ep r o f i b u s - d pt e c h n o l o g yo ft h e c o m p u t e rn e t w o r ka n ds y s t e m m o n i t o r i n g p r o g r a m f i n a l l yt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lr e a d d a t a o fc o t t o ns l i v e r ，i n t e r f e r e n c ea n d l e v e l i n ge x p e r i m e n t sa n de x p e r i m e n t a ld e b u g g i n g ，w e t e s t e dt h es l i v e rs e n s o r s i i l i n e a r i t y , s e n s i t i v i t ya n dr e s o l u t i o n m a k et h ec e r t i f i c a t i o no ft h er e s o l u t i o no ft h e e n t i r es y s t e ma u t o l e v e l l e rs l i v e ro ft h i c k n e s sc h a n g e s l e v e l i n ga r o u n dt h es l i v e rb y t h et h i c k n e s so fc o n t r a s te m b o d i e dt h a tt h e d e s i g no ft h em a c h i n ea n da u t o l e v e l l e r s y s t e mi nt h ee x p e r i m e n t a ls t a g eo ft e s t i n gl e v e l i n gf u n c t i o n i ns h o r t ，t h et o p i c sd e s i g n e ds l i v e rs e n s o rw i t ht h eo p e n 1 0 0 pa u t o l e v e l l e rc o n t r o l s y s t e mw i l lm a k ec o n t r i b u t i o nt ot h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fa u t o l e v e l l e rt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：d r a w i n gf l a m e ；a u t o l e v e l l i n g ；o p e n - l o o pc o n t r o l ；c o t t o ns l i v e rd e t e c t i n g i i i 独剖性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个 人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的研究成果。尽我所知，除了文中 特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，不包含本人或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的， 论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字 指导教师签字： 两雉茅 和汹 伽7 年角如日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本论文研究的必要性和意义 1 1 1 课题来源 本论文所研究的课题来源于广州市科技攻关项日并条机的自调匀整及网络 化控制系统设计与实现。 