（系统分析与集成专业论文）织机张力控制系统.pdf

浙江太学面! 七学位论文摘要 摘要 本文研究的内容是织机的张力控制，织机张力控制系统是纺织行业中重要环 节，张力控制的好坏直接影响到产品的质量。由于影响织机经纱张力的因素很多， 建立模型较困难，在运行过程中，受干扰的因素也较多，所以张力控制一直是控 制的难题。 首先，在本文中分析与研究了织机的工作原理，影响张力波动的各个因素 织机经纱张力的特性，并建立了相应的数学模型。 其次，本文探讨了经纱张力的控制方法，辨识经纱张力的数学模型，并在传 统的p i d 控制技术基础上，引入非线性控制和智能控制策略中的模糊p i d 控制 算法。并在m a t l a b 环境中进行仿真。在实验过程中表明系统的数学模型基本 能够反应张力控制的动态过程，采用传统p i d 控制算法已经可以满足经纱张力控 制的性能要求，而采用非线性控制算法和模糊p i d 控制算法的控制效果则更为理 想。 最后，本文讨论了电子送经和电子卷取控制器的硬件设计实现和软件设计的 方法，电子送经和电子卷取控制器的主要功能是控制织机的送纱运动和卷布运 动，实现经纱张力在织物生产过程中稳定在设定状态。 i 关键词】张力控制电子送经p i d 控制 非线性控制模糊控制 浙j 工太学顼士学垃论文a b s t m c c a b s t r a c t t h i st h e s i si sa b o u tt h et e n s i o nc o n t r o lo fl o o m t h et e n s i o nc o n t r o l s y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h et e x t i l ei n d u s t r y t h er e s u l to ft h ec o n t r o l w i l ld i r e c t l ya f f e c tt h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t b e c a u s et h e r ea r em a n y f a c t o r sw h i c hw i l la f f e c tt h et e n s i o no fl o o mc o n t r o l ，i ti sd i f f i c u l tt ob u i l d am o d e lf o rt h et e n s i o nc o n t r 0 1 i nt h ep r o c e s so fc o n t r o l ，t h e s ea r ea l s o m a n yf a c t o r sd i s t u r b i n gt h et e n s i o nc o n t r o l ，s oi ti sat o u g hp r o b l e mt o c o n t r o lt h et e n s i o no fl o o m f i r s t l y , t h i st h e s i sa n a l y s e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h el o o m ，t h e f a c t o r sw h i c hm a k et h ew a r pt e n s i o nf l u c t u a t e ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ew a r pt e n s i o nc o n t r o l ，a n dm o d e la r eb u i l tf o rt h e mr e s p e c t i v e l y s e c o n d l y , t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ec o n t r o lm e t h o do fw a r pt e n s i o n c o n t r o l ，t h em a t hm o d e lo ft e n s i o nc o n t r o li d e n t i f i c a t i o n b a s e do np i d c o n t r o la l g o r i t h m ，w ei n t r o d u c en o n l i n e a rc o n t r