（控制理論與控制工程專業(yè)論文）漿紗機卷繞機構張力控制系統(tǒng)研究.pdf

中文摘要 摘要 漿紗工藝是重要的織前準備工序，漿紗速度的快慢和漿紗質(zhì)量的好壞對織造生產(chǎn) 影響很大，甚至直接影響著紡織工廠的經(jīng)濟效益。漿紗機卷繞裝置能否實現(xiàn)恒張力卷 繞直接影響著漿紗速度和質(zhì)量。 本文對漿紗機卷繞裝置的卷繞特性進行了研究，對張力控制系統(tǒng)的基本組成及控 制原理進行了探討，研究并得出了卷繞直徑的檢測方法，對基于直接轉矩控制的異步 電動機用作漿紗機主傳動時的控制策略進行了分析。 為了改進張力控制系統(tǒng)的控制性能，本文設計了一套基于d s p的張力控制系統(tǒng)。 該張力控制系統(tǒng)以異步電動機作驅(qū)動電 機， 采用了 直接轉矩控制技術。 系統(tǒng)以美國t i 公司生產(chǎn)的電機控制專用芯片為核心，應用m / t 法實現(xiàn)對電 機轉速的檢測及線速度反 饋的檢測、用軟件實現(xiàn)了 卷繞直徑的計算;主電路采用智能功率模塊 ( 工 p m ) ，把直接 轉矩輸出的開關量轉換為空間矢量電壓實現(xiàn)對電機的轉矩直接驅(qū)動;進而實現(xiàn)數(shù)字化 的恒張力控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實驗，對卷繞裝置實現(xiàn)恒張力控制有明顯改進效果。 因為卷繞張力控制系統(tǒng)是個動態(tài)、時變、非線性系統(tǒng)，考慮到模糊控制技術特有 的魯棒性，本文將模糊控制理論引入張力控制系統(tǒng)，對張力模糊控制器進行了初步設 計; 又通過在直接轉矩控制中引入模糊控制， 對多變量的模糊控制器設計進行了嘗試。 最后本文采用a c s 6 0 0 變頻器構成了卷繞張力控制系統(tǒng)并對其性能進行了剖析。 該 系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線、卷曲 宏等先進的控制技術，其有精確的控制性能，良 好的動態(tài)特 性，能夠?qū)崿F(xiàn)工廠網(wǎng)絡化、信息化。 關鍵詞:卷繞裝置張力控制系統(tǒng)直接轉矩控制 c d t c ) 數(shù)字信號處理器( d s 的模糊控制 英文摘要 ab s t r a c t s i z i n g t e c h n i q u e s i s o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t p r e p a r i n g w o r k i n g p r o c e d u r e s f o r t h e s p i n n in g a n d t h e s p e e d a n d q u a l i t y o f s i z in g h a v e g r e a t im p a c t o n t h e s p i nn i n g p r o d u c t i o n . t h e w i n d i n g d e v i c e o f t h e s iz i n g m a c h i n e d e t e r min e s t h e s i z i n g s p e e d a n d q u a l i t y . t h e w i n d i n g c h a r a c t e r i s t i c o f t h e s i z i n g m a c h i n e s w i n d i n g d e v i c e i s s t u d i e d a n d t h e b a s i c b u i l d u p a n d c o n t r o l m e t h o d o f t h e t e n s i o n c o n t r o l s y s t e m i s a n a ly z e d i n t h i s p a p e r . t h e d e t e c t i o n m e t h o d o f w i n d i n g d i a m e t e r i s d e d u c e d a n d th e c o n t r o l s t r a t e g i e s o f t h e d i r e c t t o r q u e c o n t r o l l e d i n d u c t i o n m o t o r f o r t h e s i z i n g s p i n d l e m a c h i n e t o o l s s e r v o s y s t e m a r e s t u d i e d i n d e t a i l . i n t h i s p a p e r , a t e n s i o n c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n d s p i s d e s i g n e d w i t h t h e p u r p o s e t o e n h a n c e t h e p e r f o r m a n c e a n d b u i l d u p t h e r o b u s t o f t h e s y s t e m . t h i s c o n t r o l s y s t e m u s e a c i n d u c t i o n m o t o r a s a c t u a t o r a n d d i r e c t t o r q u e c o n t r o l a s c o n t r o l s t r a t e