特宽幅织机控制系统

摘 要：本文介绍特宽幅织机计算机控制系统的分析与设计方法。主要介绍经轴退绕过程数学模型、送经伺服控制系统、张力控制系统、卷取控制系统以及送经－卷取同步控制系统。基于数学模型，完成了控制系统组态。在控制算法方面，除了常规的张力闭环和速度闭环控制外，还应用了自整定、信号自适应、变增益以及多模态等先进控制策略。织机已投入生产使用，用户取得了良好的经济效益和社会效益。
关键词 ：特宽幅织机　退绕过程数学模型　自整定　信号自适应　变增益 多模态控制

1.引 言

（1） 应用行业
产业用织物包括机织土工布、工业用呢和工业用网。这类织机具有特宽幅、超重型的特点，一般幅宽在4至18米之间，最宽可达30米。国外只有少数几家公司能够生产特宽幅织机。因此，研究特宽幅织机控制系统具有重要意义。研制的控制系统也适用于通用织机。
（2）使用的产品
特宽幅织机控制系统如图1所示。使用欧姆龙公司中大型——CS1系列PLC，包括PA209R（电源单元）、CS1H-CPU65H（CPU单元）、CP114（凸轮定位器单元）、CT041（高速计数器单元）、AD081-V1（模拟量输入单元）、DA08V（模拟量输出
单元）、ID231（DC输入单元）、OD231（晶体管输出单元）、OC211（继电器输出单元）、INT01（中断输入单元）、ENT21（Ethernet单元）、CPU底板以及扩展底板等。
2.应用的主要工艺点及要解决的主要问题
特宽幅织机控制系统框图如图1所示。系统由送经伺服控制系统、 卷取控制系统、送经与卷取同步控制系统、织机启动/制动控制系统、测长及定长控制系统、液压投梭控制系统、引纬控制系统、单动多臂机构控制系统及自动润滑系统等组成。主要工艺点是特宽幅织机五大运动的协调运行和最佳匹配。织机在织造过程中，对张力（包括经纱张力、织物张力、纬纱张力等）、速度（包括送经速度、卷取速度、提综速度、打梭棒打梭速度、引纬速度等）和各执行机构开始动作与结束动作的时间配合等要求很严格，若控制不当或彼此之间配合不好，将会影响产品的质量和生产效率，甚至会发生严重的生产事故，影响人身安全。
要解决的主要问题是实现各个部分在动态过程中的高精度协调运行，保证经纱张力、纬纱张力及织物张力符合工艺规定的数值。

3.应用方案简介
织机的控制系统包括10个控制子系统：
（1） 送经控制系统；
（2） 卷取控制系统；
（3） 送经与卷取同步控制系统；
（4） 织机的启动控制系统（包括正常启动、点动、投一梭、前心、后心、上轴）；
（5） 织机的制动控制系统（包括正常关车、断经自停、断纬自停、满匹停车、护经检测自停、紧急制动）；
（6）测长及定长控制系统；
（7）液压投梭控制系统；
（8） 引纬控制系统；
（9） 单动多臂机构计算机控制系统；
（10）自动润滑系统。
计算机控制系统由IPC610H型工控机、CS1型可编程控制器（PLC）、SR93型智能调节器及触摸屏等组成。织机的运动控制、顺序控制和逻辑控制任务由CS1型可编程控制器来完成；温度和压力控制任务由SR93型智能调节器来完成。采用PWS6800C-P型触摸屏，用于工艺参数设定、变量数值显示、织机的开车、停车以及报警等。
4.应用方案详细介绍
4.1 送经伺服控制系统（电子送经:ELO）
（1） 送经伺服控制系统组成
送经伺服控制系统由经轴、减速器1、伺服电机1、伺服驱动器1、导辊、后梁、经纱张力检测、编码器、可编程控制器、工控机以及触摸屏等组成。其作用是：织机每引一纬，经轴送出定量的经纱，并给经纱以一定的张力，以满足开清梭口、打紧纬纱的要求，获得一定紧度和结构的织物。
（2） 经轴退绕过程数学模型
为了有效地对经轴退绕过程进行控制,首先要建立退绕过程的数学模型。
经轴上经纱的转动惯量Jb为：

