摘 要：本文介紹特寬幅織機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法,。主要介紹經(jīng)軸退繞過(guò)程數(shù)學(xué)模型,、送經(jīng)伺服控制系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、卷取控制系統(tǒng)以及送經(jīng)－卷取同步控制系統(tǒng),?；跀?shù)學(xué)模型，完成了控制系統(tǒng)組態(tài),。在控制算法方面,，除了常規(guī)的張力閉環(huán)和速度閉環(huán)控制外，還應(yīng)用了自整定,、信號(hào)自適應(yīng),、變?cè)鲆嬉约岸嗄B(tài)等先進(jìn)控制策略?？棛C(jī)已投入生產(chǎn)使用,，用戶取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
關(guān)鍵詞 ：特寬幅織機(jī)　退繞過(guò)程數(shù)學(xué)模型　自整定　信號(hào)自適應(yīng)　變?cè)鲆?多模態(tài)控制
1.引 言
（1） 應(yīng)用行業(yè)
產(chǎn)業(yè)用織物包括機(jī)織土工布,、工業(yè)用呢和工業(yè)用網(wǎng),。這類織機(jī)具有特寬幅、超重型的特點(diǎn),，一般幅寬在4至18米之間，最寬可達(dá)30米,。國(guó)外只有少數(shù)幾家公司能夠生產(chǎn)特寬幅織機(jī),。因此，研究特寬幅織機(jī)控制系統(tǒng)具有重要意義,。研制的控制系統(tǒng)也適用于通用織機(jī),。
（2）使用的產(chǎn)品
特寬幅織機(jī)控制系統(tǒng)如圖1所示。使用歐姆龍公司中大型——CS1系列PLC,，包括PA209R（電源單元）,、CS1H-CPU65H（CPU單元）、CP114（凸輪定位器單元）,、CT041（高速計(jì)數(shù)器單元）,、AD081-V1（模擬量輸入單元）、DA08V（模擬量輸出
單元）,、ID231（DC輸入單元）,、OD231（晶體管輸出單元）、OC211（繼電器輸出單元）,、INT01（中斷輸入單元）,、ENT21（Ethernet單元）、CPU底板以及擴(kuò)展底板等,。
2.應(yīng)用的主要工藝點(diǎn)及要解決的主要問(wèn)題
特寬幅織機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示,。系統(tǒng)由送經(jīng)伺服控制系統(tǒng)、 卷取控制系統(tǒng)、送經(jīng)與卷取同步控制系統(tǒng),、織機(jī)啟動(dòng)/制動(dòng)控制系統(tǒng),、測(cè)長(zhǎng)及定長(zhǎng)控制系統(tǒng)、液壓投梭控制系統(tǒng),、引緯控制系統(tǒng),、單動(dòng)多臂機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)及自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成。主要工藝點(diǎn)是特寬幅織機(jī)五大運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行和最佳匹配,?？棛C(jī)在織造過(guò)程中，對(duì)張力（包括經(jīng)紗張力,、織物張力,、緯紗張力等）、速度（包括送經(jīng)速度,、卷取速度,、提綜速度、打梭棒打梭速度,、引緯速度等）和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作與結(jié)束動(dòng)作的時(shí)間配合等要求很嚴(yán)格,，若控制不當(dāng)或彼此之間配合不好，將會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率,，甚至?xí)l(fā)生嚴(yán)重的生產(chǎn)事故,，影響人身安全。
要解決的主要問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的高精度協(xié)調(diào)運(yùn)行,，保證經(jīng)紗張力,、緯紗張力及織物張力符合工藝規(guī)定的數(shù)值。

3.應(yīng)用方案簡(jiǎn)介
織機(jī)的控制系統(tǒng)包括10個(gè)控制子系統(tǒng)：
（1） 送經(jīng)控制系統(tǒng),；
（2） 卷取控制系統(tǒng),；
（3） 送經(jīng)與卷取同步控制系統(tǒng)；
（4） 織機(jī)的啟動(dòng)控制系統(tǒng)（包括正常啟動(dòng),、點(diǎn)動(dòng),、投一梭、前心,、后心,、上軸）；