g y . t h i s s y s t e m i n c lu d e s t i s d s p a s c e n t r a l c o n t r o l u n i t , m / t m e t h o d a s t h e s p e e d d e t e c t i o n m e t h o d a n d w i n d i n g d i a m e t e r i s c a l c u l a t e d b y s o f t w a r e ; u s i n g i p m a s t h e p o w e r s u p p l y u n i t , t h e t o r q u e o f t h e m o t o r i s d i r e c t c o n t r o l l e d b y t r a n s f o r m i n g t h e o n - o f f s i g n a l o f t h e d i r e c t t o r q u e o u t p u t t o s p a c e v e c t o r v o l t a g e . a n e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h i s c o n d u c t e d a n d t h e r e s u lt s v e r i f y t h e s c h e m e a b o v e i s v a l i d a n d t h e c o n s t a n t t e n s i o n c o n t r o l o f w i n d i n g m a c h i n e i s i m p r o v e d s i g n if i c a n t l y . d u e t o t h e d y n a m i c a n d n o n li n e a r c h a r a c t e r o f t h e w i n d i n g t e n s i o n c o n t r o l s y s t e m , t h e f u z z y c o n t r o l t h e o r y i s i n t r o d u c e d a n d t e n s i o n f u z z y c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d e le m e n t a r i l y . t h e m u l t i - v a r i a b l e f u z z y c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d b y i n t r o d u c i n g f u z z y c o n t r o l t o t h e d i r e c t t o r q u e c o n t r o l g r o u n d e d o n t h e w o r k a b o v e , a w i n d i n g t e n s i o n c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n a c s 6 0 0 0 t r a n s d u c e r i s d e v e l o p e d , a n d i t s p e r f o r m a n c e i s a n a l y z e d . t h i s s y s t e m u s e s s o m e a d v a n c e d c o n t r o l s t r a t e g i e s s u c h a s f i e ld b u s , w i n d e r , w h i c h h a s a c c u r a t e c o n t r o l c a p a b i l i t y a n d c a n r e a l i z e t h e n e t w o r k a n d i n f o r m a t i o n o f t h e f a c t o r y k e y w o r d s : wi n d in g d e v i c e t e n s i o n c o n t r o l s y s t e m d ir e c t t o r q u e c o n t r o l ( d t c ) d s p f u z z y c o n t r o l l e r 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中 特別加以 標注和致謝之處外，論文中不包含其他人己經(jīng)發(fā) 表 或 撰 寫 過 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 為 獲 得 大 生一 或 其 他 教 育 機 構 的 學 位 或 證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論 文中作了明確的說明并表示了謝意。 學 位 論 文 作 者 簽 名 二 k l4 p簽 字 日 期 :， 年 歹 月 種日 學位論文版權使用授權書 本 學 位 論 文 作 者 完 全 了 解al生夕組 有 關 保 留 、 使 用 學 位 論 文 的 規(guī) 定 。 特 授 權 k 生 生- 可 以 將 學 位 論 文 的 全 部 或 部 分 內(nèi) 容 編 入 有 關 數(shù) 據(jù) 庫 進 行 檢 索，并采用影印、 縮印或掃描等復制手段保存、 匯編以 供查閱 和借閱。