閉環(huán)控制經(jīng)編送經(jīng)系統(tǒng)

王俊科， 夏風(fēng)林

(江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

閉環(huán)控制經(jīng)編送經(jīng)系統(tǒng)

王俊科， 夏風(fēng)林

(江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

經(jīng)編機(jī)送經(jīng)控制系統(tǒng)是一個時刻發(fā)生變化的非線性系統(tǒng)，針對經(jīng)編生產(chǎn)，特別是高速經(jīng)編機(jī)生產(chǎn)要求，送經(jīng)系統(tǒng)應(yīng)具有快速響應(yīng)性、高控制精度和穩(wěn)定性的特性，為此設(shè)計了采用閉環(huán)控制的經(jīng)編送經(jīng)系統(tǒng)。主要介紹該系統(tǒng)的原理、方法和組件構(gòu)成，以及對系統(tǒng)的測試分析方法。系統(tǒng)采用DSP數(shù)字控制器作為送經(jīng)控制單元的核心部件，通過測速壓輥得到經(jīng)軸盤頭的即時外周長和實際送經(jīng)量，獲取下一周期經(jīng)軸電動機(jī)速度，根據(jù)送經(jīng)量的偏差，再通過控制器的智能PID計算、修正，形成全閉環(huán)控制來實現(xiàn)送經(jīng)系統(tǒng)的實時在線調(diào)整。對比實驗結(jié)果表明，設(shè)計的經(jīng)編送經(jīng)閉環(huán)系統(tǒng)合理、可行，并具有高精度、響應(yīng)性和穩(wěn)定性。

經(jīng)編； 送經(jīng)系統(tǒng)； 閉環(huán)控制； 壓輥

經(jīng)編機(jī)送經(jīng)控制系統(tǒng)是一個時變的系統(tǒng)，從傳統(tǒng)機(jī)械送經(jīng)到單速電子送經(jīng)(EBA)，再到多速電子送經(jīng)(EBC)[1]，如何保證經(jīng)編機(jī)送經(jīng)控制系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性以及響應(yīng)的快速性一直是經(jīng)編送經(jīng)的難題[2]，在當(dāng)前經(jīng)編工業(yè)生產(chǎn)中，高速度、高質(zhì)量、小批量、多品種已經(jīng)成為經(jīng)編生產(chǎn)基本要求，這就要求經(jīng)編電子送經(jīng)系統(tǒng)能夠在高速條件下保證送紗量的穩(wěn)定，避免出現(xiàn)送經(jīng)控制不精確，經(jīng)軸送出的送紗量與橫列編織需要的送紗量不一致，造成經(jīng)紗張力不穩(wěn)定，引起斷紗、布面的疵點、橫條等布面問題，影響生產(chǎn)效率，同時導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降[3-4]。

本文采用高速的數(shù)字信號處理器(DSP)作為主控制器設(shè)計了新的控制系統(tǒng)[5]，系統(tǒng)由經(jīng)軸上的測速壓輥測得經(jīng)軸盤頭的即時外周長和實際送經(jīng)量，獲取下一周期經(jīng)軸電動機(jī)速度指令，通過與送經(jīng)量設(shè)定值的比較，再經(jīng)控制器的模糊PID控制算法進(jìn)行實時修正，形成全閉環(huán)來精確控制經(jīng)編機(jī)的送經(jīng)量[6-7]。

1 閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計

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)動裝置、經(jīng)軸測速反饋裝置和主軸速度信號裝置4個部分組成[8]，如圖1所示。系統(tǒng)采用DSP作主控制器，送經(jīng)驅(qū)動裝置采用交流伺服電動機(jī)，利用測速壓輥實時測得經(jīng)軸盤頭的即時外周長和實際送經(jīng)量，獲得下一周期送經(jīng)電動機(jī)的指令轉(zhuǎn)速，應(yīng)用模糊PID控制算法實時修正經(jīng)軸電動機(jī)速度，保證控制的快速性和準(zhǔn)確性。

