經(jīng)編機(jī)啟停過(guò)程中的閉環(huán)送經(jīng)控制特性

王俊科+夏風(fēng)林+張琦

摘要：在闡述基于閉環(huán)控制的經(jīng)編電子送經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，文章主要研究了閉環(huán)送經(jīng)控制系統(tǒng)在經(jīng)編機(jī)啟停過(guò)程中主軸轉(zhuǎn)速的變化對(duì)經(jīng)軸送經(jīng)的影響，并對(duì)送經(jīng)系統(tǒng)在啟停過(guò)程中的經(jīng)軸滯后于主軸運(yùn)動(dòng)和經(jīng)紗張力變化進(jìn)行了測(cè)試與分析。根據(jù)測(cè)得的經(jīng)編機(jī)啟停過(guò)程中經(jīng)軸電機(jī)響應(yīng)性能和送經(jīng)張力變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了一種經(jīng)編機(jī)啟停過(guò)程中的送經(jīng)補(bǔ)償方法，可顯著提高經(jīng)編機(jī)啟停過(guò)程中送經(jīng)張力的平穩(wěn)性，進(jìn)而改善經(jīng)編產(chǎn)品品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：經(jīng)編；電子送經(jīng)系統(tǒng)；閉環(huán)控制；送經(jīng)張力；響應(yīng)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TS184.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

The Characteristics of Closed-loop Control of Let-off System during Start/Stop of Warp-knitting Machine

Abstract： On a warp-knitting machine with closed-loop controlled electronic let-off system， the warp let-off is often impacted by the speed change of the main shaft during turning-on and turning-off the machine， since the movement of beam lags behind that of main shaft， causing tension change of the warp. By testing the response performance of beam motor and analyzing the law of warp tension change， a compensation method was developed， which can significantly improve the stability of let-off tension during start/stop of warpknitting machine and consequently improve the quality of warp-knitted products.

Key words： warp knitting； electronic let-off system； closed-loop control； tension change； response performance

經(jīng)編送經(jīng)系統(tǒng)是經(jīng)編機(jī)的重要組成部分，經(jīng)編機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)經(jīng)紗從經(jīng)軸上退繞下來(lái)，按照一定的送經(jīng)量送入成圈系統(tǒng)，供成圈機(jī)件進(jìn)行編織。在整個(gè)送經(jīng)過(guò)程中，送經(jīng)量應(yīng)始終保持精確，否則易造成經(jīng)紗斷頭，甚至崩紗，不能正常成圈，影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)編送經(jīng)從簡(jiǎn)單的機(jī)械式送經(jīng)發(fā)展到電子式送經(jīng)，從恒速送經(jīng)發(fā)展到多速送經(jīng)，從開(kāi)環(huán)控制到閉環(huán)控制，這些都是為了保證在經(jīng)編織造過(guò)程中經(jīng)軸送出的經(jīng)紗能準(zhǔn)確、一致。但送經(jīng)控制并非一個(gè)靜態(tài)的控制過(guò)程，存在著經(jīng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)慣性、信號(hào)傳輸滯后等造成經(jīng)軸運(yùn)動(dòng)滯后于主軸運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，而這在經(jīng)編機(jī)啟停過(guò)程中尤為明顯，從而形成停車(chē)橫條。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了設(shè)計(jì)的基于閉環(huán)控制的經(jīng)編電子送經(jīng)系統(tǒng)在啟停過(guò)程中經(jīng)軸滯后于主軸的運(yùn)動(dòng)特性和經(jīng)紗張力變化，并提出了啟停過(guò)程中的送經(jīng)補(bǔ)償方法。

1 經(jīng)編機(jī)閉環(huán)送經(jīng)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于閉環(huán)控制的經(jīng)編送經(jīng)系統(tǒng)主要由送經(jīng)控制單元、送經(jīng)驅(qū)動(dòng)裝置、經(jīng)軸測(cè)速反饋裝置和主軸速度信號(hào)裝置 4 部分組成（圖 1）。系統(tǒng)采用DSP作主控制器，送經(jīng)驅(qū)動(dòng)裝置采用交流伺服電機(jī)，利用測(cè)速壓輥實(shí)時(shí)測(cè)得經(jīng)軸盤(pán)頭的即時(shí)外周長(zhǎng)和實(shí)際送經(jīng)量，獲得下一周期送經(jīng)用經(jīng)軸電機(jī)的指令轉(zhuǎn)速，應(yīng)用模糊PID控制算法實(shí)時(shí)修正經(jīng)軸電機(jī)速度，保證控制的快速性和準(zhǔn)確性。