同意學 校向國家有關部門 或機構送交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權說明) 學位論文作者簽名 導 師 v _s : 沂0 畔 簽 字日 期 : 11.- 0 年i 月砰日 簽 字 日 期 : j . 4 年 月 仲日 第一章緒論 第一章 緒論 漿紗的目的是使經(jīng)紗上漿，以 便使經(jīng)紗貼伏毛羽，增強耐磨。漿紗機是彼此不同 的工藝操作設備的組合，需要控制的參數(shù)有十幾項，提高漿紗機傳動系統(tǒng)控制技術對 提高漿紗技術、確保漿紗質(zhì)量、適應高速生產(chǎn)有極大影響。 1 . 1漿紗工藝及漿紗機概述 所謂漿紗就是對經(jīng)紗表面和內(nèi)部粘附、 滲入一定量的漿液， 再經(jīng)烘燥使表面成膜， 以此來增加原紗的強度和耐磨性，減少表面毛羽，提高其織造性能。漿紗后，經(jīng)紗在 織 造中 應能 承 受反 復 拉伸、 摩擦和沖 擊等 作 用， 順利完成與緯紗的 交織n n z 。 漿 紗 過 程 各區(qū)段對張力大小的要求不一樣，各區(qū)段實現(xiàn)恒張力控制是漿紗的一個工藝條件，是 控制漿紗伸長率的主要因素。 1 . 1 . 1 漿紗機的現(xiàn)狀與發(fā)展 漿紗工藝早在古代就有，歷經(jīng)手工方式、機械方式到現(xiàn)代的自 動化方式，現(xiàn)代漿 紗機的自 動化程度隨著微電子技術、電力電子技術、計算機控制技術、電機調(diào)速技術 的發(fā)展而日 益提高。上漿設備的發(fā)展主要體現(xiàn)烘燥裝置、吸漿系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)方面。 就傳動系統(tǒng)而言，漿紗機從鐵炮、磨擦盤、差微裝置和邊軸傳動發(fā)展到多單元、 變頻器、 變頻電 機等傳動和控制技術t3 。 漿紗機的 傳動系統(tǒng)決定全機運行速度， 一般 以拖引輥表面速度記為 “ 車速” 或者 “ 漿紗速度” 。 現(xiàn)代漿紗機在漿紗速度、張力與伸 長控制、吸漿均勻性和烘燥效率等方面都有明顯提高。 目 前國內(nèi) 所使用的漿紗機是型號新老交替、 性能參差不齊的狀況， 常見的有g 1 4 2 型漿紗 機、 g a 3 0 1 -2 4 0 漿紗機、 g a 3 3 0 漿紗機 和g a 3 0 8 型 漿紗機等r l 3 1 te 1 。 其中 有 代表性的新型漿紗機是鄭州紡織機械廠生產(chǎn)的 g a 3 0 8型漿紗機。g a 3 0 8型漿紗機的 特點是: 1 、可靠性好。采用計算機對各個工藝參數(shù)進行控制、檢測。以往各段張力是由 無級變速器進行調(diào)節(jié)，其結構復雜，易產(chǎn)生故障。現(xiàn)在采用 7 單元變頻拖動后，其故 障率大大降低，可靠性大大提高。 2 、可控性好。整個機器的自 動化程度高，采集各工藝參數(shù)信息準確，尤其是溫 度、回潮率及伸長控制。溫度控制的信息采集是在烘筒內(nèi)部和漿槽內(nèi)部進行的，故信 息準確?；爻甭什捎孟冗M的回潮儀，抗干擾信號強，信息準確。伸長控制的信號由電 機旋轉編碼器傳遞給計算機，無外界干擾，可控性強。 3 、控制精度高。電子行業(yè)的飛速發(fā)展給機械制造業(yè)的發(fā)展帶來了契機，各工藝 參數(shù)控制精度也大大提高。 如 : 伸長控制的 精度為千分之一， 溫度采用p i d自 動控制， 溫度偏差范圍為 月 c 0 ，壓漿力采用線性比例控制等。 4 、結構簡單。g a 3 0 8 型漿紗機采用多單元變頻拖動， 大大簡化了 機械結構，降 第一章緒論 第一章 緒論 漿紗的目的是使經(jīng)紗上漿，以 便使經(jīng)紗貼伏毛羽，增強耐磨。漿紗機是彼此不同 的工藝操作設備的組合，需要控制的參數(shù)有十幾項，提高漿紗機傳動系統(tǒng)控制技術對 提高漿紗技術、確保漿紗質(zhì)量、適應高速生產(chǎn)有極大影響。 1 . 1漿紗工藝及漿紗機概述 所謂漿紗就是對經(jīng)紗表面和內(nèi)部粘附、 滲入一定量的漿液， 再經(jīng)烘燥使表面成膜， 以此來增加原紗的強度和耐磨性，減少表面毛羽，提高其織造性能。漿紗后，經(jīng)紗在 織 造中 應能 承 受反 復 拉伸、 摩擦和沖 擊等 作 用， 順利完成與緯紗的 交織n n z 。 漿 紗 過 程 各區(qū)段對張力大小的要求不一樣，各區(qū)段實現(xiàn)恒張力控制是漿紗的一個工藝條件，是 控制漿紗伸長率的主要因素。 1 . 1 . 1 漿紗機的現(xiàn)狀與發(fā)展 漿紗工藝早在古代就有，歷經(jīng)手工方式、機械方式到現(xiàn)代的自 動化方式，現(xiàn)代漿 紗機的自 動化程度隨著微電子技術、電力電子技術、計算機控制技術、電機調(diào)速技術 的發(fā)展而日 益提高。上漿設備的發(fā)展主要體現(xiàn)烘燥裝置、吸漿系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)方面。 就傳動系統(tǒng)而言，漿紗機從鐵炮、磨擦盤、差微裝置和邊軸傳動發(fā)展到多單元、 變頻器、 變頻電 機等傳動和控制技術t3 。 漿紗機的 傳動系統(tǒng)決定全機運行速度， 一般 以拖引輥表面速度記為 “ 車速” 或者 “ 漿紗速度” 。 現(xiàn)代漿紗機在漿紗速度、張力與伸 長控制、吸漿均勻性和烘燥效率等方面都有明顯提高。 目 前國內(nèi) 所使用的漿紗機是型號新老交替、 性能參差不齊的狀況， 常見的有g 1 4 2 型漿紗 機、 g a 3 0 1 -2 4 0 漿紗機、 g a 3 3 0 漿紗機 和g a 3 0 8 型 漿紗機等r l 3 1 te 1 。 