圖1 送經(jīng)系統(tǒng)控制流程圖Fig.1 Let-off system control flow

2 控制系統(tǒng)的原理

系統(tǒng)采用DSP作主控制器，DSP主控制器根據(jù)設(shè)定的送經(jīng)量、經(jīng)軸初始外周長和當(dāng)前主軸轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)計算得出當(dāng)前周期經(jīng)軸電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，并向送經(jīng)伺服驅(qū)動器發(fā)出速度指令，送經(jīng)伺服驅(qū)動器根據(jù)接收的速度指令，控制經(jīng)軸電動機(jī)按照速度指令運動，同時伺服驅(qū)動器通過經(jīng)軸電動機(jī)內(nèi)置編碼器的反饋得到經(jīng)軸電動機(jī)的實際運轉(zhuǎn)速度，從而實現(xiàn)伺服驅(qū)動裝置的內(nèi)環(huán)控制。

圖2 測速壓輥的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Measuring speed of feedback roller

圖2示出測速壓輥的結(jié)構(gòu)圖。經(jīng)軸電動機(jī)按照指令轉(zhuǎn)速傳動經(jīng)軸時，緊壓在經(jīng)軸紗線表面的測速壓輥，由于摩擦傳動，控制單元通過測速壓輥內(nèi)置的編碼器的反饋計算出送經(jīng)經(jīng)軸即時外周長和實際送經(jīng)量，即時外周長用于計算下一周期經(jīng)軸電動機(jī)的速度指令，而獲得的實際送經(jīng)量會與送經(jīng)量初始設(shè)定值進(jìn)行比較，由主控制器(DSP)根據(jù)偏差通過智能模糊PID算法計算得出一個調(diào)整補(bǔ)償量，實時調(diào)整控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)，保證經(jīng)軸的送經(jīng)精度和穩(wěn)定性[9-10]。

2.1 系統(tǒng)的控制算法

在機(jī)器以一定速度運行時，運動控制單元會讀取跟隨主軸運動的主軸編碼器的反饋脈沖計算出機(jī)器當(dāng)前速度Wz，再通過讀取編織工藝所需的送經(jīng)量等參數(shù)，計算出橫列編織時經(jīng)軸的指令轉(zhuǎn)速

(1)

式中：Wz、Wb分別為主軸轉(zhuǎn)速、經(jīng)軸電動機(jī)的指令轉(zhuǎn)速，r/m；CO為盤頭上機(jī)時的外周長，mm；Fz為初始設(shè)定的送經(jīng)量，mm/臘克；M為經(jīng)軸電動機(jī)與經(jīng)軸之間的減速比；480為每臘克的橫列數(shù)。整理后得到指令轉(zhuǎn)速[11-12]

(2)

在機(jī)器運行時，通過測速壓輥的速度反饋和經(jīng)軸電動機(jī)的即時速度反饋，獲得經(jīng)軸的即時外周長如式(3)所示。

(3)

式中：Wbi、Wr分別為經(jīng)軸電動機(jī)的即時轉(zhuǎn)速和測速壓輥的轉(zhuǎn)速；Ci、Cr分別為經(jīng)軸的即時外周長和測速壓輥的外周長；M為經(jīng)軸電動機(jī)與經(jīng)軸之間的減速比。整理后得到

(4)

通過測速壓輥獲得的即時外周長，計算下一周期經(jīng)軸電動機(jī)的指令轉(zhuǎn)速

(5)

式中：Wzi、Wbi+1分別為機(jī)器的主軸的轉(zhuǎn)速和經(jīng)軸的指令轉(zhuǎn)數(shù)；Fzi表示下一周期的送經(jīng)量；M為經(jīng)軸電動機(jī)與經(jīng)軸之間的減速比；480表示每臘克的橫列數(shù)。將式(3)代入整理后得到Wbi+1為

(6)

2.2 經(jīng)軸速度的差值調(diào)節(jié)

為保證經(jīng)軸送經(jīng)的精確性，在一個運算周期內(nèi)，送經(jīng)控制單元通過測速壓輥反饋獲得經(jīng)軸的實際送經(jīng)量，與送經(jīng)量的原始設(shè)定值進(jìn)行比較，再根據(jù)送經(jīng)量的差值△Fz，通過控制器計算轉(zhuǎn)化為經(jīng)軸電動機(jī)指令轉(zhuǎn)速的差值△W，再運用智能模糊PID控制算法，將電動機(jī)指令速度偏差值轉(zhuǎn)化為速度調(diào)整補(bǔ)償量，得出一個新的速度指令，伺服驅(qū)動器接收新的速度指令后，實時控制經(jīng)軸電動機(jī)運動，保證送出的經(jīng)紗量符合工藝要求[13]。