2 測(cè)試與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建和測(cè)試方法

試驗(yàn)在Karl Mayer（卡爾邁耶）的HKS4型高速經(jīng)編機(jī)上搭建基于閉環(huán)控制的經(jīng)編電子送經(jīng)系統(tǒng)，以固高科技（深圳）有限公司的GTS-400運(yùn)動(dòng)控制器為送經(jīng)主控制單元，日本三菱MR-JE-200A型伺服系統(tǒng)為送經(jīng)驅(qū)動(dòng)單元，增量編碼器為測(cè)速壓輥的反饋信號(hào)采集器，用增量編碼器采集主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)。HKS4型特里科經(jīng)編機(jī)幅寬3 454 mm、機(jī)號(hào)E28，最高機(jī)速1 200 r/min，通過(guò)主變頻器設(shè)定主電機(jī)的加速時(shí)間為 5 s、減速時(shí)間 2 s。測(cè)試時(shí)采用雙梳編織，經(jīng)軸參數(shù)為：GB3當(dāng)前外周長(zhǎng)910 mm、內(nèi)周長(zhǎng)630 mm、余圈數(shù)8 200；GB4當(dāng)前外周長(zhǎng)1 300 mm、內(nèi)周長(zhǎng)630 mm、余圈數(shù)13 520。壓輥反饋裝置僅安裝在GB3的經(jīng)軸上進(jìn)行測(cè)試，壓輥外周長(zhǎng)251.2 mm。編織組織GB3為1-0/1-2//、GB4為1-2/1-0//；送經(jīng)量GB3為1 240 mm/rack，GB4為1 200 mm/rack；牽拉密度21橫列/cm。

試驗(yàn)中將主軸編碼器的轉(zhuǎn)速信號(hào)（A信號(hào)）、經(jīng)軸電機(jī)的速度信號(hào)（A信號(hào)）和張力傳感器信號(hào)分別接入SCM01型四通道聲振分析儀的 2 個(gè)轉(zhuǎn)速通道和加速度通道中，運(yùn)行計(jì)算機(jī)上的LMS Test.Lab測(cè)試與分析軟件，按主軸編碼器信號(hào)、經(jīng)軸電動(dòng)機(jī)編碼器信號(hào)和張力信號(hào)接入的通道分別設(shè)置相應(yīng)測(cè)試參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中采樣周期15 s、采樣頻率 1 kHz（測(cè)試的最佳設(shè)置），測(cè)試最高速度970 r/min（保證經(jīng)編機(jī)正常穩(wěn)定工作）。采集經(jīng)編機(jī)從停車(chē)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)（970 r/min）以及從正常運(yùn)轉(zhuǎn)到停車(chē)過(guò)程中主軸、經(jīng)軸電機(jī)的速度變化曲線(xiàn)和張力波動(dòng)曲線(xiàn)。

2.2 經(jīng)軸滯后于主軸的特性分析

根據(jù)運(yùn)用四通道聲振分析儀采集得到的啟停過(guò)程中經(jīng)編機(jī)主軸速度與經(jīng)軸電機(jī)速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，選取經(jīng)編機(jī)啟停加、減速時(shí)間段內(nèi) 6 個(gè)不同主軸速度點(diǎn)200、350、500、650、800、950 r/min。依據(jù)經(jīng)編閉環(huán)電子送經(jīng)系統(tǒng)中，經(jīng)編機(jī)運(yùn)行過(guò)程中主軸速度與經(jīng)軸電機(jī)速度的關(guān)系（考慮在啟停過(guò)程中測(cè)試時(shí)間極短，經(jīng)軸外周長(zhǎng)的變化可以忽略）（式（1）），在當(dāng)前送經(jīng)量和盤(pán)頭外周長(zhǎng)不變的情況下，主軸速度與經(jīng)軸速度成正比關(guān)系，得到 6 個(gè)不同速度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的經(jīng)軸電機(jī)速度點(diǎn)（51、90、129、168、207、246 r/min）。

式（1）中：M為經(jīng)軸電機(jī)與經(jīng)軸之間的減速比，F(xiàn)zi為當(dāng)前送經(jīng)量，Ci為當(dāng)前盤(pán)頭外周長(zhǎng)，Wzi為經(jīng)編機(jī)主軸速度，Wbi為經(jīng)軸電機(jī)的速度。