其中 有 代表性的新型漿紗機是鄭州紡織機械廠生產(chǎn)的 g a 3 0 8型漿紗機。g a 3 0 8型漿紗機的 特點是: 1 、可靠性好。采用計算機對各個工藝參數(shù)進行控制、檢測。以往各段張力是由 無級變速器進行調(diào)節(jié)，其結構復雜，易產(chǎn)生故障?，F(xiàn)在采用 7 單元變頻拖動后，其故 障率大大降低，可靠性大大提高。 2 、可控性好。整個機器的自 動化程度高，采集各工藝參數(shù)信息準確，尤其是溫 度、回潮率及伸長控制。溫度控制的信息采集是在烘筒內(nèi)部和漿槽內(nèi)部進行的，故信 息準確。回潮率采用先進的回潮儀，抗干擾信號強，信息準確。伸長控制的信號由電 機旋轉編碼器傳遞給計算機，無外界干擾，可控性強。 3 、控制精度高。電子行業(yè)的飛速發(fā)展給機械制造業(yè)的發(fā)展帶來了契機，各工藝 參數(shù)控制精度也大大提高。 如 : 伸長控制的 精度為千分之一， 溫度采用p i d自 動控制， 溫度偏差范圍為 月 c 0 ，壓漿力采用線性比例控制等。 4 、結構簡單。g a 3 0 8 型漿紗機采用多單元變頻拖動， 大大簡化了 機械結構，降 第一章緒論 低了 工人的 安裝和勞動強度，也給使用廠的 維修帶來了 很大方便。 5 、工藝性強 。由于工藝參數(shù)均采用計算機集中控制， 在設定工藝值時， 只要 在大的工藝框架內(nèi)， 我們可根據(jù)要求，隨心所欲地控制這臺漿紗機。 向時，漿槽的 雙浸四壓、高壓漿力全錫林烘燥等均為最先進的工藝技術。 6 、節(jié)省能源。漿紗機采用1 2 只烘筒烘燥，直接加熱烘燥的效率高，同時采用高 壓上漿使?jié)窕爻甭蚀蟠蠼档停瑴p小了烘房的烘燥量，故節(jié)省了能源?？赏ㄟ^互連網(wǎng)對 漿紗機實現(xiàn)遠程監(jiān)控。 國外常見的漿紗機是祖克漿紗機，由德國祖克穆勒 ( s u c k e r mu l l e r ) 公司生 產(chǎn)。 祖克漿紗機7 0 年代前采用交流整流子電動機和部分液壓傳動。 8 0 年代以來， 其s 系列的各種機型，如s u c k e r -s 2 2 2 , s u c k e r -s 2 3 2 型漿紗機均采用直流電動機和部分 液壓傳動。 在國 外生產(chǎn)的 新型漿紗機中， 瑞士貝寧格 ( b e n - s i z e t e c ) 生產(chǎn)的7 單元 漿紗機比較有代表性。它采用 7 個單元分別變頻調(diào)速，對6個區(qū)進行張力控制。2 個 變頻電機分別驅(qū)動拖引輥和織軸，織軸卷繞張力由電腦控制通過氣動張力輥隨著卷繞 直徑的增加而進行微調(diào)，以保證織軸卷繞密度均勻一致。伸縮箱橫動機構隨著車速成 比例無級橫動，采用手機式 ( h a n d y ma t )操作面板對機器進行操作，可以使操作 非常方便。采用模塊結構原理設計:全機分成 5 個階段，每個區(qū)段由計算機控制，便 于設備升級改裝。 車速可以隨意調(diào)節(jié)，最高車速可達 1 2 0 米/ 分， 上漿率穩(wěn)定并可由計 算機控制，漿料消耗少，織造效率高，程序設計簡單明確，檢查工藝參數(shù)方便快捷。 結構緊湊，占用空間小。自 動化程度高，控制精密，性能可靠?？梢詫崿F(xiàn)遠距離故障 診斷。 新型漿紗機發(fā)展的特點是: 1 、適用闊幅、大卷裝。這要求漿紗機的工作幅度和織軸卷繞直徑加大。現(xiàn)時漿 紗機的漿槽工作幅度有 1 8 0 0 m m和2 0 0 0 m m兩種形式，卷繞直徑在8 0 0 m m -1 6 0 0 m rr 范圍內(nèi)。 2 、通用化。適用于高緊密織物的經(jīng)紗上漿，適應織物品種檔次，提高質(zhì)量要求 與織機效率。 這是新型漿紗機發(fā)展的最重要方面。 3 、多烘筒烘燥。 4 、適當高速和自 動控制。現(xiàn)在的車速大多在 1 0 0 米/ 分鐘一 1 2 0 米/ 分鐘，車速 可提高到2 0 0 米/ 分鐘，但對漿紗機來說，不能一味追求更高的速度，而主要應該以 提高漿紗質(zhì)量為主，因此，漿紗機必須有相應的自 動控制裝置和高效能的烘燥裝置， 在自 動控制方面，一般應有:( 1 ) 織軸卷繞控制 ( 2 ) 壓漿力自 控 ( 3 )溫度自 動控制 ( 4 )回潮率自 控 ( 5 )伸長自 控等。 5 、變頻調(diào)速分段傳動。新型漿紗機都己成為多單元傳動。取消了傳動邊軸和調(diào) 節(jié)各區(qū)張力的無級調(diào)速器。分別在車頭織軸卷繞、拖引輥、烘房、上漿輥、引紗輥等 第一章緒論 處用變頻電 機單獨傳動。 每個單元都有速度反饋系統(tǒng)， 運用同 步控制技術， 實現(xiàn)各單 元之間的精確同步。 6 、部件標準化和系列化。為適應上漿品種的多樣化， 漿紗機己向 模塊化組裝方 向發(fā)展。它的軸架、漿槽、烘燥、卷繞和傳動都在標準化和系列化。用戶可根據(jù)自己 的需要自由選擇和組合，構成不同特點的漿紗機。 1 . 1 . 2 漿紗機主要結構及張力的作用 漿紗機的種類較多， 這里以上面提到的的g a 3 0 8 型漿紗機( 由鄭州紡織機械廠研 發(fā)) 為例， 說明 漿紗機的主要結構。 其工藝流程圖 如圖1 - 1 所示。 主要由 雙層經(jīng)軸架、 雙浸四壓高壓漿槽、分層及合并烘干的高架烘房、大卷裝調(diào)幅車頭及計算機集中控制 0電 控部分組成。 其中 織 軸卷 繞、 拖引 輥、 烘房部分、 前 后漿槽的 上 漿輥和引紗輥分別由7 只 電機拖動，故該機稱為7 單元拖動的g a 3 0 8 型漿紗機。 預上 層面 分單 4.認 1 經(jīng)抽架; 2 . 性張力 退塞; 3 . 后策槍: 拚 # e 14 a 5 a # 撼石 冷開 洪 千 塊k s 蠟; 8 . 