o la n df u z z yp i dc o n t r o l a l g o r i t h m ，w h i c hh a v eb e e ns i m u l a t e d i nt h em a t l a bs y s t e m i n p r a c t i c e ，t h em a t hm o d e lc a l lg e n e r a l l yr e s p o n s et h em o v i n gt e n s i o n c o n t r 0 1 t h er u n n i n gr e s u l t so fu s i n gt h o s em e t h o d ss t a t e st h a tt h ep i d c o n t r o lm e t h o dc a nf i tt h en e e do ft e n s i o nc o n t r o lw e l t ，b u tt h en o n l i n e a r c o n t r o la n df u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h mm a k et h er e s u l tm o r eb e t t e r , l a s t l y , t h i st h e s i sd i s c u s s e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t o fe l e c t r o n i cl e t - - o f fc o n t r o l l e ra n de l e c t r o n i ct a k e u pc o n t r o l l e r t h em a i n i i 浙江 学鲠0 学垃论上 a b s t r a c t f u n c t i o no fe l e c t r o n i cl e t - o f fc o n t r o l l e ra n de l e c t r o n i ct a k e - - u pc o n t r o l l e ri s t oc o n t r o lt h el e t - o f fm o t o ra n dt a k e u pm o t o r , w h i c hw i l ls t a b l yk e 印t h e t e n s i o ni n v a r i a b l ei nr a n g e 砌w o r d s ：t e n s i o nc o n t r 0 1 e l e c t r o n i cl e t 0 氲p i dc o n t o l n o n l i n e a rc o n t r 0 1 f u z z yp i d i l 浙江太学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 计算机控制理论及其发展 1 9 4 6 年世界上第一台电子计算机e n i c a e 式使用以来，电子计算机在世界各 国得到了极大的重视和迅速的发展。计算机控制技术是自动控制理论与计算机技 术相结合的产物，它的发展同样也离不开自动控制理论和计算机技术的发展。在 生产过程控制中采用数字计算机的思想出现在5 0 年代中期。1 9 5 9 年3 月，当时美 国德克萨斯州的一个炼油厂与美国的t r w ( t h o m s o nr a w o o l r i g e ) 航空工业公司 合作进行计算机控制的研究，经过3 年的努力，设计出了一个采用r w 一3 0 0 计算机 控制的聚合装置系统。t r w 公司的这项开创性工作，为计算机控制技术的发展莫 定了基础，从此，计算机控制技术获得了迅速的发展。i 9 6 2 年，英国的帝国化学 工业公司( i c i ) 研制出第一台直接数字控制计算机开始了计算机控制的新纪元。 整个6 0 年代计算机技术有了很大的发展，主要特点是它的体积更小，速度更快， 工作可靠，价格更便宜。到y 6 0 年代后半期，出现了各种类型的适合工业控制的 小型计算机。在1 9 7 2 年之后，由于微型计算机的出现和发展，使得计算机控制系 统的结构形式发生了根本性的变化，由集中型计算机控制系统发展成分布式计算 机控制系统( t d c s ) 。在8 0 年代，微电子学由于出现了超大规模集成电路技术而获 得急剧发展，出现了各种类型的计算机和计算机控制系统。