1 1 2 研究必要性 并条作为纺织行业中的一道重要工序，它的控制系统主要是单机控制，而且 旧机型多采用仪表加继电器的控制结构，系统的稳定性差，人为主观因素大，成 品率低，产品质量差，系统运行和维护的成本高。即使现在一些先进的并条机采 用了性能高的p l c 控制，但仍然难以实现设备与外界之间的信息交换，这就使单 台并条机自动化系统容易形成“自动化孤岛效应1 1 1 ”。 为了提高并条工艺的效益就必须利用先进的自动化技术和信息化技术进行设 备管理信息化改造。为此，采用基于p r o f i b u s d p 现场总线设计并条机网络监控 系统，可以使使系统具有开放性高、布线安装方便、运行和维护成本低的优点，同时 可以提高系统的智能化和自动化程度。 随着市场对成纱质量要求的不断提高，纺织厂对纺机设备的要求也越来越高， 对并条机的要求就是加装短片段自调匀整装置。但一般低档的并条机( 如f a 3 0 2 ) 的并合作用，对长片段重量偏移和短片段周期性重量波动是无法解决的，而且并 条机对棉条产生牵伸不匀。 目前为了解决这种控制重量偏差和重量不匀方面的问题，项目合作公司广纺 联只能采用三种方法：一是通过定向供应；二是喂入的轻重条搭配；三是人为调 换轻重牙齿轮。而这三种方法在调节过程中均属于离线控制和滞后调节，而且存 在人为造成新的不匀的可能性，使不匀率产生波动，而如果增加自调匀整控制， 就能自动且有效地检测喂入棉条不匀并能实行在线检测在线调节牵伸倍数，从而 控制出条的质量。 总之，随着国内外并条机自调匀整技术的不断发展，带自调匀整并条机的生 广东工业大学工学硕士论文 产效率以凸显出来，这势必造成f a 3 0 2 并条机仍然想要生产出比较高质量的棉纺 产品就必须进行必要的改造。因此研究适合于这些低档并条机使用的并条机自调 匀整控制器就很有必要。 1 1 3 研究意义 1 ) 研究使用国外先进的自调匀整理念改造国内旧型并条机，可以大力度地提 高国内并条机自调匀整的设计水平，对纺织行业控制成棉质量具有重要的意义。 2 ) 研究不同于罗拉式检测的新型棉条检测传感器，对自调匀整技术的发展以 及我国纺织行业的发展有着重要的意义。 3 ) 由于研究的并条机自调匀整控制器是基于p l c 控制系统和控制网络技术 的，支持目前主流的现场总线的传输控制协议，可实现控制信息的网络化传输， 为实现自动化工厂内工业流程的控制、监督和管理自动化提供可靠的前提，因此 该课题对工厂实现全集成自动化方向的研究也有着重要的意义。 1 2 并条机自调匀整国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 目前国外先进的高速并条机一般都带有自行研制或合作开发的自调匀整系 统。代表国外并条机最新产品的是瑞士立达公司的r s b9 5 1 、r s b d 3 0 、r s b d 3 5 型，德国特吕茨勒公司的h s r l 0 0 0 、t d 0 3 及瑞士乌斯特公司的u s c 、u s g 型的 自调匀整装置。它们都是开环式短片段自调匀整系统，其匀整效果均达到或超过 匀整后l m 重量不匀率 1 以下，重量偏差 l ，匀整范围2 5 的标准 2 1 。 u s c ( u s t e rs 1 i v e rc o n t r 0 1 ) 自调匀整装置是瑞士乌斯特公司与意大利福审公司 合作研制的，能匀整1 5 2 e m 及以上片段不匀，采用t & g 测量装置即u s c 的一 对凹凸检测罗拉，测定喂入棉条的线密度和其特有的“f p ”监测装置是在线监视 和测量输出条质量，并向计算机提供信号的高精度监测信息。u s g 自调匀整系 统是鸟斯特公司的最新产品，也是目前世界上具有代表性的先进产品，采用开环 式自调匀整系统，即检测在前、匀整在后。喂入部分采用凹凸罗拉检测，匀整调 整在主机后牵伸区，与主机速度合成采用差速器形式【4 】。输出采用新一代“f p ”型 喇叭口，在线检测输出棉条重量偏差和重量不匀，适应于各类纤维的纺织。 