牟頭券燒權構 圖1 - 1 g a 3 0 8 型漿紗機工藝流程圖 漿紗機需要一定的張力來保持紗線伸直、紗片排列均勻;漿紗機上紗片需要一定 的張力來帶動各個導紗輥及烘筒;漿紗機上紗片需要一定張力來通過分絞裝置和伸縮 箱裝置; 漿紗機上紗片需要較大的卷繞張力以 卷繞成緊密、 堅實的漿軸; 紗片上漿時， 張力要小，以免影響紗片吸漿;整個運行過程中，張力不能過大，以免紗線弱節(jié)發(fā)生 斷裂;減少張力引起的伸長，保持紗線彈性以滿足可織性的需要。 由 于漿紗工藝的 需要， 漿紗機各部分張力和伸長都不相同 ， 通常分為退卷張力區(qū)、 喂入張力區(qū)、濕張力區(qū)、干張力區(qū)、卷繞張力區(qū)。為了保證漿紗質(zhì)量，漿紗張力與伸 長采用分區(qū)控制。其中，卷繞張力區(qū)的張力在全機中最大。漿軸卷繞結構的緊密和均 勻?qū)椢镔|(zhì)量、外觀疵點及運轉效率非常重要。 g a 3 0 8型漿紗機利用先進技術和元件對全機各段張力進行控制，即對喂入?yún)^(qū)、 濕 區(qū)、干區(qū)、卷繞張力進行控制。采用計算機控制的變頻拖動，由7 個變頻系統(tǒng)進行各 段伸長的控制。因為是兩只漿槽，共有 7 個變頻控制點。喂入?yún)^(qū)、濕區(qū)、干區(qū)控制各 段伸長值，通過計算機與設定的數(shù)值進行比 較運算。由控制系統(tǒng)改變各單元速度， 從 而達到與設定伸長值一致的最佳伸長值。 第一章緒論 1 . 2 漿紗機的主傳動與調(diào)速 1 . 2 . 1 漿紗機的主傳動 漿紗機的主傳動是指由主電機對拖引輥、烘筒、上漿輥和引紗輥的傳動。傳統(tǒng)漿 紗機一般經(jīng)邊軸驅(qū)動，所以邊軸驅(qū)動系統(tǒng)就是主傳動系統(tǒng)。主傳動系統(tǒng)決定全機運行 速度，一般拖引輥表面速度記為 “ 車速”或 “ 漿紗速度” 。漿紗機的主傳動類型很多， 傳統(tǒng)的可分為如下幾類:三相交流異步電機+ 塊帶式無級變速器+ 爬行裝置;三相交流 異步電機十 電磁滑差離合器式;直流電機;三相交流異步電機十 液壓無級變速器;三相 交流整流子電 機; 三相交流異步電 機+ p x 擴大型無級變速器等 1 3 4 5 7 1 目 前，由于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)具有體積小、壽命長、無電刷、可靠性高、無需維 修、控制精度高、運行穩(wěn)定高、運行穩(wěn)定、調(diào)速平滑且范圍廣、設備成本低和節(jié)電等 優(yōu)點，交流變頻調(diào)速技術已用于國內(nèi)外新型漿紗機的主傳動系統(tǒng)。 1 . 2 . 2 交流變頻調(diào)速技術概述 圖1 - 2變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖1 - 2 所示2 4 2 9 1 。 控制器根據(jù)轉速的 給定值和反 饋量運用相應的控制算法控制逆變器中功率器件的關斷時序。 恒壓恒頻的三相交流電 通過逆變器產(chǎn)生電壓和頻率均可變的三相交流電，供給交流電機的定子，以實現(xiàn)平滑 的交流電 機調(diào)速。 在多數(shù)情況下， 把控制器與逆變器合二為一，稱為逆變器。 變頻調(diào)速的優(yōu)點在于:改變頻率 了 轉差率 s 不變，也就是不同轉速時5 不變，因 而轉差損耗小，特性硬，調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高， 適用于調(diào)速性能要求比較高的場 合。 對于同 步電 機 采 用變 頻調(diào)速更為重 要， 因 為同 步電 機它沒有轉差， 只有變頻。 同 步機的轉速為: n = n o = 6 0 f , / n ， 一 ( 1 - 1 ) 這就決定了同步機不可能采用變轉差的調(diào)速方法。采用變頻調(diào)速方法后，同步機 可以直接啟動，任意變速運行，克服了起動問 題、重載時的失步和振蕩問題。 變頻調(diào)速的方法有多 種， 按照變頻器的 類型分主要有交一交變頻器和交一直 一交 變頻器兩大類;按照控制方法分有標量控制、矢量控制和異步機的直接轉矩控制。 第一章緒論 在漿紗機上應用交流變頻調(diào)速技術， 減少了 其機械結構和電 機。我國在對傳統(tǒng)漿 紗機改造中采用交流變頻調(diào)速，減少原設計中的機械無級變速器，同時省去了一個伺 . 服電機和一個慢速電機。而在滿足上漿工藝上，車速由慢速、主機加升降速改造成了 無間斷 無級調(diào)速。 為車速變化調(diào)整壓力實 現(xiàn)漿紗上漿率均衡提供了 條件。3 1 9 1 1 . 3 本課題研究的主要內(nèi) 容 1 . 3 . 1 漿紗機的張力控制系統(tǒng)主要存在以下問題: 張力與伸長是漿紗的重要質(zhì)量指標， 現(xiàn)代棉紡織設備對經(jīng)紗上漿技術要求越來越 高，這就要求對恒張力控制更加嚴格。恒張力控制實質(zhì)上是電動機的轉速控制。交流 變頻調(diào)速技術應用于漿紗機傳動系統(tǒng)，能夠大大提高漿紗機的恒張力控制水平。 傳統(tǒng)漿紗機的張力控制系統(tǒng)主要存在以下問題: 1 、國內(nèi)大多數(shù)新型漿紗機采用p i v ( p o s i t i v e i n f i n i t e l y v a r i a b l e ) 機械卷繞 機構。p i v 卷繞機構在機械狀態(tài)正常的條件下， 其卷繞機械特是比 較好的。 但因為其 機械復 雜， 運轉維護技術要求高， 在實際使用中機構故障多，嚴重影響了漿紗產(chǎn)量、 質(zhì)量，而且使紗線、漿料浪費，維修費用增加，也有選用進口p i v卷繞裝置，其昂貴 的價格，企業(yè)往往無法承受，機械故障也時有發(fā)生。 