目前多媒体计算机的 出现也必将推动计算机控制技术的发展。采用微型计算机，已经制造出大量的分 级递阶控制系统、分散型控制系统、专用控制器等，对工业的发展起到了巨大促 进作用。 计算机技术的飞速发展使计算机控制系统的应用也越来越广泛，控制的对象 从小到大，从简单到复杂。计算机可以控制单个电机和阀门，也可以控制和管理 一个车间、整个工厂及至整个企业。计算机可以是单个回路参数的简单控制，也 可以是具有复杂控制规律的多变量解耦控制、最优控制、白适应控制乃至具有人 类智慧的智能控制。 经典的反馈控制、现代控制和大系统理论在实际应用中遇到不少难题。首先， 浙江太学硕士学位论j 第一章绪论 这些控制系统的设计和分析都是建立在精确的系统数学模型的基础上的，而实际 系统般无法获得精确的数学模型；其次，为了提高控制性能整个控制系统变 得极其复杂，增加了设备的投资，降低了系统的可靠性。人工智能的出现和发展， 促进了自动控制向更高的层次发展，即智能控制。智能控制是类无需人的干预 就能够自主地驱动智能机器实现其目标的过程，也是用机器模拟人类智能的又 重要领域。 智能化控制是计算机控制系统的发展趋势。智能控制理论的研究包括专家系 统以及人工智能学习系统，还有模糊控制、神经网络控制、模糊神经网络控制以 及信息理论的智能控制等。 智能控制的发展需要并促进了新的控制手段的发展，如：视、听、触觉传感 器，知识过程，数据融合，计算机仿真等。还发掘出新的控制原理及方法，如人 工神经网络，学习控制，分解与集元原理，递阶控制，推理系统，对策论，遗传 算法，p e t r i 网等。 目前，智能控制的应用已经渗透到生物、农业、地质、军事、空间技术、环 境科学等众多领域，它必将在未来的高技术领域中占据重要的地位f 1 口l t 3 l 。 1 2 张力控制在织机系统中的应用 在工业生产的诸多行业，经常会遇到卷绕控制问题。如在纸张、纺织品、塑 料薄膜、电线、印刷品、磁带等的生产过程中，带料或线材的收放卷的张力对产 品的质量至关重要，张力过大会造成加工材料的拉伸变形：张力过小会使卷取的 材料的层与层之间的应力变形，造成收卷不整齐，影响加工质量。为此，要求进 行恒张力控制，即在卷绕的过程中使产品承受最佳张力，且自始至终保持不变。 由于所选的检测元件和转矩调节元件不同，可以有各种不同的张力控制方案，例 如，可以根据带料或线材收卷直径的变化来控制张力，也可以根据带料或线材的 长度变化来控制张力，当然也可以用测力传感器直接测量张力来实现控制。这几 种方法各有优缺点，如何选取技术方案要综合考虑技术与工艺要求、可靠性和经 济性等因素【4 】。 织机的织造过程就是将经纱和纬纱交织成织物的过程，它主要由开口机构、 打纬机构、引纬机构、送经和卷取机构等组成。在织造过程中，织机为保证织造 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 生产的连续进行，就必须要不断地送出经纱，经纱与纬纱交织而形成织物后，必 须不断地将这些织物引离织口并卷到布辊上。以上完成的经纱放出和织物卷取的 机构分别称为送经机构和卷取机构。 织造过程中，经纱与纬纱交织成织物后不断地被卷走，为保证织造过程的持 续进行，由送经机构陆续送出适当长度的经纱来进行补充，使织机上经纱张力严 格地控制在一定范围之内。送经机构以控制经纱张力均匀为目标，根据织造过程 中受各种因素综合影响的经纱张力来调节经纱送出量。送经机构分为机械式和电 子式两种，从作用原理讲，它们都由经纱送出传动部分和送出量自动调节部分组 成。机械式送经机构的机械结构比较复杂，容易产生零件磨损、机械故障和织物 疵点。机械式送经机构的经纱张力检测和张力自动调节都是通过有关机件往复运 动来实现的。由于受机械零件的运动惯性影响，张力控制和调节系统对经纱张力 的动态响应较差，送经机构不能十分及时、准确地对经纱张力波动做出补偿。电 子送经不再通过机构的运动来检测和调节经纱张力，从而比较彻底地排除了机械 惯性的影响，使送经机构对经纱张力波动具有十分良好的响应特性，能迅速地对 经纱张力进行自动调节，因此特别适宜于高速织机。电子送经机构除具有对经纱 张力波动及时、准确彻底补偿特性外，从织轴满轴到空轴过程中，它的后梁位置 固定不变或基本不变，由于后梁系统结构点的合理设计，即使在单后梁条件下， 经纱上机张力的变化也很d , o 实测结果表明了这种形式送经机构对经纱张力控制 精度很高，从满轴到空轴经纱张力变化小于2 。电子送经机构采用了伺服电动机 单独传动，使一系列有利于保证产品质量、简化工人操作的自动化功能得以实现。 电子送经机构配合电子式卷取机构，实现停经、停卷功能，使所加工织物的纬密 由微机系统控制进行精确的控制例【6 】。 