转矩平衡方程式为：


以上，式（1）～（13）描述了经轴退绕过程的动力学特征，为非线性、时变数学模型。
（3） 经轴退绕伺服控制系统
针对退绕过程的数学模型来设计退绕伺服控制系统。控制策略包括经纱张力闭环控制、变增益（增益调度）、变积分时间常数控制、信号自适应控制和多模态控制。
•张力闭环控制
根据式（10）、式（11）和式（13），经轴半径r1在退绕过程中是逐渐减小的，如果经轴角速度不变，则线速度V1也逐渐减小，导致每织一纬的送经量逐渐减少，造成经纱张力F逐渐增大，这是不允许的。为了使经纱张力稳定在设定值上，首先实现基础控制即张力闭环控制。
•变增益、变积分时间常数控制
根据误差的大小自动改变增益值和积分时间常数，达到响应快、抑制超调和无稳态误差的目的，这就是智能控制的思路。由PLC实现变增益、变时间常数控制。为实现这种控制，在控制程序中应用BCMP（68）指令，将误差划分为16级，即16个范围，当误差落在某个范围内时，相应的位变为ON，则调出相应的增益值和积分时间常数。共有16个增益和16个积分时间常数可供自动调用，根据误差大小自动改变控制器的参数，从而稳定了经纱张力。
• 信号自适应控制
根据经轴的实际半径，即每当经轴退绕一层纱线，控制器就自动地改变控制输出，通过传动链使送经量保持在设定值上，这就是信号自适应控制。经轴半径信息由式（10）求得，退绕层数n1由编码器PG1的脉冲数经计算得到。在张力闭环控制的基础上，采用变增益、变积分时间常数和信号自适应控制，有效地减轻了张力闭环控制的负担，改善了系统的动态性能，稳定了经纱张力。
4.2 卷取伺服控制系统（电子卷取:ETU）
卷取伺服控制系统由工控机、PLC、触摸屏、伺服驱动器2、伺服电机2、减速机2卷取辊、导辊、胸梁、张力传感器2以及编码器等组成，其任务是与主机旋转保持同步，变纬密自适应，卷取辊应提供足够的握持力，保证稳定地传送织物。
4.3 送经与卷取同步控制
送经与卷取同步控制装置的作用是在织机运转过程中，保持最精确的纬密和恒定的经纱张力，也就是保证送经与卷取完全同步，并且与织机的主传动系统同步。
PLC读取经纱张力传感器信号、送经量编码器PG2信号、织物纬密传感器信号、织物张力传感器信号、主轴编码器PG3信号和卷取量编码器PG4信号，根据式（13），协调送经、开口和卷取伺服系统，保证经纱张力恒定和纬密精确，并防止停车档产生。
4.4 伺服系统的自整定
（1） 常规自动增益整定（nominal gain auto-tuning）
按照预设定（内部设定）的模式使电机加速和减速，可从所需转矩计算负载的惯量，然后根据惯量自动地决定适当的增益。
（2） 实时自动增益整定（real time gain auto-tuning）
在实际运行期间，实时地计算当时的负载惯量，自动地确定适当的增益，并根据负载的起伏及时地整定增益。在整定前要选择机械刚性。还要根据负载情况选择实时自动整定模式，分为负载惯量几乎不变化、负载惯量变化小和负载惯量变化快三种。实践证明，增益自整定显著地改善了伺服驱动器、伺服电机以及机械装置之间的匹配性能，缩短了系统的调试时间。
5.应用方案取得的效果
本项目已完成，特宽幅织机已投入生产运行，用户取得了明显的经济效益和社会效益。
6.应用方案的示范性
本文介绍的特宽幅织机控制系统的分析、设计及调整方法也适用于普通织机。
参考文献
[1] 欧姆龙（中国）有限公司.可编程控制器CS1系列编程手册.上海：OMRON
[2] 欧姆龙（中国）有限公司.CS/CJ系列可编程控制器指令参考手册. 上海：OMRON
[3] Panasonic. 交流伺服电机驱动器MINAS A系列使用说明书.Japan：Matsushita Electric Industrial Co.,Ltd,2002
作者简介
杨公源 教授 现任天津工业大学计算机技术与自动化学院智能控制研究室主任 曾任日本东京都立大学客座研究员，主要从事自动化和机电一体化的教学、科研、实验等工作。