2 第一章绪论 瑞士立达r s b9 5 1 型自调匀整并条机，其特点是以平皮带传动代替了传统的 齿形带传动，对棉条进行定长扫描控制，扫描距离为6 m m ，1 9 9 7 年推出的r s bd 3 0 新机型的间隔更小达到为1 5 m m ，克服了以前定时扫描的不足，即当棉条输入的 速度高、变化低时，定时间隔的信号间隔或条子长度随着速度的变化而变化，使 条子偏差的测量以及匀整过程的精确度受到影响【5 l 。 德国特吕茨勒公司的h s r l 0 0 0 自调匀整系统也是一种定长检测的短片段开环 自调匀整系统。但其牵伸形式是四上三下加可调压力棒曲线牵伸，其设计速度高 达1 0 0 0 m m i n ，该系统与以往自调匀整系统的最大区别是不用差动齿轮变速机构， 而由两台变频电动机直接传动牵伸罗拉。这样，既大大简化了维修及车速变更操 作，又使变速信号的传递大大加快，提高了自调匀整的灵敏性，另外，喂入棉条 的波动信号，由集棉喇叭口内的弹簧片传感器获得，与传统的凹凸罗拉传感器比 较，在测量喂入棉条的精密度和灵敏度方面显得更为优越。该传感器的测量范围， 涵盖了所有条子的粗细，简化更换凹凸罗拉操作，同时也取代了带动凹凸罗拉的 伞齿轮，保养点较少，故障源也少，匀整效果提高，这是在高速状态下，目前获 取最短匀整长度的较好方法嗍。 1 2 2 国内研究现状 国内虽然曾经研制和正在研制并条机自调匀整装置的单位很多，但真正形成 批量生产的并不多，而代表国内并条机自调匀整技术的最高水准的是航空工业总 公司6 1 3 所开发的b y z 、b y d 型自调匀整系统。 b y z 1 型是中长片段的并条机自调匀整装置，它于1 9 9 2 年2 月通过了纺机总 公司主持的技术鉴定【7 】，其性能基本达到了上世纪8 0 年代国际同类产品的水平， 该系统采用的是闭环控制的方法，机前检测全部喂入的8 根条子，通过设在主机 与导条架之间的一个匀整箱( 采用这样的技术路线对并条机主机不必做大的变动， 对新机的配套及现有设备的改造都能适用) 作为一个附加牵伸区，匀整其中2 3 根条子，即通常所说的全部检测，部分匀整。由于该装置属于闭环控制系统，理 论上存在约o 3 3 m 滞后调节，经并条机8 倍左右的牵伸后，输出棉条为3 m 左右， 这种系统与不采用自调匀整的并条机相比，对3 m 及以上的片段的不匀率有明显改 善，而对l m 、2 m 片段不匀率有所恶化。其匀整范围1 5 ，重量不匀率为1 ( 5 m 片段) p 1 。 广东工业大学工学硕士论文 1 9 9 9 年我国在开发并条机应用短片段自调匀整系统方面取得了重大突破，6 1 3 所研究出的b y d 型匀整系统在f a 3 2 3 、f a 3 2 6 成功应用 。1 。b y d 型匀整系统是一 种开环控制的短片段自调匀整装置，适纺速度2 0 0 8 0 0 m m i n ，匀整范围2 5 ， 精度 1 ( 1 m 片段) ，功能与进口u s c 装置接近，但目前b y d 的人机界面全部 采用英文，不太适应国内操作者【9 l 。 综上所述，从国内外对并条机自调匀整的研究来看，国内外并条机的自调匀 整装置比较多，国内有洛阳6 1 3 厂的b y z ，b y d 型：国外有乌斯特公司的u s c 、 u s g ，立达的r s bd 3 5 型、特吕茨勒h s r 1 0 0 0 型等。除b y z 为全部检测，部分 匀整外，其它均为全部检测，全部匀整，均为开环匀整。 1 3 本论文的主要研究内容 本论文的研究主要通过对f a 3 0 2 型并条机原理及工作特性的理解以及国内外 并条机自调匀整技术发展现状的分析，结合目前计算机和控制理论的新成果及伺 服电动机的新技术，使用德国s i e m e n s 的s 7 2 0 0 p l c 控制系统，用自行设计的 棉条检测传感器对喂入棉条检测，设计出一个自调匀整控制系统。并利用e m 2 7 7 扩展模块构成基于p r o f i b u s d p 总线技术的并条机网络监控系统。