由于測速壓輥和經(jīng)軸盤頭的相對運動，所以壓輥和經(jīng)軸盤頭表面的線速度V相同。

再根據(jù)：

得到實際的送經(jīng)量Fzr為

(7)

再根據(jù)送經(jīng)量的差值△Fz，轉(zhuǎn)化為電動機(jī)指令轉(zhuǎn)速的偏差值△W，再將速度偏差值轉(zhuǎn)化為速度調(diào)整補(bǔ)償量來調(diào)整經(jīng)軸電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)送經(jīng)量的在線調(diào)整，保證經(jīng)軸送經(jīng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

(8)

3 系統(tǒng)的可行性驗證分析

3.1 送經(jīng)系統(tǒng)的可行性測試

全閉環(huán)控制的經(jīng)編機(jī)送經(jīng)系統(tǒng)，在經(jīng)編機(jī)器運行過程中，緊壓在經(jīng)軸盤頭上的壓輥(圖2)因為摩擦?xí)鱿鄬\動，測速壓輥運動過程中，通過壓輥的編碼器脈沖反饋得到測速壓輥的轉(zhuǎn)速，從而計算出經(jīng)軸電動機(jī)的下一周期的速度指令，所以該系統(tǒng)中壓輥測速的準(zhǔn)確性，對保證系統(tǒng)的合理性和可行性至關(guān)重要。

為驗證測速壓輥測速的準(zhǔn)確性，實驗采用SCM01型四通道聲振分析儀，在經(jīng)編機(jī)運行時，同步采集測速壓輥和經(jīng)軸電動機(jī)的運轉(zhuǎn)脈沖信號，實時監(jiān)測壓輥和經(jīng)輥電動機(jī)的速度。因為機(jī)器運行時壓輥和經(jīng)軸盤頭表面的線速度相同，所以同步采集測速壓輥和經(jīng)軸電動機(jī)的速度脈沖信號，可同步測得測速壓輥和經(jīng)軸電動機(jī)的實際運行速度，然后再經(jīng)換算后，可對比分析壓輥測速的準(zhǔn)確性。

實驗在Karl Mayer的HKS4型高速經(jīng)編機(jī)上搭建平臺，用固高的運動控制卡(GT2型)為送經(jīng)的控制單元，用三菱的MR-JE(1.5 kW)型的伺服和電動機(jī)作為送經(jīng)的交流伺服系統(tǒng)，用旋轉(zhuǎn)編碼器(RV型)作為測速壓輥內(nèi)置的編碼器，Karl Mayer的HKS4型高速經(jīng)編機(jī)幅寬為3 454 mm、機(jī)號為E28，最高機(jī)速為1 400 r/min。測試經(jīng)軸為GB3，當(dāng)前外周長為975 mm、內(nèi)周長為630 mm、余圈數(shù)9 966，壓輥外周長為251.2 mm，在HKS4型經(jīng)編機(jī)上，上機(jī)編織工藝為：GB3，1-0/1-2//；GB4，1-2/1-0//。

送經(jīng)量分別為：GB3，1 220 mm/臘克；GB4，1 200 mm/臘克；牽拉密度，21橫列/cm。

實驗中將壓輥的轉(zhuǎn)速信號(A信號)和經(jīng)軸電動機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(A信號)分別接入SCM01型四通道聲振分析儀的2個轉(zhuǎn)速通道中,運行計算機(jī)上的LMSTest.Lab測試與分析軟件，按壓輥編碼器和經(jīng)軸電動機(jī)編碼器的分辨率分別設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，實驗中采樣周期為5 s、采樣頻率為1 kHz(經(jīng)多次實驗，尋求較佳的設(shè)置)。為保證測速壓輥的準(zhǔn)確性，避免機(jī)械振動等的干擾，實驗測試過程中待機(jī)器速度穩(wěn)定后，再分別采集主軸速度為810 r/min時壓輥速度和經(jīng)軸電動機(jī)速度的實時動態(tài)曲線，結(jié)果如圖3所示，測試時經(jīng)軸外周長為975 mm。