2 、有的采用磁粉制動器/ 磁粉離合器作為張力控制。其線性不夠好，控制的卷徑 變化范圍不大。 特別是在大負荷或高速時張力精度不夠) ;其故障率高，維護費用高 ( 經(jīng)常要更換磁粉) ， 磁粉制動器/ 磁粉離合器的可靠性差 ， 發(fā)熱嚴重功率大的還需水 冷等。這種控制還需要調(diào)速單元 ( 如變頻器、直流調(diào)速器)及張力控制儀，整體性價 比太低; 3 、 直流伺服電 機在漿紗機上應用較多， 其結構復雜，維修不便，設 備費用較大。 4 、對于時變、非線性卷繞系統(tǒng)，傳統(tǒng)的模擬控制方法由明顯的不足之處: 第一， 模擬調(diào)節(jié)器的參數(shù)是固定的， 難于適應系統(tǒng)參數(shù)( 例如卷徑) 的大范圍變化。 第二，用模擬器件難于實現(xiàn)記億存儲和復雜的計算。第三，模擬控制方式難于實現(xiàn)非 線性控制規(guī)律、自 適應控制規(guī)律和自 尋優(yōu)控制規(guī)律。7 9 ) o i d 11 16 1 1 . 3 . 2 本課題主要進行的工作: 在吸取和借鑒國內(nèi)外研究成果的基礎上，本課題主要進行以下幾方面的工作: 1 、 深入研究了漿紗機卷繞裝置的卷繞特性， 討論了張力控制系統(tǒng)的 基本組成及控 制原理，討論了直流電機作為主傳動時的控制策略;研究并得出了卷繞直徑的檢測方 法;討論了變頻調(diào)速技術作為漿紗機主傳動時的控制策略; 2 、 設計了一套基于d s p 的數(shù)字張力控制系統(tǒng)。 該張力控制系統(tǒng)采用直接轉矩控制 方法對異步電動機進行調(diào)速， 作為漿紗機的傳動電機。 系統(tǒng)以美國t i 公司生產(chǎn)的電機 控制專用芯片為核心，應用m / t 法實現(xiàn)對電 機轉速的檢測及線速度反饋的檢測、用軟 件實現(xiàn)了卷繞直徑的計算;主電路采用智能功率模塊 ( i p m ) ，把直接轉矩輸出的開關 第一章緒論 在漿紗機上應用交流變頻調(diào)速技術， 減少了 其機械結構和電 機。我國在對傳統(tǒng)漿 紗機改造中采用交流變頻調(diào)速，減少原設計中的機械無級變速器，同時省去了一個伺 . 服電機和一個慢速電機。而在滿足上漿工藝上，車速由慢速、主機加升降速改造成了 無間斷 無級調(diào)速。 為車速變化調(diào)整壓力實 現(xiàn)漿紗上漿率均衡提供了 條件。3 1 9 1 1 . 3 本課題研究的主要內(nèi) 容 1 . 3 . 1 漿紗機的張力控制系統(tǒng)主要存在以下問題: 張力與伸長是漿紗的重要質(zhì)量指標， 現(xiàn)代棉紡織設備對經(jīng)紗上漿技術要求越來越 高，這就要求對恒張力控制更加嚴格。恒張力控制實質(zhì)上是電動機的轉速控制。交流 變頻調(diào)速技術應用于漿紗機傳動系統(tǒng)，能夠大大提高漿紗機的恒張力控制水平。 傳統(tǒng)漿紗機的張力控制系統(tǒng)主要存在以下問題: 1 、國內(nèi)大多數(shù)新型漿紗機采用p i v ( p o s i t i v e i n f i n i t e l y v a r i a b l e ) 機械卷繞 機構。p i v 卷繞機構在機械狀態(tài)正常的條件下， 其卷繞機械特是比 較好的。 但因為其 機械復 雜， 運轉維護技術要求高， 在實際使用中機構故障多，嚴重影響了漿紗產(chǎn)量、 質(zhì)量，而且使紗線、漿料浪費，維修費用增加，也有選用進口p i v卷繞裝置，其昂貴 的價格，企業(yè)往往無法承受，機械故障也時有發(fā)生。 2 、有的采用磁粉制動器/ 磁粉離合器作為張力控制。其線性不夠好，控制的卷徑 變化范圍不大。 特別是在大負荷或高速時張力精度不夠) ;其故障率高，維護費用高 ( 經(jīng)常要更換磁粉) ， 磁粉制動器/ 磁粉離合器的可靠性差 ， 發(fā)熱嚴重功率大的還需水 冷等。這種控制還需要調(diào)速單元 ( 如變頻器、直流調(diào)速器)及張力控制儀，整體性價 比太低; 3 、 直流伺服電 機在漿紗機上應用較多， 其結構復雜，維修不便，設 備費用較大。 4 、對于時變、非線性卷繞系統(tǒng)，傳統(tǒng)的模擬控制方法由明顯的不足之處: 第一， 模擬調(diào)節(jié)器的參數(shù)是固定的， 難于適應系統(tǒng)參數(shù)( 例如卷徑) 的大范圍變化。 第二，用模擬器件難于實現(xiàn)記億存儲和復雜的計算。第三，模擬控制方式難于實現(xiàn)非 線性控制規(guī)律、自 適應控制規(guī)律和自 尋優(yōu)控制規(guī)律。7 9 ) o i d 11 16 1 1 . 3 . 2 本課題主要進行的工作: 在吸取和借鑒國內(nèi)外研究成果的基礎上，本課題主要進行以下幾方面的工作: 1 、 深入研究了漿紗機卷繞裝置的卷繞特性， 討論了張力控制系統(tǒng)的 基本組成及控 制原理，討論了直流電機作為主傳動時的控制策略;研究并得出了卷繞直徑的檢測方 法;討論了變頻調(diào)速技術作為漿紗機主傳動時的控制策略; 2 、 設計了一套基于d s p 的數(shù)字張力控制系統(tǒng)。 該張力控制系統(tǒng)采用直接轉矩控制 方法對異步電動機進行調(diào)速， 作為漿紗機的傳動電機。 系統(tǒng)以美國t i 公司生產(chǎn)的電機 控制專用芯片為核心，應用m / t 法實現(xiàn)對電 機轉速的檢測及線速度反饋的檢測、用軟 件實現(xiàn)了卷繞直徑的計算;主電路采用智能功率模塊 ( i p m ) ，把直接轉矩輸出的開關 第一章緒論 量轉換為空間矢量電 壓實現(xiàn)對電 機的轉矩直接驅(qū)動; 進而實現(xiàn)了 恒張力控制。 