數字式梳棉機自調勻整控制系統開發

李新龍，馬崇啟，2，周寶明

(1.天津工業大學紡織學院，天津 300387;2.天津工業大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387)

梳棉機自調勻整裝置是一種用來控制梳理機輸出生條粗細不勻的自動調節裝置，根據喂入纖維層不同時刻的厚度差異自動調節牽伸倍數，使生條單位長度粗細穩定在一定的水平，從而達到人們預期的要求［1］。早期的純機械式自調勻整裝置早已被淘汰，近年來的電子式自調勻整裝置得到了較好的發展，國內外主要機型有法國SACM型、美國ST型以及無錫YZ-1型和青島FT021型自調勻整裝置等［2］，但是國外先進機型技術由于保密等原因難以復制，國內短開環式自調勻整裝置通常由于延遲時間、測量不準確以及采用定時法延遲控制算法等原因，難以實現針對性勻整。

本文研究開發了一種DSCa-11數字式梳棉機機后短開環式自調勻整控制系統，通過準確測量設備延遲距離并以定位移法設計延遲控制算法，從而實現針對性勻整，為紡制高質量生條奠定了良好基礎。

1 自調勻整控制系統硬件構成

通常情況下，自調勻整裝置主要由檢測機構、控制機構和執行機構3部分組成［3］。DSCa-11數字式梳棉機自調勻整控制系統采用位移傳感器作為檢測機構，檢測當纖維層通過握持鉗口時給棉板位移的變化量，以給棉板位移的變化量反映喂入纖維厚度，如圖1所示。

圖1 給棉檢測機構示意圖Fig.1 Schematic diagram of feeding testing system

用歐姆龍CP1H-XA40DT-D型PLC作為控制機構，根據設定的理論厚度和檢測到的實時厚度計算給棉羅拉電動機頻率的調節方向和調節量。用SV-iG5 LS變頻器和三相異步交流電動機組成執行機構，根據PLC輸出的頻率調節方向和調節量控制給棉羅拉的轉速。給棉羅拉的轉速經編碼器反饋到PLC，具體構成如圖2所示。

2 自調勻整作用的實現過程

圖2 自調勻整控制系統硬件組成圖Fig.2 Diagram of hardware component of autoleveller system

當纖維層未進入握持鉗口時提取位移傳感器初始數據，5個值取平均(采用5塊分段式給棉板)，即得到初始位置值。當纖維層喂入鉗口時，由于棉層厚度的存在，使給棉板偏離原來的位置，進而帶動位移傳感器運動到新的位置，此時提取理論位置數據，5個值取平均即為理論位置值。理論位置與初始位置的差值就是棉層的理論厚度。此后，每次采樣即得到棉層的實時厚度，與理論厚度相比較，求出偏差，經過延時，根據偏差求出給棉羅拉電動機頻率的調節量，進而調節給棉速度，達到勻整的效果。

3 系統延遲時間的確定

首先測試勻整機構的延遲距離［4］。DSCa-11數字式梳棉機采用的機后開環式自調勻整裝置檢測點在給棉羅拉、給棉板處，變速點為給棉羅拉，但刺輥抓取纖維在刺輥給棉板分梳點，改變喂入量的目的是使刺輥在單位時間內抓取到的纖維量保持均勻不變［5］，因此勻整點應為分梳抓取點。機后開環總滯后τ0可表示為

式中:τ1為機后檢測點到分梳點的時間;τ2為檢測點信號通過開環各系統到給棉羅拉變速的時間。

開環式系統中一個關鍵是求出這個延遲時間τ0，但是由于 τ2通常比較小［6］，本文忽略不計，因此重點是精確求出τ1。

由以上敘述可知，可通過計時先求出纖維從檢測點到輸出點所需的時間，然后再求出纖維從分梳點到輸出點所需的時間，二者的差值即為所求τ1。具體試驗步驟如下。

1)測試纖維從檢測點到輸出點所需的時間。在正常開車情況下，突然沿纖維層橫截面方向鋪入一層異色纖維帶，然后觀察顯示屏，待傳感器位置讀數值變化時用一個紅色纖維團在出條處做標記。之后開始觀察出條，待條子表面出現異色纖維時開始計時并再持續紡制5 min，方可停車，然后測量條子上從紅色纖維團到開始出現異色纖維之間的長度，重復操作10次，求出平均值L1(mm)。

2)測試纖維從分梳點到輸出點所需的時間。在正常開車情況下，突然減小觸摸屏牽伸倍數設定值，同時用異色纖維團在生條上做出標記。之后開始觀察出條，待條子變粗時開始計時并再持續紡制5 min，方可停車，然后測量條子上從紅色纖維團到開始變粗處之間的長度，重復操作10次，求出平均值L2(mm)。

再由式(2)即可求出延遲距離L。

式中:i為給棉電動機與給棉羅拉之間的傳動比;E1為1)步驟中設定的牽伸倍數;E2為2)步驟中設定的牽伸倍數。

4 自調勻整控制算法的設計

開環式自調勻整控制算法的目標是實現針對性勻整，即當棉層的采樣點從檢測點到達勻整點時憑借該檢測厚度調節給棉羅拉轉速實現勻整效果，因此問題的關鍵是如何確定采樣點是否到達勻整點［7］。