根據(jù)啟停變速過(guò)程中經(jīng)編機(jī)主軸和經(jīng)軸電機(jī)分別到達(dá)對(duì)應(yīng)速度點(diǎn)的時(shí)間數(shù)據(jù)，可得到啟停變速過(guò)程中不同速度點(diǎn)經(jīng)軸滯后于主軸的時(shí)間，通過(guò)經(jīng)編機(jī)編織過(guò)程中主軸角度與時(shí)間的關(guān)系，得到啟停變速過(guò)程中不同速度點(diǎn)經(jīng)軸滯后于主軸的角度（式（2））。

式（2）中：φ為經(jīng)軸滯后于主軸的角度，t為經(jīng)軸滯后于主軸的時(shí)間。

根據(jù)啟停過(guò)程中經(jīng)軸滯后于主軸的時(shí)間和角度（表1），在經(jīng)編機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，主軸和經(jīng)軸電機(jī)都處于加速過(guò)程中。隨著經(jīng)編機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的加快，經(jīng)軸滯后于主軸的時(shí)間在減小，由于滯后時(shí)間的累積，滯后角度先增大后減小，當(dāng)經(jīng)編機(jī)達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速后，經(jīng)軸也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到指令速度，待經(jīng)編機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，經(jīng)軸的滯后消失；在經(jīng)編機(jī)停機(jī)過(guò)程中，主軸和經(jīng)軸電機(jī)都處于減速過(guò)程中，隨著經(jīng)編機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，由于滯后的累積，在減速時(shí)滯后時(shí)間會(huì)增大，但經(jīng)編機(jī)主軸轉(zhuǎn)速在降低，所以滯后角度先增大后減小，直到主軸轉(zhuǎn)速為 0。

2.3 經(jīng)紗張力分析

在經(jīng)編機(jī)編織過(guò)程中，當(dāng)耗紗量大于送紗量時(shí)，紗線(xiàn)張力就會(huì)過(guò)大；當(dāng)耗紗量小于送紗量時(shí)，紗線(xiàn)張力又會(huì)過(guò)小。張力過(guò)大會(huì)出現(xiàn)斷紗甚至崩紗，張力過(guò)小又會(huì)容易出現(xiàn)漏針和跑紗，對(duì)織造造成影響。在經(jīng)編機(jī)啟停變速過(guò)程中，由于經(jīng)軸滯后于主軸運(yùn)動(dòng)，會(huì)對(duì)經(jīng)紗張力造成影響。運(yùn)用四通道聲振分析儀采集啟停過(guò)程中不同時(shí)間點(diǎn)一個(gè)成圈周期內(nèi)經(jīng)紗張力的變化曲線(xiàn)（圖 2、圖 3），分析啟停過(guò)程中經(jīng)軸滯后主軸運(yùn)動(dòng)對(duì)紗線(xiàn)張力的影響。

從圖 2、圖 3 的不同時(shí)間點(diǎn)經(jīng)紗張力變化曲線(xiàn)可以看出，紗線(xiàn)張力在一個(gè)成圈周期內(nèi)會(huì)隨著成圈機(jī)件的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生周期性的變化，所以保持紗線(xiàn)平均張力和張力峰值的穩(wěn)定是保證經(jīng)編機(jī)正常編織的先決條件。表 2中，啟動(dòng) 6 s是經(jīng)編機(jī)加速完成到達(dá)穩(wěn)定速度時(shí)經(jīng)編機(jī)正常編織所需的紗線(xiàn)張力均值和峰值，停機(jī) 0 s是經(jīng)編機(jī)開(kāi)始減速之前經(jīng)編機(jī)正常編織時(shí)所需紗線(xiàn)張力均值和峰值。在啟動(dòng)加速過(guò)程中，經(jīng)編機(jī)速度從零開(kāi)始加速，由于經(jīng)軸滯后于主軸運(yùn)動(dòng)和滯后的累積，紗線(xiàn)張力的均值和峰值會(huì)先增大后減小；在停機(jī)減速過(guò)程中，經(jīng)編機(jī)速度從穩(wěn)定值開(kāi)始減速，由于經(jīng)軸滯后于主軸運(yùn)動(dòng)和減速過(guò)程時(shí)間短，隨著經(jīng)編機(jī)主軸速度的減小，紗線(xiàn)張力的均值和峰值會(huì)先減小后增大，而峰值角度沒(méi)有啟動(dòng)加速過(guò)程變化得明顯，峰值角度的變化，說(shuō)明經(jīng)軸的滯后對(duì)經(jīng)紗張力的峰值角度變化有影響。