3 、因為卷繞張力控制系統(tǒng)是個動態(tài)、時變、 非線性系統(tǒng)， 考慮到模糊控制技術特 有的魯棒性，將模糊控制理論引入張力控制系統(tǒng)是非常合適的。本文對張力模糊控制 器進行了初步設計，又通過在直接轉矩控制中引入模糊控制，對多變量的模糊控制器 設計進行了實踐。 4 、瑞典 a b b 公司生產(chǎn)的變頻器 a c s 6 0 0 ，將d t c 技術和模糊控制理論合二為一， 構成高性能、 低成本的變頻器調(diào)速產(chǎn)品， 本文最后采用a c s 6 0 0 變頻器卷曲宏構成了卷 繞張力控制系統(tǒng)并對其性能進行了剖析。需要說明的是，本文所設計的張力控制系統(tǒng) 與a c s 6 0 0 變頻器構成的張力控制系統(tǒng)在硬件實現(xiàn)和控制策略上都不一樣， 但可達到同 樣的效果。 第二章 漿紗機卷繞機構張力控制策略研究 第二章 漿紗機卷繞機構張力控制策略研究 2 . 1 漿紗機織軸卷繞裝置及其特點 2 . 1 . 1 漿紗機織軸卷繞裝置的要求 漿紗機織軸卷繞裝置的任務是: 將拖引輥送出的漿紗以均勻的張力卷繞到織軸上。 漿紗機卷繞系統(tǒng)的卷軸結構是否緊密與均勻，對織物質(zhì)量、外觀疵點以 及運轉效率非 常重要，卷繞張力區(qū)是從加壓測長輥與拖引輥的夾持點起，紗片經(jīng)張力調(diào)節(jié)輥、導紗 輥、壓紗輥， 直至卷到漿軸上。 它應滿足如下要求: 川 2 1 、對拖引輥速度有良 好的跟蹤性能，即織軸卷繞與拖引漿紗應同步進行。 2 、 具有恒功率卷繞的特性。即具有在織軸卷繞直徑由小到大、 變化4 倍以上的范 圍內(nèi)，織軸的轉速能不斷降低，以 保持恒定的卷繞張力和表面線速度的機械特性。 3 、機械效率高，結構簡單耐用，便于操作維修。 2 . 1 . 2 恒功率負載的特點 恒功率負載在工藝上一般都要求加工過程中保持織物的張力恒定， 或線速度恒定。 從這個角度說，這類系統(tǒng)屬于恒值系統(tǒng)。 圖2 - 1卷繞裝置示意圖 圖2 - 1 所示的兩個傳動單元，m , 為一個穩(wěn)速系統(tǒng)，m z 為典型卷繞系統(tǒng)， 減速比， ih定的， f 為: d o . d ， 分別為空軸和滿軸的直徑， d 為卷繞過程中某一時刻卷繞直徑 j 為機械 。 即v 是 而v二 九 。 月 2 ， 即v 2 隨 卷 徑d 的 加 大 而 線 性 上升。 兩 個單 元 之 間 織 物的 張 力 “ = 1 s3 j (v 2 一 v ):it 一 ( 2 - 1 ) 式 ( 2 - 1 ) 中: f 一織物承受的張力;s 一織物的截面積;1 一傳動點m , n 之間的距 第二章 漿紗機卷繞機構張力控制策略研究 第二章 漿紗機卷繞機構張力控制策略研究 2 . 1 漿紗機織軸卷繞裝置及其特點 2 . 1 . 1 漿紗機織軸卷繞裝置的要求 漿紗機織軸卷繞裝置的任務是: 將拖引輥送出的漿紗以均勻的張力卷繞到織軸上。 漿紗機卷繞系統(tǒng)的卷軸結構是否緊密與均勻，對織物質(zhì)量、外觀疵點以 及運轉效率非 常重要，卷繞張力區(qū)是從加壓測長輥與拖引輥的夾持點起，紗片經(jīng)張力調(diào)節(jié)輥、導紗 輥、壓紗輥， 直至卷到漿軸上。 它應滿足如下要求: 川 2 1 、對拖引輥速度有良 好的跟蹤性能，即織軸卷繞與拖引漿紗應同步進行。 2 、 具有恒功率卷繞的特性。即具有在織軸卷繞直徑由小到大、 變化4 倍以上的范 圍內(nèi)，織軸的轉速能不斷降低，以 保持恒定的卷繞張力和表面線速度的機械特性。 3 、機械效率高，結構簡單耐用，便于操作維修。 2 . 1 . 2 恒功率負載的特點 恒功率負載在工藝上一般都要求加工過程中保持織物的張力恒定， 或線速度恒定。 從這個角度說，這類系統(tǒng)屬于恒值系統(tǒng)。 圖2 - 1卷繞裝置示意圖 圖2 - 1 所示的兩個傳動單元，m , 為一個穩(wěn)速系統(tǒng)，m z 為典型卷繞系統(tǒng)， 減速比， ih定的， f 為: d o . d ， 分別為空軸和滿軸的直徑， d 為卷繞過程中某一時刻卷繞直徑 j 為機械 。 即v 是 而v二 九 。 月 2 ， 即v 2 隨 卷 徑d 的 加 大 而 線 性 上升。 兩 個單 元 之 間 織 物的 張 力 “ = 1 s3 j (v 2 一 v ):it 一 ( 2 - 1 ) 式 ( 2 - 1 ) 中: f 一織物承受的張力;s 一織物的截面積;1 一傳動點m , n 之間的距 第二章 漿紗機卷繞機構張力控制策略研究 離:y 織 物彈性 模量;v v 兩個 傳動點m , n 處的 線 速度。 由式 ( 2 - 1 )可見，欲使張力恒定，必須保持線速度差恒定。根據(jù)公式v = z d n 要 使v rr 定， 必 須使電 動 機 轉 速n 二 1/ d， 即n o c l / t ( t 為電 動 機 輸出 轉 矩) 。 可 見 這 類系統(tǒng)的負載特性應如圖2 - 2 所示，稱為恒功率負載特性，也稱卷繞特性。 圖2 - 2卷繞特性 式 ( 2 - 1 ) 表明，值張力控制實質(zhì)上是電動機的轉速控制。 卷繞機構張力主要是通 過兩個傳動單元之間的線速度差形成的。卷繞過程中卷徑d 是時間的函 數(shù)， 而d 的變 化又引起線速度 v 和張力f 的變化。 所以 卷繞過程是一個動態(tài)時變過程。由 于張力波 動是由線速度波動引起的，所以張力恒定即線速度恒定。而欲使線速度恒定，就需卷 繞功率為恒定值。所以恒張力控制、恒線速度控制、恒功率控制，三者在本質(zhì)上是相 同 的 1:。 2 . 2 恒張力自 動控制系統(tǒng) 常見的恒張力控制系統(tǒng)有兩類: 一類是取被調(diào)量f ( 或v ) 為反饋量直接構成張力負 反饋控制系統(tǒng);另一類是按擾動補償調(diào)節(jié)的原則來進行控制的恒張力系統(tǒng)，這些引起 張力波動的擾動量應該能夠被檢測出來。 