（5） 織機(jī)的制動(dòng)控制系統(tǒng)（包括正常關(guān)車,、斷經(jīng)自停,、斷緯自停、滿匹停車,、護(hù)經(jīng)檢測(cè)自停,、緊急制動(dòng)）,；
（6）測(cè)長(zhǎng)及定長(zhǎng)控制系統(tǒng)；
（7）液壓投梭控制系統(tǒng),；
（8） 引緯控制系統(tǒng),；
（9） 單動(dòng)多臂機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；
（10）自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng),。
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由IPC610H型工控機(jī),、CS1型可編程控制器（PLC）、SR93型智能調(diào)節(jié)器及觸摸屏等組成,?？棛C(jī)的運(yùn)動(dòng)控制、順序控制和邏輯控制任務(wù)由CS1型可編程控制器來(lái)完成,；溫度和壓力控制任務(wù)由SR93型智能調(diào)節(jié)器來(lái)完成,。采用PWS6800C-P型觸摸屏，用于工藝參數(shù)設(shè)定,、變量數(shù)值顯示,、織機(jī)的開車、停車以及報(bào)警等,。
4.應(yīng)用方案詳細(xì)介紹
4.1 送經(jīng)伺服控制系統(tǒng)（電子送經(jīng):ELO）
（1） 送經(jīng)伺服控制系統(tǒng)組成
送經(jīng)伺服控制系統(tǒng)由經(jīng)軸,、減速器1、伺服電機(jī)1,、伺服驅(qū)動(dòng)器1,、導(dǎo)輥、后梁,、經(jīng)紗張力檢測(cè)、編碼器,、可編程控制器,、工控機(jī)以及觸摸屏等組成。其作用是：織機(jī)每引一緯,，經(jīng)軸送出定量的經(jīng)紗,，并給經(jīng)紗以一定的張力，以滿足開清梭口,、打緊緯紗的要求,，獲得一定緊度和結(jié)構(gòu)的織物。
（2） 經(jīng)軸退繞過(guò)程數(shù)學(xué)模型
為了有效地對(duì)經(jīng)軸退繞過(guò)程進(jìn)行控制,首先要建立退繞過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,。
經(jīng)軸上經(jīng)紗的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jb為：

轉(zhuǎn)矩平衡方程式為：

以上,，式（1）～（13）描述了經(jīng)軸退繞過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特征，為非線性,、時(shí)變數(shù)學(xué)模型,。
（3） 經(jīng)軸退繞伺服控制系統(tǒng)
針對(duì)退繞過(guò)程的數(shù)學(xué)模型來(lái)設(shè)計(jì)退繞伺服控制系統(tǒng)。控制策略包括經(jīng)紗張力閉環(huán)控制,、變?cè)鲆妫ㄔ鲆嬲{(diào)度）,、變積分時(shí)間常數(shù)控制、信號(hào)自適應(yīng)控制和多模態(tài)控制,。
•張力閉環(huán)控制
根據(jù)式（10）,、式（11）和式（13），經(jīng)軸半徑r1在退繞過(guò)程中是逐漸減小的,，如果經(jīng)軸角速度不變,，則線速度V1也逐漸減小，導(dǎo)致每織一緯的送經(jīng)量逐漸減少,，造成經(jīng)紗張力F逐漸增大,，這是不允許的。為了使經(jīng)紗張力穩(wěn)定在設(shè)定值上,，首先實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)控制即張力閉環(huán)控制,。
•變?cè)鲆妗⒆兎e分時(shí)間常數(shù)控制
根據(jù)誤差的大小自動(dòng)改變?cè)鲆嬷岛头e分時(shí)間常數(shù),，達(dá)到響應(yīng)快,、抑制超調(diào)和無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差的目的，這就是智能控制的思路,。由PLC實(shí)現(xiàn)變?cè)鲆?、變時(shí)間常數(shù)控制。為實(shí)現(xiàn)這種控制,，在控制程序中應(yīng)用BCMP（68）指令,，將誤差劃分為16級(jí)，即16個(gè)范圍,，當(dāng)誤差落在某個(gè)范圍內(nèi)時(shí),，相應(yīng)的位變?yōu)镺N，則調(diào)出相應(yīng)的增益值和積分時(shí)間常數(shù),。共有16個(gè)增益和16個(gè)積分時(shí)間常數(shù)可供自動(dòng)調(diào)用,，根據(jù)誤差大小自動(dòng)改變控制器的參數(shù)，從而穩(wěn)定了經(jīng)紗張力,。
