织机电子送经系统的设计与实现

第２０卷第６期　常熟理工学院学报　Ｖｏ１．２０　Ｎｏ．６　２００６年１　１月　ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈａｎｇｓｈｕ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｎｏｖ．２ＯＯ６　织机电子送经系统的设计与实现　徐惠钢　，卢达　，周平　（１＿常熟理工学院信息与控制工程系，江苏常熟２１５５００；　２．常熟理工学院物理与电子科学系，江苏常熟２１５５００）　摘要：国产织机多以机械式送经为主，难以满足高速化、高精度织造的要求。电子送经是以经纱　的张力恒定为主要控制手段以实现成布纬密均匀的目标，这是提高织机档次的关键技术。织机的　传动系统较复杂，各运动机构的相互影响较强，这给电子送经系统的设计带来一些困难。本文分析　了送经系统的特点，介绍了一种按照输入补偿的复合控制方法设计的电子送经装置，采用的控制算　法简单、参数整定方便，在进口原型机上实现了送经系统的功能，达到了原有的性能。　关键词：电子送经；织机；复合控制；前馈　中图分类号：Ｔ９２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８—２７９４（２００６）０６—００６３—０４　我国织机总数居世界第一，而高档织机基本由进口织机占领，且中低档织机市场已趋饱和。纺织机械的　发展趋势是高速度、高效率、低消耗、长寿命…。当织机的车速高于４００ｒ／ｒａｉｎ一般要配备电子送经装置　，　另外机械式送经系统控制精度低，适应性差，成布疵点多，难以实现高精度织造要求。所以具备电子送经功　能与否及电子送经功能的优劣是织机档次的重要特征之一。　采用了电子送经可以提高张力控制的精度和灵敏度、有助于消除开车稀密路、提高对变纬密织造的适应　能力，适应现代织机高速度、高智能的要求。反过来看，就是要求所设计的电子送经装置能够完成以上功能。　为了实现以上功能，我们以一款进口商标织机（车速６００ｒ／ｍｉｎ）为平台，分析织造过程中纱线经向运动　的特点，采用按输入补偿的复合控制　方法，利用自己设计的电子送经控制电路、通过松下驱动器　（ＭＳＤＡ０４３Ａ１Ａ）控制松下永磁同步电机（ＭＳＭＡ０４２Ａ）构成一个电子送经装置，实现了送经功能，达到了进　口织机设备的性能。　１送经运动的特点　织机织造中可分为经向和纬向两种运动，经向包括水平方向的卷取、送经运动和垂直方向的开口运动；　纬向包括引纬和打纬运动。卷取是将形成的每一织物单元引离织口并卷在布辊上，送经是将经纱均匀地送　出以与纬纱进行交织而形成织物。开口是按照织物规律将经纱分成上下两层形成供纬纱通过的通道——梭　口，引纬是将纬纱引入梭口，依靠打纬机构的前后往复摆动，将纬纱推向织口与经纱交织，形成织物。在织造　收稿日期：２００６—００—００　基金项目：江苏省教育厅高校自然科学研究项目（０５ＫＪＤ５１０００４）　作者简介：徐惠钢（１９６９一），男，常熟理工学院信息与控制工程系副教授，博士，主要从事随机控制、数据通信研究。　维普资讯 http://www.cqvip.com

常熟理工学院学报　２００６正　过程中织机的开口、卷取、送经、引纬和打纬运动相互配合完成一个织造周期。在这个过程中受这些运动的　影响，经纱的张力周期性地波动。图１所示的是津田驹ＺＡＸ型织机的实测张力，横坐标是时间轴，纵坐标是　张力值。从图中可以看到Ａ和Ｂ之间对应的是打纬运动，钢筘高速击打织口时使经纱伸长，张力变大；Ａ和　Ｄ之间是开口过程，随开口变化，经纱的拉伸程度变化，∞　∞　∞　张力随之变化，∞　∞　Ｃ点张力较小的原因是该织机配备了　主动松经装置，它在开口最大时使后梁向下运动以减小张力；Ｃ和Ｄ之间张力变大是由于卷取运动的开始；　Ｄ和Ｅ之间是在平综位置的附近，张力较小。　５１ＯＯ　图ｌ　经纱张力周期性波动规律　高档织物要求织造过程中张力恒定以保证其密度均匀。从织造工艺来看这种张力的波动是不可避免　的，有些还是必要的。比如引纬需要较大的张力以保持清晰的开口；打纬需要足够的张力形成织物组织。而　从不同织造周期来看，当织机卷取运动发生时，如果没有送出相应的经纱量，经纱弹性形变的量就发生了改　变，也即张力发生了改变，使得织物的纬密不能保证均匀。另外，随着织造过程的进行，织机的经轴逐渐从满　轴向空轴变化，如果送经电机的速度始终不变，则实际的送经量在逐渐减小，也不能保持恒定的张力。所以，　电子送经要实现的恒张力控制实际是通过补偿卷取和经轴变化引起的张力变化，保持每个织造周期的平均　张力的恒定。　从上面的简单分析可知电子送经装置实际是受周期扰动干扰的变结构系统。对于送经装置，已有文献　通过解析方法和辨识方法建立过模型　Ｊ，但不够准确，表达形式也比较复杂，控制效果不佳。