主要内容有： 1 ) 设计出适合于f a 3 0 2 并条机的特色自调匀整机械平台。这一部分是本课题 的关键点。使用国外先进的自调匀整理念改造国内旧型并条机，设计出适合于 f a 3 0 2 特点的匀整机械机构平台。从理论上分析出平台的牵伸调节方程和匀整控 制方程。 2 ) 完成棉条检测传感器的设计。这一部分是整个课题的难点和重点。设计出 把棉条粗细变化转换成位移量的机械结构，完成了通过l v d t ( 1 i n e a rv a r i a b l e d i f f e r e n t i a lt r a n s f o r m e r , 线性位移差分转换器) 进行位移量的检测原理设计，利用 a d 6 9 8 芯片设计出信号转换电路模块，最后通过实验的方法对传感器的性能进行 了分析，得出传感器具有很好的线性度和分辨率的特点。 3 ) 完成并条机自调匀整控制系统的设计。这部分是整个课题的主要内容。主 要基于西门子s 7 2 0 0p l c 、松下伺服电机、海泰克触摸屏、自行研制的棉条检测 传感器和机械平台实现了并条机开环自调匀整控制硬件系统；利用伺服电机位置 控制精度高的特点，提出棉条从传感器检测点到变速点的定位匀整的新控制方法， 并与棉条定长检测、罗拉速度检测等相结合，设计出相应的软件控制系统。 4 第一章绪论 4 ) 完成并条机自调匀整实验阶段的调试工作。用实验的方法验证了系统对棉 条厚度变化的分辨能力，也初步看到系统匀整控制的效果。 5 ) 设计出基于p r o f i b u s d p 总线技术的并条机网络化控制系统方案。 1 4 本论文章节安排 本文共有八章节，各章内容安排如下： 第一章为绪论部分，主要讲述了本课题研究的必要性、意义，国内外的发展 现状的研究现状，然后提出本论文主要所研究的内容。 第二章：论述了并条机自调匀整控制系统的设计方案。 第三章：详细阐述了棉条检测传感器的设计方法和性能调试。 第四、五章：详细讲述了并条机自调匀整控制系统的硬件、软件具体的设计 与实现。 第六章：介绍了基于p r o r f i b u s d p 总线技术的并条机网络监控系统设计方 案。 第七章：主要讲了对并条机自调匀整控制系统的调试和结果分析。 第八章是结论部分，对本论文取得的成果进行了总结，讨论了有待进一步解 决的问题。 广东工业大学工学硕士论文 第二章并条机自调匀整控制系统设计方案 2 1 并条机的开环自调匀整控制系统设计方法 2 1 1 并条机自调匀整基本原理 并条机自调匀整是属于自动控制的一种形式，它能根据喂入或输出棉条重量 的偏差( 与额定值的差值) ，通过改变喂入罗拉或输出罗拉的速度的办法，相应地调 节牵伸装置的牵伸倍数，使纺出棉条的重量，保持一个稳定的符合要求的数值， 其经典的自调理论非常简单，一般都是根据喂入的棉条的线密度与额定值( 额定值 可根据输出的设定值和输入和输出的额定牵伸倍数确定) 的差异调节机器的牵伸 倍数，使输出的棉条的线密度保持在设定值附近f 2 】【9 j 。 2 1 2 并条机自调匀整控制形式的确立 并条机自调匀整装置一般有开环、 1 ) 开环控制的自调匀整装置 开环控制的自调匀整装置如图2 1 中的控制回路是非封闭的。 闭环及混合环三种形式。 所示，其主要特点是先检测后控制，系统 图2 1 开环控制的自调匀整装置 f i g 2 - lo p e n l o o pc o n t r o la u t o l e v e l l i n gd e v i c e 开环系统只进行调节，不能核定调节结果f l o 】，故开环系统在使用前必须精确 校正，在正常工作时还要保持标准的参数不能改变。同时，开环系统各环节参数 变化或外界干扰引起的偏差也无法修正，易使棉条重量产生偏差，所以开环系统 6 第二章并条机自调匀整控制罂设计方案 运行的稳定性较差。 。 但是开环系统属于针对性匀整，调节性能好，在开环系统中，喂入纱条的重 量是在尚未进入牵伸装置时由检测机构检测的，在这种情况下，只要控制系统的 延时时间与纱条通过检测点到匀整点之间所需的时间配合得当，牵伸倍数的变化 与纱条厚度变化成合适的正比关系，就可以消除一定频率范围的不匀波。