傳統設備普遍采用延時控制算法［8］，即預先計算棉層從檢測點到勻整點所需要的時間，然后對采樣點采樣，經預先計算時間后再調節給棉羅拉轉速實現勻整效果，但是在自調勻整裝置運行條件下給棉羅拉速度頻繁變化導致該延時不恒定，會導致累計誤差，無法滿足開環式自調勻整裝置針對性勻整的要求。為此，本系統采用定位移延遲控制算法［9］，即預先測量棉層從檢測點到勻整點的距離，然后對采樣點采樣，經預先測量的距離后再調節給棉羅拉轉速實現勻整效果。

4.1 定長檢測與勻整脈沖數計算

對同樣性質的棉層，檢測點到變速點的距離基本都相等，即延遲距離L是常數。與給棉羅拉同軸的編碼器采用脈沖給定位置控制的方式，當電動機帶動給棉羅拉上的棉層位移L一定時，編碼器發出的脈沖數就恒定，用P表示，對采樣點采樣之后，只需控制發給PLC的脈沖數恒為P就可確保檢測點準確到達勻整點，即實現了針對性勻整的目標。棉層從檢測點到勻整點所需的脈沖數P的計算公式為

式中:P為從檢測點到變速點所需的脈沖數;Ss為編碼器每轉所發出的脈沖數;D為給棉羅拉的直徑，mm;L為延遲距離，mm。

4.2 對列表的算法設計

定位移控制算法需要把棉層的采樣數據以字的形式存儲到定義好的隊列表中，并且還要保證表的容量不能小于棉層從檢測點到勻整點所采樣的棉層厚度數據量，否則會丟失棉層厚度信息［10］。

設備延遲距離為L，于是將采樣與勻整周期設定為L/10，每次檢測的新厚度值由隊列頭端進入，尾端輸出，如圖3所示。每次由頭端存入數據之前，先將原有數值依次后移1位，最后1位溢出，保證當頭端數據到達尾端時進行勻整，便實現了定長檢測，定長延遲，定長勻整的目標。

圖3 對列表數據存儲示意圖Fig.3 Schematic diagram of column data storage

4.3 給棉速度控制

自調勻整控制系統要求恰當地調節給棉羅拉轉速來實現勻整目的，定位移控制算法要求系統采用位置控制模式實現準確的速度控制［9］;因此，如何準確控制給棉羅拉轉速就顯得十分重要。

本系統通過控制給棉電動機變頻器的輸出頻率來實現轉速控制，輸出頻率越高，電動機速度就越高，反之越低。給棉實時頻率f計算公式為

式中:f1為給棉電動機初始頻率;i1為給棉電動機傳動比;h0為初始棉層厚度;h1為棉層實時檢測厚度。

4.4 自調勻整控制流程

首先上電完成系統的初始化，然后讀取觸摸屏輸入的工藝參數，再根據纖維層初始厚度計算出理論的給棉頻率。之后，通過編碼器發出的脈沖數來對棉層進行定長檢測。每個檢測值放入對列表的頭端，同時使原有數據依次后移，經過延遲，待其到達對列表尾端即檢測點纖維到達勻整點時按照此厚度值調節給棉羅拉轉速即進行定長勻整，以此來保證單位時間內喂入纖維量恒定不變，實現自調勻整的目的。其具體流程如圖4所示。

圖4 自調勻整延遲控制流程圖Fig.4 Flowchart of autoleveller delay control system

4.5 試驗結果

分別使用棉纖維與棉型腈綸纖維驗證自調勻整控制系統的使用效果，其物理指標如表1所示。

表1 棉纖維和棉型腈綸纖維的物理性質Tab.1 Index of cotton and acrylic fiber

首先利用式(2)計算得到延遲距離為18 mm，然后設定此延遲距離并開啟自調勻整紡制生條，測試條子每1 m與每5 m的質量不勻率，并將測試結果與關閉自調勻整裝置條件下條子不勻率作對比，以測試自調勻整裝置的勻整效果，設備工藝參數設置如表2所示。

試驗中，由于梳棉機結構比較復雜，各個機件由啟動到慢速運行再到正常運行需要較長的過渡期，因此規定每次在開車1 h之后開始連續取樣，分別測試開啟和關閉自調勻整裝置條件下生條50 m長度范圍內1 m與5 m的質量不勻率，連續做5 d，對比生條的質量不勻率，結果表3所示。

表2 工藝參數設置Tab.2 Process parameter setting

表3 試驗結果Tab.3 Experiment results

5 結語

1)對于梳棉機開環式自調勻整系統延遲時間不宜測量的問題，本文研究采用測長標記法能夠比較準確地測量其延遲時間，為準確設定延遲距離提供了有力保障。

2)采用定位移法設計延遲控制程序較好地實現了開環式自調勻整裝置的針對性勻整要求。

3)在DSCa-11數字式梳棉機上加裝本自調勻整裝置，可有效改善生條質量，相比于無自調勻整裝置時，棉纖維生條1 m和5 m質量不勻率分別可改善15.36%和6.42%，腈綸纖維生條1 m和5 m質量不勻率分別可改善14.85%和6.82%，為后續紡紗工序打下良好基礎，應用前景較好。

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