圖3 測速壓輥和經(jīng)軸電動機(jī)速度曲線圖Fig.3 Speed of feedback roller and beam motor

在機(jī)器正常運行時，經(jīng)軸電動機(jī)的理論速度如式(7)所示，緊壓在經(jīng)軸盤頭的測速壓輥因為摩擦作用也會做相對運動，所以根據(jù)壓輥與經(jīng)軸表面的線速度相同，可得到測速壓輥的理論速度如式(8)所示。再根據(jù)送經(jīng)量Fzi(1 220 mm/臘克)，主軸轉(zhuǎn)速Wzi(810 r/min)，盤頭的外周長Ci(975 mm)，壓輥的外周長Cr(251.2 mm)，可以得到經(jīng)軸電動機(jī)(191 r/min)和測速壓輥的理論速度值(8.2 r/min)，再與實際值相比較。

再根據(jù)

v=2πrw=cw

整理得到：

(10)

式中：Wbi為經(jīng)軸電動機(jī)的實時速度；Wri為測速壓輥的實時轉(zhuǎn)速，r/min；Wzi為機(jī)器的實時轉(zhuǎn)速，F(xiàn)zi為當(dāng)前周期的送經(jīng)量,mm/臘克；Ci為經(jīng)軸盤頭的實時外周長，mm；Cr為測速壓輥的外周長，mm；M為經(jīng)軸與電動機(jī)之間的傳動比。

圖3中測速壓輥和經(jīng)軸電動機(jī)的實時速度曲線說明了經(jīng)編送經(jīng)控制系統(tǒng)是一個時刻發(fā)生變化的非線性系統(tǒng)，而且壓輥和經(jīng)軸電動機(jī)的速度是一個明顯的跟隨曲線，從測速壓輥的速度曲線與經(jīng)軸電動機(jī)速度曲線的波形圖對比可知，測速壓輥的實際速度在8.1～8.3 r/min之間波動，經(jīng)軸電動機(jī)的實際速度在190～192 r/min之間波動，與理論值相符。說明設(shè)計的基于閉環(huán)控制的經(jīng)編機(jī)控制系統(tǒng)合理，可行，在機(jī)器運行過程中測速壓

輥自帶的編碼器可準(zhǔn)確地測量出壓輥的轉(zhuǎn)速，保證了獲得盤頭的即時外周長和實際送經(jīng)量的準(zhǔn)確性。3.2 全閉環(huán)與半閉環(huán)控制的比較分析

實驗通過SCM01型四通道聲振分析儀采集測速壓輥速度和經(jīng)軸電動機(jī)速度的實時動態(tài)曲線，對比分析說明了全閉環(huán)控制送經(jīng)控制系統(tǒng)的合理與可行性，實驗中再采用三菱伺服監(jiān)測軟件MR-Configurator2，采集帶測速壓輥的閉環(huán)控制與不帶測速壓輥的半閉環(huán)送經(jīng)系統(tǒng)的電動機(jī)指令速度和電動機(jī)的實際反饋速度波形曲線，因為在機(jī)器運行過程中，送經(jīng)驅(qū)動裝置的伺服驅(qū)動器會根據(jù)控制單元下達(dá)的速度指令，驅(qū)動電動機(jī)按照指令速度運動，在運動過程中，伺服電動機(jī)內(nèi)自帶的編碼器會反饋電動機(jī)的實際運動速度，所以通過采集電動機(jī)的2種曲線，可清晰地從速度曲線圖像上對比分析2種送經(jīng)系統(tǒng)的優(yōu)劣。

在執(zhí)行測量、采集波形前，需要先進(jìn)行觸發(fā)條件的設(shè)置、測量對象軸與測量對象監(jiān)視數(shù)據(jù)類型的設(shè)置。在同一機(jī)器、工藝不變的情況下，選定經(jīng)軸GB3為測量對象軸，測量對象為伺服電動機(jī)的指令速度和電動機(jī)速度即實際反饋速度，采集周期為200 ms。采集機(jī)器主軸轉(zhuǎn)速在600 r/min和800 r/min時，半閉環(huán)和的全閉環(huán)控制下，送經(jīng)電動機(jī)的速度指令曲線和電動機(jī)速度曲線如圖4、5所示。

圖4 主軸速度為600 r/min時送經(jīng)電動機(jī)速度跟隨圖像Fig.4 Speed following of let-off motor at spindle speed of 600 r/min. (a) Semi closed loop control; (b) Closed loop control

圖5 主軸速度為800 r/min時送經(jīng)電動機(jī)速度跟隨圖像Fig.5 Speed following of let-off motor at spindle speed 800 r/min. (a) Semi closed loop control; (b) Closed loop control