这类系 统是按照补偿原理工作的，匀整效果较好，主要用于匀整短片段不匀l 。 2 ) 闭环控制的自调匀整装置 闭环控制的自调匀整装置如图2 - 2 所示，其主要特点是先调节后检测，在系 统中控制回路是封闭的。 图2 2 闭环控制的自调匀整装置 f i 9 2 2c l o s el o o pc o n t r o la u t o l e v e l l i n gd e v i c e 闭环系统是先匀整后检测，因此它不能匀整波长小于或等于匀整点到检测点 距离的不匀波。从匀整点到检测点的距离称为匀整死区，其所需运行的时间称为 死时。匀整死区的存在是闭环系统的主要特性之一，它决定了闭环系统主要是匀 整长片段的不匀波。因闭环系统的针对性不强，故适宜于长片段的不匀，不匀的 规律性越强，匀整作用越佳。中片段的不匀往往易造成系统的误动作，反而使中 片段的均匀度恶化。因此，采用闭环系统，虽对长片段或很长片段的不匀有显著 效果，但对中片段或中短片段的不匀有恶化的可能【1 1 1 。 3 ) 混合环的自调匀整装置 混合环的自调匀整装置如图2 3 所示，其特点是在牵伸的调整系统中，既有 开环控制又有闭环控制。 混合环的自调匀整装置兼有开环和闭环的优点，既能保持匀整效果，又能自 动修正各种波动所造成的偏差，从理论上是一种最为科学的控制方法。其中文献 1 2 1 4 都采用模糊控制、神经网络控制的方法进行了研究，但是由于这种方法在 7 广东工业大学工学硕士论文 结构技术上复杂，在经济上的花费大】，因此，目前采用这种方式很少。 图2 3 混合环的自调匀整装置 f i g 2 3m i xl o o pc o n t r o la u t o l e v e l l i n gd e v i c e 总之，闭环控制存在检测点到匀整点的一段匀整死区，理论上只能匀整较长 片段的不匀；而开环控制，针对性较强，只要棉条厚度测量准确、检测点到匀整 点的延时把握得当，牵伸倍数合适，可以取得良好的匀整效果，这一点己在实践 中得到证实m j 。目前国际先进的自调匀整技术大都确定为开环形式m l ，瑞士立达 和德国特吕茨勒公司最新产品就采用了开环控制。对于并条机来说，棉条喂入口 与棉条输出口相比有速度低、棉条粗得多的特点，这就使得在棉条喂入口进行棉 条厚度检测可以得到高精度的保证，这就有利于开环控制形式的实现。因此，通 过对以上各种控制形式的对比、以及对目前国际上采用开环控制的原因分析、最 后确定了我们所设计的自调匀整控制系统为开环形式。 2 1 - 3 单眼自调匀整开环控制系统 系统结构如图2 - 4 所示，其工作原理为：通过触摸屏对系统进行参数设定和 发出开机指令，主电机拖动第一、二、三罗拉保持设定的恒定速度运转。而匀整1 罗拉与第三罗拉速度始终保持一致，p l c 系统会从喂入检测部分采集棉条厚度数 据，经过一定算法处理后又通过对伺服电机速度的控制进行改变匀整2 罗拉的速 度，以完成对匀整1 、2 罗拉之间牵伸比的调节，并最终实现自调匀整的功能。由 于控制方式是先检测后匀整，因此准确地说，我们所采用的控制方式应为带补偿 性的开环控制。 另外，考虑到开环控制系统，不能确定结果，因此在输出部分增加一个棉条 检测传感器，它不参与控制，只是对输出棉条质量进行监测，结果显示在触摸屏 8 第二章并条机自调匀整控制器设计方案 上。当输出棉条出现明显异常时，p l c 系统也会根据棉条质量监测的结果进行一 些必要的改进措施。 图2 - 4 自调匀整开环控制系统 f i g 2 4a u t o l e v e l i n go p e nl o o pc o n t r o ls y s t e m 2 2 并条机自调匀整机械平台设计 针对f a 3 0 2 并条机的机械结构特点， 修改很不方便，而且机体内部空间有限， f a 3 0 2 并条机旧的机械结构已经定型， 故匀整控制器只能设计成独立的模块， 于是借鉴了德国特吕茨勒h s r l 0 0 0 并条机匀整机构的经验，我们设计出一种比较 适合f a 3 0 2 现状的自调匀整控制器的机械结构平台。 