• 信號(hào)自適應(yīng)控制
根據(jù)經(jīng)軸的實(shí)際半徑,，即每當(dāng)經(jīng)軸退繞一層紗線，控制器就自動(dòng)地改變控制輸出,，通過(guò)傳動(dòng)鏈?zhǔn)顾徒?jīng)量保持在設(shè)定值上,，這就是信號(hào)自適應(yīng)控制。經(jīng)軸半徑信息由式（10）求得,，退繞層數(shù)n1由編碼器PG1的脈沖數(shù)經(jīng)計(jì)算得到,。在張力閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上,，采用變?cè)鲆妗⒆兎e分時(shí)間常數(shù)和信號(hào)自適應(yīng)控制,，有效地減輕了張力閉環(huán)控制的負(fù)擔(dān),，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，穩(wěn)定了經(jīng)紗張力,。
4.2 卷取伺服控制系統(tǒng)（電子卷取:ETU）
卷取伺服控制系統(tǒng)由工控機(jī),、PLC、觸摸屏,、伺服驅(qū)動(dòng)器2,、伺服電機(jī)2、減速機(jī)2卷取輥,、導(dǎo)輥,、胸梁、張力傳感器2以及編碼器等組成,，其任務(wù)是與主機(jī)旋轉(zhuǎn)保持同步,，變緯密自適應(yīng)，卷取輥應(yīng)提供足夠的握持力,，保證穩(wěn)定地傳送織物,。
4.3 送經(jīng)與卷取同步控制
送經(jīng)與卷取同步控制裝置的作用是在織機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，保持最精確的緯密和恒定的經(jīng)紗張力,，也就是保證送經(jīng)與卷取完全同步,，并且與織機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)同步。
PLC讀取經(jīng)紗張力傳感器信號(hào),、送經(jīng)量編碼器PG2信號(hào),、織物緯密傳感器信號(hào)、織物張力傳感器信號(hào),、主軸編碼器PG3信號(hào)和卷取量編碼器PG4信號(hào),，根據(jù)式（13），協(xié)調(diào)送經(jīng),、開口和卷取伺服系統(tǒng)，保證經(jīng)紗張力恒定和緯密精確,，并防止停車檔產(chǎn)生,。
4.4 伺服系統(tǒng)的自整定
（1） 常規(guī)自動(dòng)增益整定（nominal gain auto-tuning）
按照預(yù)設(shè)定（內(nèi)部設(shè)定）的模式使電機(jī)加速和減速，可從所需轉(zhuǎn)矩計(jì)算負(fù)載的慣量,，然后根據(jù)慣量自動(dòng)地決定適當(dāng)?shù)脑鲆妗?br /> （2） 實(shí)時(shí)自動(dòng)增益整定（real time gain auto-tuning）
在實(shí)際運(yùn)行期間,，實(shí)時(shí)地計(jì)算當(dāng)時(shí)的負(fù)載慣量，自動(dòng)地確定適當(dāng)?shù)脑鲆?，并根?jù)負(fù)載的起伏及時(shí)地整定增益,。在整定前要選擇機(jī)械剛性,。還要根據(jù)負(fù)載情況選擇實(shí)時(shí)自動(dòng)整定模式，分為負(fù)載慣量幾乎不變化,、負(fù)載慣量變化小和負(fù)載慣量變化快三種,。實(shí)踐證明，增益自整定顯著地改善了伺服驅(qū)動(dòng)器,、伺服電機(jī)以及機(jī)械裝置之間的匹配性能,，縮短了系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間。
5.應(yīng)用方案取得的效果
本項(xiàng)目已完成,，特寬幅織機(jī)已投入生產(chǎn)運(yùn)行,，用戶取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
6.應(yīng)用方案的示范性
本文介紹的特寬幅織機(jī)控制系統(tǒng)的分析,、設(shè)計(jì)及調(diào)整方法也適用于普通織機(jī),。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介
楊公源 教授 現(xiàn)任天津工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化學(xué)院智能控制研究室主任 曾任日本東京都立大學(xué)客座研究員，主要從事自動(dòng)化和機(jī)電一體化的教學(xué),、科研,、實(shí)驗(yàn)等工作。