摘 要：本文介紹特寬幅織機計算機控制系統的分析與設計方法。主要介紹經(jīng)軸退繞過(guò)程數學(xué)模型、送經(jīng)伺服控制系統、張力控制系統、卷取控制系統以及送經(jīng)－卷取同步控制系統?；跀祵W(xué)模型，完成了控制系統組態(tài)。在控制算法方面，除了常規的張力閉環(huán)和速度閉環(huán)控制外，還應用了自整定、信號自適應、變增益以及多模態(tài)等先進(jìn)控制策略?？棛C已投入生產(chǎn)使用，用戶(hù)取得了良好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

　　關(guān)鍵詞 ：特寬幅織機　退繞過(guò)程數學(xué)模型　自整定　信號自適應　變增益 多模態(tài)控制

　　1.引 言

　?。?） 應用行業(yè)

    產(chǎn)業(yè)用織物包括機織土工布、工業(yè)用呢和工業(yè)用網(wǎng)。這類(lèi)織機具有特寬幅、超重型的特點(diǎn)，一般幅寬在4至18米之間，最寬可達30米。國外只有少數幾家公司能夠生產(chǎn)特寬幅織機。因此，研究特寬幅織機控制系統具有重要意義。研制的控制系統也適用于通用織機。

　?。?）使用的產(chǎn)品

    特寬幅織機控制系統如圖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（高速計數器單元）、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底板以及擴展底板等。

　　2.應用的主要工藝點(diǎn)及要解決的主要問(wèn)題

    特寬幅織機控制系統框圖如圖1所示。系統由送經(jīng)伺服控制系統、 卷取控制系統、送經(jīng)與卷取同步控制系統、織機啟動(dòng)/制動(dòng)控制系統、測長(cháng)及定長(cháng)控制系統、液壓投梭控制系統、引緯控制系統、單動(dòng)多臂機構控制系統及自動(dòng)潤滑系統等組成。主要工藝點(diǎn)是特寬幅織機五大運動(dòng)的協(xié)調運行和最佳匹配?？棛C在織造過(guò)程中，對張力（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）和各執行機構開(kāi)始動(dòng)作與結束動(dòng)作的時(shí)間配合等要求很?chē)栏?，若控制不當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，甚至會(huì )發(fā)生嚴重的生產(chǎn)事故，影響人身安全。

    要解決的主要問(wèn)題是實(shí)現各個(gè)部分在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的高精度協(xié)調運行，保證經(jīng)紗張力、緯紗張力及織物張力符合工藝規定的數值。

　　3.應用方案簡(jiǎn)介

    織機的控制系統包括10個(gè)控制子系統：

    （1） 送經(jīng)控制系統；

    （2） 卷取控制系統；

    （3） 送經(jīng)與卷取同步控制系統；

    （4） 織機的啟動(dòng)控制系統（包括正常啟動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、投一梭、前心、后心、上軸）；

    （5） 織機的制動(dòng)控制系統（包括正常關(guān)車(chē)、斷經(jīng)自停、斷緯自停、滿(mǎn)匹停車(chē)、護經(jīng)檢測自停、緊急制動(dòng)）；

    （6）測長(cháng)及定長(cháng)控制系統；

    （7）液壓投梭控制系統；

    （8） 引緯控制系統；

    （9） 單動(dòng)多臂機構計算機控制系統；

    （10）自動(dòng)潤滑系統。

    計算機控制系統由IPC610H型工控機、CS1型可編程控制器（PLC）、SR93型智能調節器及觸摸屏等組成?？棛C的運動(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型智能調節器來(lái)完成。采用PWS6800C-P型觸摸屏，用于工藝參數設定、變量數值顯示、織機的開(kāi)車(chē)、停車(chē)以及報警等。

　　4.應用方案詳細介紹

　　4.1 送經(jīng)伺服控制系統（電子送經(jīng):ELO）

　?。?） 送經(jīng)伺服控制系統組成

    送經(jīng)伺服控制系統由經(jīng)軸、減速器1、伺服電機1、伺服驅動(dòng)器1、導輥、后梁、經(jīng)紗張力檢測、編碼器、可編程控制器、工控機以及觸摸屏等組成。其作用是：織機每引一緯，經(jīng)軸送出定量的經(jīng)紗，并給經(jīng)紗以一定的張力，以滿(mǎn)足開(kāi)清梭口、打緊緯紗的要求，獲得一定緊度和結構的織物。

　?。?） 經(jīng)軸退繞過(guò)程數學(xué)模型

    為了有效地對經(jīng)軸退繞過(guò)程進(jìn)行控制,首先要建立退繞過(guò)程的數學(xué)模型。

    經(jīng)軸上經(jīng)紗的轉動(dòng)慣量Jb為：



    轉矩平衡方程式為：

    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(xiàn)性、時(shí)變數學(xué)模型。

　?。?） 經(jīng)軸退繞伺服控制系統

    針對退繞過(guò)程的數學(xué)模型來(lái)設計退繞伺服控制系統?？刂撇呗园ń?jīng)紗張力閉環(huán)控制、變增益（增益調度）、變積分時(shí)間常數控制、信號自適應控制和多模態(tài)控制。