9 广东工业大学工学硕士论文 2 2 1 并条机自调匀整平台设计方法 总体的设计方法是：把f a 3 0 2 并条机的导条架后移1 米左右，在机后设计一 个独立的匀整控制平台系统，导条架的传动由匀整平台控制，同时把f a 3 0 2 第三 罗拉的动力从机后通过齿型皮带引出来带动匀整平台上匀整1 罗拉，但必须保证 二者始终同步，即线速度要相等，否则在运行状态很容易出现堆棉或棉条被拉伸 的现象。在匀整平台再构建一个牵伸系统，专门用来匀整。控制方案选择的是带 补偿性的开环控制，因此在平台上还要设计相应的棉条检测模块。有关匀整平台 的设计示意图见图2 5 。 1 r 匀整平台机构2 导棉平台3 棉条检测传感器4 给棉罗拉5 匀整1 罗拉6 匀整2 罗拉 7 匀整牵伸系统8 伺服电机9 导棉器1 0 并条机第三罗拉1 1 传动皮带1 2 导条架传动轴 1 3 吸风装置1 4 抽棉罗拉1 5 f a 3 0 2 并条机导条架机构 图2 5 匀整平台结构设计示意图 f i g 2 - 5s k e t c hm a po ft h es t r u c t u r a ld e s i g no fl e v e l e rp l a t f o r m 本系统所设计并条机自调匀整控制器的机械设计部分主要由以下4 个模块组 成：棉条检测模块，动力传动模块；匀整牵伸模块；机座模块。各模块的主要内 容为； 1 ) 棉条检测模块：由抽棉罗拉，棉条检测传感器、给棉罗拉等组成。其主要 作用是把棉条引入匀整平台，并实现传感器对喂入棉条的厚度检测。其中传感器 与抽棉罗拉距离可以灵活调节。 1 0 第二章并条机自调匀整控制器设计方案 2 ) 匀整牵伸模块：由匀整l 罗拉、匀整2 罗拉、皮辊和摇架组成。这部分的 主要功能对进入牵伸区的棉条进行牵伸工艺处理。其中为了适应加工棉条型号的 改变或工艺改变的要求，匀整1 罗拉、匀整2 罗拉的中心矩设计成可以灵活调节。 3 ) 动力传动模块：由伺服电机、齿型皮带轮和同步带、减速机构、张力轮、 各罗拉轴等组成。这部分机构的主要功能是引导棉条从导条架到匀整平台，并通 过检测机构，最终送入并条机主机喂棉口。考虑到传动系统避免对棉条的额外牵 伸，匀整2 罗拉、抽棉罗拉、给棉罗拉的线速度进行了同步设计，统一由伺服电 机带动，传动比相等、罗拉直径相等。 4 ) 机座模块：由匀整平台机构、减速机构架和电动机支架、落地立柱、保护 罩、吸风装置、导棉器以及与导条架连接部分组成。这部分的主要功能是为以上 三个模块机构提供工作的平台。 由于篇幅有限，这里不详细介绍每个模块具体的机械零件设计，图2 - 6 为 设计加工完成的匀整平台实物图。 图2 - 6 匀整平台实物图 f i g 2 - 6p h y s i c a lm a po fl e v e l e rp l a t f o r m 广东工业大学工学硕士论文 2 2 2 并条机自调匀整平台模型分析 并条机自调匀整系统的作用主要是通过匀整平台中牵伸模块实现，下面就本 系统设计的牵伸模块进行分析，利用数学表达式依次建立牵伸的基本方程和自调 匀整的基本方程。 2 2 2 1 牵伸的基本方程 牵伸的基本方程反映牵伸过程的前后棉条定重的变化规律，从中可以探索自动 调节输出棉条的定重和均匀度，达至额定值的允许公差范围的途径，进而建立自 调匀整的基本方程。 这里设： v l 从匀整l 罗拉输出棉条的线速度 v 2 从匀整2 罗拉喂入棉条的线速度 w l 一一从匀整1 罗拉输出棉条单位长度重量 w 2 一一从匀整2 罗拉喂入棉条单位长度重量 q 一一匀整牵伸区中棉条的存储量 则：v 2 w 2 一一单位时间内从匀整2 罗拉喂入匀整牵伸区的棉条重量 v 1 w l 一一单位时间内匀整牵伸区从匀整1 罗拉输出棉条重量 q 一一q 的瞬时变化值 在实际牵伸过程中，由于纤维变速点分布存在着波动性，即瞬时变动的纤维 数量忽多忽少，所以牵伸区中的存储量，即存在着a q 值。 