2 . 2 . 1 張力負反饋控制系統(tǒng) 張 力一f 環(huán)節(jié) 一一 加 認 一 干 圖2 - 3 張力負反饋系統(tǒng)原理圖 圖中:p c 一張力檢測變換器、f s 一張力傳感器、f t 一張力調(diào)節(jié)器。 g f 一功率放大 裝置，如晶閘管裝置等。u ， 一張力給定和u f f 一張力反饋。 第二章 漿紗機卷繞機構張力控制策略研究 離:y 織 物彈性 模量;v v 兩個 傳動點m , n 處的 線 速度。 由式 ( 2 - 1 )可見，欲使張力恒定，必須保持線速度差恒定。根據(jù)公式v = z d n 要 使v rr 定， 必 須使電 動 機 轉 速n 二 1/ d， 即n o c l / t ( t 為電 動 機 輸出 轉 矩) 。 可 見 這 類系統(tǒng)的負載特性應如圖2 - 2 所示，稱為恒功率負載特性，也稱卷繞特性。 圖2 - 2卷繞特性 式 ( 2 - 1 ) 表明，值張力控制實質(zhì)上是電動機的轉速控制。 卷繞機構張力主要是通 過兩個傳動單元之間的線速度差形成的。卷繞過程中卷徑d 是時間的函 數(shù)， 而d 的變 化又引起線速度 v 和張力f 的變化。 所以 卷繞過程是一個動態(tài)時變過程。由 于張力波 動是由線速度波動引起的，所以張力恒定即線速度恒定。而欲使線速度恒定，就需卷 繞功率為恒定值。所以恒張力控制、恒線速度控制、恒功率控制，三者在本質(zhì)上是相 同 的 1:。 2 . 2 恒張力自 動控制系統(tǒng) 常見的恒張力控制系統(tǒng)有兩類: 一類是取被調(diào)量f ( 或v ) 為反饋量直接構成張力負 反饋控制系統(tǒng);另一類是按擾動補償調(diào)節(jié)的原則來進行控制的恒張力系統(tǒng)，這些引起 張力波動的擾動量應該能夠被檢測出來。 2 . 2 . 1 張力負反饋控制系統(tǒng) 張 力一f 環(huán)節(jié) 一一 加 認 一 干 圖2 - 3 張力負反饋系統(tǒng)原理圖 圖中:p c 一張力檢測變換器、f s 一張力傳感器、f t 一張力調(diào)節(jié)器。 g f 一功率放大 裝置，如晶閘管裝置等。u ， 一張力給定和u f f 一張力反饋。 第二章 漿紗 機卷繞機構張力控制策略研究 圖2 - 3 所示是張力負反饋系統(tǒng)， 它利用張力計， 把織物的張力轉換成相應的電 信 號， 反饋到張力調(diào)節(jié)器輸入端與張力給定值比較， 組成張力閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 如果u + d , 控制系統(tǒng)使執(zhí)行電 機轉矩增大， 轉速提高， 張力增大; 如果u r r u , , , ii u t d - d o = v t d一 ( 2 - 1 3 ) 式 ( 2 - 1 3 )中v 為織物的線速度， t 為從空軸d 。 開始卷繞到卷徑d 的時間，s為 織物的厚度，解之可得: 第二章 漿紗機卷繞機構張力控制策略研究 對 直 流 調(diào) 速 系 統(tǒng) 而 言， 張 力f = k . 里 1 三 ， 所以 張 力 控 制的 精 度主 要 取 決 于 卷 徑d d 的檢測精度。由于卷繞對象本身的數(shù)學模型是非線性和時變的，要設計一個好的控制 系統(tǒng)，就應當采非線性、變參數(shù)的調(diào)節(jié)器或控制器，這只有使用微控制器才能實現(xiàn)。 對卷徑變化的補償，通常指的是在工作卷繞過程中的補償。在實際張力控制系統(tǒng) 中，卷繞機車啟、停過程還要進行加減速補償。在上面討論中，忽略了 加減速時的轉 矩md 。 實際 加 速過程中，為了 保持張 力不變，電 磁轉矩應該附 加正的 動態(tài)轉 矩，以 補償卷繞軸等機構慣性所需要吸收的能量，在減速時，為了保持張力不變，則應該附 加負的動態(tài)轉矩，以 補償需要放出的能量。 2 . 3 卷繞直徑的檢測 在實際生產(chǎn)中，實現(xiàn)卷繞機構恒張力控制，主要擾動量是卷徑d 的變化。無論采 用哪種控制方案和哪種調(diào)速方式，控制系統(tǒng)都必須設置檢測裝置對卷徑進行檢測。 2 . 3 . 1 由實際織物線速度和電機轉速計算得到卷徑 根據(jù)v= 2 7 m r=t d n得: d =一( 2 - 1 2 ) 即只要測取織物的線速度v 和電動機轉速n ， 經(jīng)除法器， 即可測得卷徑d 的信號。 這種方法需要線速度 v 和電動機轉速 n 裝置。 2 . 3 . 2 由織物線速度與織物實際的厚度計算得到卷徑 d ( t ) 圖2 - 4 卷徑d 的變化 根據(jù)圖2 - 1 所示，卷軸陰影部分的面積為: : = t d - d o = v t d一 ( 2 - 1 3 ) 式 ( 2 - 1 3 )中v 為織物的線速度， t 為從空軸d 。 開始卷繞到卷徑d 的時間，s為 織物的厚度，解之可得: 第二章 漿紗機卷繞機構張力控制筑略研究 。 一 、 i o o + 4 v a r一 ( 2 - 1 4 ) 利用軟件很容易求得卷徑d 隨時間變化的曲線如圖2 - 4 所示。 2 . 3 . 3用迭代法計算得到卷徑d 設卷繞過程中t 時刻直徑為d ( t ) ， 則在 ( t + o t ) 時 刻卷徑為d ( t + a t ) = 。 ( t ) + 4 d ，因為卷軸每轉一周，其直徑就增加2 層織物的厚度，所以在 t 時間內(nèi)卷徑增 量為: . _2 8 v o t a 述 j=一二， 下 7 0( t ) 一 一( 2 - 1 5 ) 逐次迭代，即可求得任一時刻卷徑d的值。 以上幾種卷徑的計算是基于線速度給定的，同時亦假定實際線速度與線速度給定 是一樣的。卷徑計算