　　張力閉環(huán)控制

    根據式（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(xiàn)速度V1也逐漸減小，導致每織一緯的送經(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)紗張力穩定在設定值上，首先實(shí)現基礎控制即張力閉環(huán)控制。

　　變增益、變積分時(shí)間常數控制

    根據誤差的大小自動(dòng)改變增益值和積分時(shí)間常數，達到響應快、抑制超調和無(wú)穩態(tài)誤差的目的，這就是智能控制的思路。由PLC實(shí)現變增益、變時(shí)間常數控制。為實(shí)現這種控制，在控制程序中應用BCMP（68）指令，將誤差劃分為16級，即16個(gè)范圍，當誤差落在某個(gè)范圍內時(shí)，相應的位變?yōu)镺N，則調出相應的增益值和積分時(shí)間常數。共有16個(gè)增益和16個(gè)積分時(shí)間常數可供自動(dòng)調用，根據誤差大小自動(dòng)改變控制器的參數，從而穩定了經(jīng)紗張力。

　　 信號自適應控制

    根據經(jīng)軸的實(shí)際半徑，即每當經(jīng)軸退繞一層紗線(xiàn)，控制器就自動(dòng)地改變控制輸出，通過(guò)傳動(dòng)鏈使送經(jīng)量保持在設定值上，這就是信號自適應控制。經(jīng)軸半徑信息由式（10）求得，退繞層數n1由編碼器PG1的脈沖數經(jīng)計算得到。在張力閉環(huán)控制的基礎上，采用變增益、變積分時(shí)間常數和信號自適應控制，有效地減輕了張力閉環(huán)控制的負擔，改善了系統的動(dòng)態(tài)性能，穩定了經(jīng)紗張力。

　　4.2 卷取伺服控制系統（電子卷取:ETU）

    卷取伺服控制系統由工控機、PLC、觸摸屏、伺服驅動(dòng)器2、伺服電機2、減速機2卷取輥、導輥、胸梁、張力傳感器2以及編碼器等組成，其任務(wù)是與主機旋轉保持同步，變緯密自適應，卷取輥應提供足夠的握持力，保證穩定地傳送織物。

　　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運轉過(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，并且與織機的主傳動(dòng)系統同步。

    PLC讀取經(jīng)紗張力傳感器信號、送經(jīng)量編碼器PG2信號、織物緯密傳感器信號、織物張力傳感器信號、主軸編碼器PG3信號和卷取量編碼器PG4信號，根據式（13），協(xié)調送經(jīng)、開(kāi)口和卷取伺服系統，保證經(jīng)紗張力恒定和緯密精確，并防止停車(chē)檔產(chǎn)生。

　　4.4 伺服系統的自整定

    （1） 常規自動(dòng)增益整定（nominal gain auto-tuning）

    按照預設定（內部設定）的模式使電機加速和減速，可從所需轉矩計算負載的慣量，然后根據慣量自動(dòng)地決定適當的增益。

    （2） 實(shí)時(shí)自動(dòng)增益整定（real time gain auto-tuning）

    在實(shí)際運行期間，實(shí)時(shí)地計算當時(shí)的負載慣量，自動(dòng)地確定適當的增益，并根據負載的起伏及時(shí)地整定增益。在整定前要選擇機械剛性。還要根據負載情況選擇實(shí)時(shí)自動(dòng)整定模式，分為負載慣量幾乎不變化、負載慣量變化小和負載慣量變化快三種。實(shí)踐證明，增益自整定顯著(zhù)地改善了伺服驅動(dòng)器、伺服電機以及機械裝置之間的匹配性能，縮短了系統的調試時(shí)間。

　　5.應用方案取得的效果

    本項目已完成，特寬幅織機已投入生產(chǎn)運行，用戶(hù)取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

　　6.應用方案的示范性

    本文介紹的特寬幅織機控制系統的分析、設計及調整方法也適用于普通織機。

　　參考文獻

　　[1] 歐姆龍（中國）有限公司.可編程控制器CS1系列編程手冊.上海：OMRON

　　[2] 歐姆龍（中國）有限公司.CS/CJ系列可編程控制器指令參考手冊. 上海：OMRON

　　[3] Panasonic. 交流伺服電機驅動(dòng)器MINAS A系列使用說(shuō)明書(shū).Japan：Matsushita Electric Industrial Co.,Ltd,2002

　　作者簡(jiǎn)介

    楊公源 教授 現任天津工業(yè)大學(xué)計算機技術(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)化和機電一體化的教學(xué)、科研、實(shí)驗等工作。