v l w l = v 2 w 2 士q( 2 1 ) 式( 2 1 ) 即为牵伸基本方程式，它反映了喂入和输出棉条定重，与牵伸区存储 量三者之间的关系，也说明在实际牵伸中，单位时间内喂入牵伸区的棉条重量并 不等于输出牵伸区的棉条重量。 纤维的变速越稳定，即牵伸越正常，f l , t j k q 值越小。在理想的、均匀牵伸条 件下，假定纤维的变速点分布固定，同一瞬间变速纤维的数量相等，则q = 常量， q = o ，则有： v 1 w 1 = v 2 w 2( 2 2 ) 在研究棉条的自调匀整时，为简化问题，按照式( 2 2 ) 理想的均匀牵伸条件 第二章并条机自调匀整控制罂设计方案 进行分析探讨。 2 2 2 2 自调匀整的基本方程 匀整方程式指的是牵伸调节方程式，它反映了瞬时牵伸倍数，随喂入棉条重 量w 2 的波动而变化的规律。通过匀整方程式可以找出调整瞬时牵伸，以控制纺出 棉条重量w ，并改善棉条均匀度的途径。 按照理想的均匀牵伸条件有： w 1 = v 2 w 2 v l 由于喂入棉条存在不匀，即w 2 总有波动，令 w 2 = w o + w 此处w o 一一喂入棉条的额定重量 w 一喂入棉条的实际重量w 2 和额定重量w o 之间差值即喂入重量偏差 则上式可写成： w l = v 2 ( w o + a w ) v l = ( w o + a w ) e( 2 3 ) 此处，e 一牵伸倍数，等于输出棉条线速度与喂入棉条线速度之比，即e = v 1 v 2 。 分析式( 2 3 ) ，牵伸倍数是调节对象，即e 是变量 e ( t ) 】。为了获得匀整产品，要求 输出棉条重量w 1 保持常量，这就是自调匀整的目的。就是要求式( 2 3 ) 中w i = 常量 时，调整两个变量w 与e 之间的相互关系。 设e o 为设计的额定牵伸倍数，则在理想的喂入条件时，假定喂入棉条十分均 匀，重量符合设计的额定重量w o 则w l = w o e o = 常量( 2 4 ) 从2 3 、2 4 式得： w 1 2 ( w o + aw ) e ( t ) 2w o e o e ( t ) = e o ( 1 + a w w o )( 2 5 ) 2 5 式称为自调匀整基本方程式。它给出了要调节的牵伸倍数e ( t ) ，与喂入纱 条定重的变化量( 偏差值) a w 之间的关系。 由2 5 式可知，牵伸倍数的调节是以喂入纱条重量偏差的大小为依据的。即瞬 时牵伸倍数e ( t ) 应随着喂入半制品的定重偏差w 的增大而增大，应随着它的减 少而减少。 当然从纺纱工艺的观点来看，公式( 2 5 ) 就是自调匀整基本方程式，只是一 銮三些奎兰三兰堡圭丝塞 个粗略公式，如果考虑到种种影响牵伸的因素，诸如喂入半制品截面内纤维的根 数，和纤维的头端密度的波动幅度与相位等，公式( 2 5 ) 必须加以修i t l l s 。 由于本系统采用的是匀整1 罗拉速度固定，通过匀整2 罗拉变速方式，则 e ( t ) = v l v 2 ( t )( 2 6 ) 上式的意义是：匀整2 罗拉的速度变化与匀整牵伸比成双蓝线关系。 那么不考虑动态方面的影响，由2 2 、2 5 、2 6 式可得到匀整2 罗拉的匀整控 制方程： e ( t ) = w 2 ( t ) w l ( 2 7 ) v 2 ( t ) = v lw i w 2 ( t ) ( 2 8 ) 2 7 式说明牵伸比与喂入棉条的单位长度的重量成正比。2 8 式说明匀整2 罗 拉的线速度与喂入棉条的单位长度的重量成双曲线关系。 由于本机械平台设计时，匀整1 罗拉与匀整2 罗拉的直径相同，则由2 ，8 式又 可得到； n 2 ( t ) = n l w l w 2 ( t ) ( 2 9 ) 2 9 式说明匀整2 罗拉的转速与喂入棉条的单位长度的重量成双曲线关系。这 个关系是就是依据喂入匀整牵伸曲棉条的厚度来改变匀整2 罗拉转速的匀整控制 原理。 对于并条机牵伸系统的研究，有静态模型和动态模型，静态数学模型比较简 单，容易分析。但要设计高质量的，能适应高速的自调匀整系统，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吣】，国外一些专家和学者 很早就从事这一方面的工作，但主要是物理建模。