從圖4、5中可看出：半閉環(huán)的送經(jīng)控制系統(tǒng)(不帶測速壓輥)的送經(jīng)電動機(jī)指令速度圖像基本是直線，在送經(jīng)周期內(nèi)基本沒有出現(xiàn)即時的波動，送經(jīng)電動機(jī)速度曲線時刻在發(fā)生變化，然而并沒有跟隨電動機(jī)指令速度(142 r/min、189 r/min)正常上下波動，實際速度值要比指令速度值大；全閉環(huán)送經(jīng)系統(tǒng)(帶測速壓輥)的送經(jīng)電動機(jī)指令速度圖像不是直線，而是出現(xiàn)即時波動的曲線，送經(jīng)電動機(jī)速度曲線也時刻在發(fā)生變化，并且跟隨電動機(jī)指令速度上下波動，速度平均值基本與指令速度值相同。

由于本實驗設(shè)計的閉環(huán)送經(jīng)系統(tǒng)，是根據(jù)測速壓輥得到經(jīng)軸盤頭的即時外周長和實際送經(jīng)量，通過獲得即時的外周長和實際的送經(jīng)量來計算和調(diào)整送經(jīng)電動機(jī)的速度指令和實際速度，所以閉環(huán)送經(jīng)系統(tǒng)的速度指令圖像是會發(fā)生變化的，并且能保證電動機(jī)速度能很好地跟隨速度指令，避免出現(xiàn)過大的偏差，保證了送經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性和響應(yīng)性。

通過在不同主軸速度下采集半閉環(huán)和全閉環(huán)控制下送經(jīng)電動機(jī)的速度指令和送經(jīng)電動機(jī)速度圖像，說明設(shè)計的全閉環(huán)送經(jīng)控制系統(tǒng)較半閉環(huán)送經(jīng)系統(tǒng)有更好的穩(wěn)定性，送經(jīng)精度以及響應(yīng)性。

4 結(jié) 論

1)本文通過捕捉全閉環(huán)經(jīng)編電子送經(jīng)系統(tǒng)中測速壓輥和經(jīng)軸電動機(jī)的同步、實時的速度曲線，說明了測速壓輥測速的準(zhǔn)確性，以及基于閉環(huán)控制的經(jīng)編控制系統(tǒng)的合理性和可行性。

2)通過送經(jīng)電動機(jī)的速度指令與電動機(jī)速度(即實際速度)曲線的對比分析，說明了設(shè)計的全閉環(huán)控制送經(jīng)系統(tǒng)較半閉環(huán)控制送經(jīng)系統(tǒng)有更好的穩(wěn)定性、送經(jīng)精度、響應(yīng)性。

3)本文主要介紹了設(shè)計的基于閉環(huán)控制的經(jīng)編送經(jīng)系統(tǒng)的設(shè)計原理、方法和硬件的組成，再通過對比實驗，驗證了系統(tǒng)的合理性和可行性，說明了閉環(huán)控制的送經(jīng)系統(tǒng)有更好的穩(wěn)定性、送經(jīng)精度、響應(yīng)性。接下來將進(jìn)一步研究該系統(tǒng)在高速條件下的系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應(yīng)特性等。

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Application of closed loop control on warp knitting of let-off system

WANG Junke, XIA Fenglin

(EngineeringResearchCenterforKnittingTechnology,MinistryofEducation,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

The warp knitting machine control system is a nonlinear system at a time of change for the warp production. It is required to have fast response, high control accuracy and stability, particularly to high-speed warp knitting machine. The system was designed on the basis of the closed loop control of the let-off system of a warp knitting machine. The principle, method and components were introduced in this paper. The DSP digital controller is created as a warp core component of the control unit. It is showed that the beam motor speed for the next period is obtained by measuring via a feedback roller. Besides to achieve the let-off system of real-time online adjustments, it is calculated and corrected in intelligent PID controller according to the deviation of amount of let-off. When a contrast is made, it is concluded the system possesses the nature of high accuracy, response and stability.

warp knitting; let-off system; closed loop control; feedback roller

10.13475/j.fzxb.20160606806

2016-06-27

2016-11-15

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金重點項目(JUSRP51404A); 江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金-前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2015019-20)

王俊科(1990—)，男，碩士生。主要研究方向為數(shù)字化紡織技術(shù)。夏風(fēng)林，通信作者，E-mail：xiafl_622@163.com。

TS 184

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