3 送經(jīng)補(bǔ)償設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原理

通過(guò)對(duì)啟停過(guò)程中送經(jīng)特性的研究，針對(duì)在啟停時(shí)經(jīng)軸滯后于主軸運(yùn)動(dòng)造成的送紗量與實(shí)際耗紗量的不等及紗線(xiàn)張力的波動(dòng)等不良影響，本文設(shè)計(jì)了一種啟停過(guò)程中送經(jīng)補(bǔ)償方法（圖 4）。針對(duì)啟停過(guò)程中經(jīng)軸出現(xiàn)滯后主軸的運(yùn)動(dòng)特性，在送經(jīng)主控制器接收到經(jīng)編機(jī)的啟停信號(hào)后，送經(jīng)主控制單元會(huì)將主控制器根據(jù)設(shè)定的送經(jīng)補(bǔ)償量和補(bǔ)償時(shí)間，轉(zhuǎn)化為經(jīng)軸電機(jī)指令速度調(diào)整補(bǔ)償量，得出一個(gè)新的速度指令傳達(dá)給伺服驅(qū)動(dòng)器，再由送經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)速度指令驅(qū)動(dòng)經(jīng)軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)，保證在設(shè)定的補(bǔ)償時(shí)間內(nèi)送經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3.2 界面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的啟停變速過(guò)程中送經(jīng)補(bǔ)償操作界面如表 3 所示，在主界面中，可針對(duì)經(jīng)編機(jī)類(lèi)型和編織工藝的不同，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或布面品質(zhì)等情況，對(duì)經(jīng)編機(jī)主軸加、減速時(shí)間和經(jīng)軸送經(jīng)補(bǔ)償值（或送經(jīng)補(bǔ)償比例）進(jìn)行具體設(shè)置。為保證數(shù)據(jù)的有效性和安全性，系統(tǒng)對(duì)設(shè)置數(shù)據(jù)的范圍進(jìn)行了界限限制。在設(shè)定各經(jīng)軸的補(bǔ)償時(shí)間和送經(jīng)補(bǔ)償量后，當(dāng)控制系統(tǒng)捕捉到經(jīng)編機(jī)啟停信號(hào)后，送經(jīng)主控單元就會(huì)在經(jīng)編機(jī)主軸加、減速時(shí)段內(nèi)對(duì)各送經(jīng)經(jīng)軸正常使用的工藝參數(shù)進(jìn)行一定量的反向修正，實(shí)現(xiàn)在經(jīng)編機(jī)啟停加減速過(guò)程中，通過(guò)提前對(duì)工藝參數(shù)修正達(dá)到送紗量與耗紗量的吻合。通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐表明，這一方法有效地保證了經(jīng)編機(jī)在啟停變速過(guò)程中送經(jīng)張力的平穩(wěn)性，提高了經(jīng)編機(jī)的產(chǎn)品品質(zhì)。

4 結(jié)論

基于閉環(huán)控制的經(jīng)編送經(jīng)系統(tǒng)在啟動(dòng)變速過(guò)程中，經(jīng)軸會(huì)滯后于主軸運(yùn)動(dòng)，滯后時(shí)間隨速度的變大而減小；停機(jī)變速過(guò)程中，經(jīng)軸滯后于主軸運(yùn)動(dòng)的滯后時(shí)間隨速度的變小而增大；滯后角度都出現(xiàn)先增大后減小的情況。基于閉環(huán)控制的經(jīng)編送經(jīng)系統(tǒng)在啟動(dòng)變速過(guò)程中，紗線(xiàn)張力的均值和峰值先增大后減小；停機(jī)變速過(guò)程中，紗線(xiàn)張力的均值和峰值先減小后增大；但啟動(dòng)變速過(guò)程中的峰值角度波動(dòng)要比停機(jī)變速過(guò)程的波動(dòng)大。在經(jīng)編閉環(huán)送經(jīng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種啟停過(guò)程中送經(jīng)補(bǔ)償方法，可有效保證經(jīng)編機(jī)啟停過(guò)程中經(jīng)紗張力的平穩(wěn)性，提高經(jīng)編機(jī)的產(chǎn)品品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)（略）