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 2 0 心i t ”1 。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，难以用在控制 工程中1 1 2 4 1 。现代的一些高级控制，智能控制用得较少，相关文献也较少 2 5 2 6 1 。因 此，正是动态模型的复杂性，难于建模，本系统也就主要分析静态方面的模型， 并作为控制的主要依据。 1 4 第二章并条机自调匀整控制器设计方案 2 3 本章小结 本章首先通过对并条机自调匀整现有控制方式的特性对比，结合目前国内外 先进的自调匀整控制形式，设计出并条机单眼自调匀整开环控制系统的方案，以 及适合于f a 3 0 2 特点的匀整机械机构平台，并从理论上分析出平台的牵伸调节方 程和匀整控制方程。 1 5 广东工业大学工学硕士论文 第三章棉条检测传感器设计 棉条检测传感器主要应用于纺织行业的前纺阶段，如安装于并条机、梳棉机 上，从而实现棉条的质量控制和加工后棉条的条干分析。目前市场上并条机自调 匀整装置的棉条检测部分主要是采用凹凸罗拉加高精度位移传感器进行检测，该 方式虽然简单、实用，但是由于其惯量较大，在并条机高速运转时很难达到较高 的灵敏度，如何选择更好、更有效的检测方法，就成为研究的一个重点【2 7 】。国外 的生产厂家也在进行这方面的研究，像特吕茨勒公司的h s r l 0 0 0 所采用的传感器， 据称就可以获得更高的测量精度和灵敏度i ”。但由于国外对作为关键技术的棉条 检测传感器在国内市场销售的限制以及附加配套设备的高附加值的要求，使国内 精纺设备中的棉条检测及自调匀整系统的应用推广受到一定的限制。因此要进行 并条机的自调匀整控制系统设计就很有必要研究棉条检测传感器 本系统自行设计了一款不同于目前市场主流的凹凸罗拉式、阶梯罗拉式的棉 条检测传感器，而是基于a d 6 9 8 和l v d t 的新型棉条检测传感器，其优点是结构 紧凑，成本低，实用性强，检测精度高，而且测量范围连续可调。 棉条检测传感器的功能是把喂入传感器的棉条不匀交化量按一定的关系转换 成电量信号，具体的实现方法分两步。第一步：研究一种不同于凹凸罗拉式棉条 检测传感器的机械结构，这种结构能很方便地把棉条的粗细不匀变化转换成一个 可以检测的位移量；第二步：通过高精度的位移传感器把这个位移量检测出来， 并设计一个信号变送电路把这个位移量转换成电量信号输出。 3 1 棉条检测传感器的检测机构设计 棉条检测传感器的结构如图3 1 所示，主要由传感器机械外壳、喇叭口、检 测舌簧杆、l v d t 传感器、信号变送电路、初始位置校正柄、固定弹簧等组成。其 工作机理是：当棉条通过传感器时，会被收集到一个固定的小喇叭口内，这个喇 叭口内只有一个面是活动的，而且这个活动的面就是检测舌簧杆的舌尖。这样， 当喇叭口内的棉条的粗细发生变化时，舌簧杆的舌尖就会发生相应的摆动。由杠 杆原理可知，舌簧杆舌尖的摆动使舌簧杆末端年相应产生一个变化的位移量。这 样就实现了第一步：把棉条的不匀变化量转换成舌簧杆末端的位移量。下一步的 1 6 第三章棉条检酒传感器设计 工作就是选择一款高精度的外置铁芯的l v d t 传感器，如图3 1 所示，把l v d t 的铁芯固定在舌簧杆的末端，根据文献 2 8 2 9 l v d t 的工作原理，这时机械位移 量信号就会转换成电量信号从l v d t 信号变送电路输出。这样就实现了将棉条不 匀变化按一定的关系转换成电量信号的棉条检测功能。 图3 1 棉条检测传感器结构图 f i g 3 1s t r u c t u r eo fc o t t o ns l i v e rd e t e c t i n gs e n s o r 这种新型传感器的一个重要的特色是：解决了凹凸罗拉式、阶梯罗拉式棉条 检测传感器面对加工工艺的变化，必须更换不同的检测罗拉的问题。比如，当加 工棉条由6 根变为8 根时，只能通过更换大号的凹凸罗拉或