换一个角度来　看，假设送经装置的工作条件理想，即卷取速度恒定、经轴上的经纱均匀、开口角度稳定，只要保证一个周期　内的送经量等于卷取量就可以保持每个织造周期的张力恒定。当然，实际的工况是不可能满足这样的理想　条件的，总会有些波动，故还需对由此所引起的张力偏差进行补偿。因此，我们设计了一种按输入补偿的复　合控制系统　实现电子送经装置的实时控制。　２按输入补偿的复合控制系统　２．１　控制系统设计方案　按输入补偿的复合控制实际上是前馈结合反馈的控制，可以很好地解决一般反馈控制系统在提高控制　精度与确保系统稳定性之间的矛盾　３】。如图２是标准的按输入补偿复合控制形式的变形。图中Ｇｒ（ｓ）是前　馈环节，Ｇ　（ｓ）是控制器，Ｇ：（　）是对象，Ｒ（ｓ）、Ｅ（　）、Ｃ（　）分别是输入量、误差和输出量，前馈补偿环节不是　１　加在系统的输入端而是加在对象的输入端，这是因为要实现误差全补偿，当取Ｇｒ（　）＝　，而如前所述，　Ｌ，２　５，　送经系统难以建模，采用了这种结构后，前馈环节的输出量可以利用卷取量和送经量恒等的关系推导，控制　器利用比例一积分（Ｐ—Ｉ）方式实现，这样就避免了数学建模的困难。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第６期　徐惠钢，卢达，周平：织机电子送经系统的设计与实现　６５　图２按输入补偿的复合控制系统结构图　尺（ｓ）是设定的上机张力，电子送经控制器以８０Ｃ１９６为主芯片采集张力传感器输出信号Ｃ（　）完成控制　算法运算，输出控制信号给驱动器。Ｇ　（ｓ）是驱动器、电机、减速器、经纱轴和经纱的综合，驱动器内部实现速　度和电流的闭环控制。　２．２前馈量计算　卷取量由要求的织造纬密决定，在卷取量一定的前提下只要控制每纬送经量与此相等就可以保持张力　恒定。　ｌ　Ｄ×０×Ｒ　Ｐ　×（１一ｓ％）　４７ｒ　得０　（１）　式中　是送经电机在一纬中应该转过的角度，Ｐ　是织物纬密，ｓ％是经纱由于交织引起的缩率，　是变速比，　Ｄ是当前经纱的直径。　因卷绕到经轴上的经纱重量和所有单根经纱的总重量相等，知　×ｙ：　－＿　（＿　，＿　（＿　×ｙ：ｍ×ｐ×ｆ：Ｇ　（２）　式中　为经纱轴上经纱的卷绕体积，Ｙ为经纱卷绕密度；　为经纱轴宽度，Ｄ为当前经纱轴上经纱半径，ｄ为经　纱轴空轴半径；ｍ为经纱总的根数，Ｐ为经纱线密度，ｆ为经纱长度；Ｇ为经纱质量。　由（２）式及整经工艺单提供的相关参数可得经纱卷绕密度：　Ｇ０　４Ｇ０　Ｙ　一Ｖ…‘３）　　ｏ　式中Ｇ。为经纱初始重量，Ｄ。为经纱初始半径。　经纱初始长度：　ｆ。＝　（４）　，‘　Ｐ　在送经过程中根据打纬次数和纬密可计算出当前经纱总长：　ｆ＝ｆ０一旦　（５）　Ｐ　为累计打纬次数。　由此计算当前经纱直径：　２４Ｖ一　。＝√Ｄ０２一　＝　。２一　（６）　（３）、（４）式可以离线计算，由（５）式及所记录的打纬次数计算当前经纱总长，再由（６）式计算当前经纱直　径，所得结果代人（１）式计算出送经电机每个周期应当转过的角度。　２．３　Ｐ—ｉ控制器　控制器采用增量式比例一积分控制。织机在织造过程中在不同的开口角度、不同的工作阶段张力波动　较大，特别在某些瞬间，比如打纬瞬间变化很大，而控制的目的是保持张力平均值的恒定，为防止控制器对此　过于敏感，控制器没有采用微分控制。控制器的整定采用Ｚｉｅｇｌｅｒ—Ｎｉｃｈｏｌｓ方法　就可获得比较满意的效　维普资讯 http://www.cqvip.com

常熟理工学院学报　２００６正　果。　对张力值的确定采取了一定的滤波和限幅措施。采用一个周期内多点张力值求平均值和多个周期加权　平均的方法减小采样点波动的影响；采用限幅的方法避免随机干扰或采样器的不稳定引起的大幅度误差；将　张力设定值２％的误差范围设为死区，当张力误差内在此范围内波动时保持原控制量不变，避免振荡。　２．４采样点选取　织机的张力并不是通过直接测量纱线获得，而是通过经纱作用于一根活动后梁，当张力变化时引起作用　于后梁的压力变化传导到压力传感器上，由传感器输出值间接发映出经纱张力的变化。　为提高张力传感的灵敏度。后梁运动比较灵活。故为　『．比较张力在织造周期中的平均值，对张力的采样　应当选取张力比较稳定的状态。避免在剧烈变动的时刻采样。综平期间是比较理想的采样点，综平时刻可由　主轴电机编码器输出角度信号确定。为减小干扰。我们在综平时刻附近选取６点取平均值作为张力反馈的　比较值。　３　结论　‘按照送经系统的工作原理设计的按输入补偿的复合控制方法，避免了对系统的精确建模，控制算法简　单、调试方便，在进口原型机上实现了基本送经功能，达到　广原型机的性能。下一步的目标是在这种电子送　经系统的通用性以及电子送经和电子卷取同时设计的问题上做进一步研究。　在设计中我们还考虑了开机稀密路的消除、张力的定标、传感器值与实际张力的换算关系、设置参数的　保存、开口角度的确定、停撬的处理等问题，这些问题与具体的织机结构有关，所以在此不做展开。　参考文献：　［１］　陈瑞琪，昊文英．构建上海现代纺织机械工业［Ｊ］．上海纺织科技，２００３，３１（２）：６—７．　［２］　洪海沧．我国织造行业现状与技术进步方向［Ｊ］．上海纺织科技，２００４，３２（３）：ｌ一３．　［３］　胡寿松．自动控制原理（第四版）［Ｍ］．北京：国防工业出版社．２００２，９：２５８—２６５．　［４］　冯志华．高速织机送经机构动态参数的确定［Ｊ］．机械设计与制造工程．２００１，３０（６）：３１—３３．　［５］Ｚｉｅｇｈｒ　Ｊ　Ｇ，Ｎｉｃｈｏｌｓ　Ｎ　Ｂ．Ｏｐｔｉｍｕｍ　Ｓｅｔｔｉｎｇｓ　ｆｏｒ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａ　Ｓ　Ｍ　Ｅ　１９４２，ｌｌ：７５９—７６２．　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｌｅｔ——ｏｆｆ　Ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　Ｌｏｏｍ　ＸＵ　Ｈｕｉ—ｇａｎｇ　，ＬＵ　Ｄａ　，ＺＨＯＵ　Ｐ　（１．Ｄｅｐｔ．ｏｆ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｓｈｕ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈｕ　２１５５００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｄｅｐｔ．ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈａｎｇｓｈｕ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈｕ　２１５５００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｌｅｔ—ｏｆｆ　ｉｓ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｌｏｏｍ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ．ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ—ｃｏｎｔｒｏ１．Ｈｏｍｅｍａｄｅ　ｌｏｏｍ　ｍｏｓｌｔｙ　ｅｑｕｉｐ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｌｅｔ—ｏｆｆ　ｄｅｖｉｃｅ，ｂｅｃａｕｓｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｌｅｔ—ｏｆｆ　ｄｅｖｉｃｅ　ｉｓ　ａ　ｄｉｆｉｆｃｕｌｔ　ｔａｓｋ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｄｒｉｖｅ　ｏｆ　ｌｏｏｍ　ａｎｄ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｍｏｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｏｆ　ｌｏｏｍ．Ａｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｌｅｔ—ｏｆｆ　ｄｅｖｉｃｅ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏ—　ｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｉｔ　ｉｓ　ｄｅｓｉｎｇｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｎｐｕｔ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｈｔｍ　ａｎｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｒｅ　ｖｅｒｙ　ｅａｓｙ．Ｔｈｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ａｒｅ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｏｎ　ａｎ　ｉｍ—　ｐｏｒｔ　ｌｏｏｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｌｅｔ—ｏｆｆ；ｌｏｍ；ｃｏｍｐｌｅｘ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