1 3 织机张力控制系统的发展及现状 我国是纺织品的出口大国，每年供出口的纺织品量约占我国生产总量的1 4 左右：但是我国却不是纺织品出口的强国：因为我们的产品品种少、质量低、竞 争力弱，不仅不能适应国外市场的要求，也不能满足国内生产的需要。造成我国 纺织品质量不高的主要原因是生产工艺落后及设备陈旧，尤其是落后的设备制约 了技术的发展。 浙江大学硕士学垃论文第一章绪论 目前国内的纺织业对低档织机的需求已经处于饱和状态。发震中高档织机已 经成为各织机生产厂家的当务之急。高档织机的显著特征就是采用电子卷取和电 子送经。国产低档织机目前所采用的仍是机械卷取和机械送经。机械卷取和机械 送经是一种机械齿轮传动的卷布和送纱过程。由于机械传动所固有的带隙缺陷 因此织物的纬密很难达到高度准确，而且采用机械送经无法消除织物的开车痕， 这就使得织造的质量难以提高。另外，每次改变织物的纬密或纱线的张力都必 有调整或更换机械部件，不仅费时费力，生产效率也会大大降低。如果采用电子 卷取和电子送经就会完全解决上述问题。由于卷取和送经采用计算机控制织造 的精度会大大提高。电子送经控制器通过开车痕补偿还能有效地解决织物的开车 痕问题。当改变织物的纬密或纱线的张力时，只要输入相应的参数即可，无须调 整或更换机械部件。因此电子送经和卷取可以在织机允许的车速和纱线状况下保 证高质量的织造过程，并且使用灵活方便，这是非常具有吸引力的。目前电子送 经和电子卷取的研制才刚刚起步。相比之下，国外一些著名的织机生产厂商生产 的织机在性能上已经达到较高的水平，例如意大利舒美特织机有限公司的“天马” 超优秀织机、瑞士的苏尔寿系列织机、日本津田驹系列织机、还有比利时必佳乐 系列织机、法国i c b t 公司的p r o t o n 系列织机等等。这些织机都实现了电子卷取和 电子送经控制，具有较高的智能化控制水平，在国际织机市场上占据着重要的地 位。但是进口一台国外的高档织机需要将近1 0 0 万元人民币，国内一般的纺织企 业难以承担这种昂贵的价格。2 0 0 3 年中国从国外进口的纺织机械多达4 6 3 8 亿美 元。由此可见我国每年需花多少外汇去满足国内需要【7 】嗍u o | 。 目前我们研究的织机张力控制系统，通过电子送经、电子卷取来精确控制织 机经纱张力，能达到保证产品质量、简化工人操作程序的目的，大大提高了我国 织机的自动化程度和纺织产品的质量、提高了我国纺织品在国际市场上的竞争 力。 1 4 课题的来源和意义 实现纱线张力的良好控制在很多纺织品工艺过程中是至关重要的。如果没有 适当的张力控制，正常的生产就会产生诸多问题。生产过程的理想状态是能够调 整纱线张力达到一个理想的水平，并确定在任何时间、纱线的任何部位都不会发 浙江太学硕 ：学位论文第一章绪论 生变化。但是，无论如何这种理想的状态是很难达到的，大多数情况下，几乎都 是尽量的找到生产过程中能够承受的张力范围，然后据此调整工艺速度。目前， 国内许多纺织企业使用的织机多为机械式连动控制。用该控制方式的织机转速 低，生产过程周期长、操作复杂、控制精度低，不能够及时调整工艺参数，也不 能够进行高档织物的纺织。目前，高档的纺织品还依赖于从国外进口的织机。因 此进行该系统的研制是非常必要的。 张力控制是决定纺织品生产质量和产量高低的重要因素。然而目前大多数纱 线张力控制的方法仍很落后，必然导致产量低、质量差。进行精确的张力控制方 法的研究，使之可以大大的提高产品的生产速度和提高产品的质量御。 1 5 论文的主要工作及结构安捧 在该系统的设计中，作者参与了织机张力控制器硬件电路的设计及软件的编 制与调试。设计了高性能电子送经和电子卷取装置，实现织机张力的智能控制。 并用m a t l a b 语言工具箱进行仿真，验证了各种控制方法的实现效果。 论文主要内容为： ( 1 ) 完成整个织机张力控制系统的硬件电路设计及软件设计的实现。 ( 2 ) 对该织机在织造过程中影响经纱张力的各运动进行系统的理论分析，并 推导相应的数学模型。 ( 3 ) 实现织机张力控制策略的研究，在传统? i d 算法的基础上，提出了非线 性控制算法和模糊p i d 控制算法，并对各个算法进行m a t l a b 仿真。 ( 4 ) 完成整个集成控制系统调试过程，使之能够征确，稳定的运行。 论文在结构上的安排为： ( 1 ) 在本文的第二章：分析了与织机经纱张力有关的织机的各个运动原理， 对影响经纱张力的因素进行系统的理论分析，并推导出织机基本参量相应的数学 计算公式。 ( 2 ) 第三章：介绍了织机张力控制系统的结构，分析了送经机构和卷取机构。 ( 3 ) 第四章：张力控制策略的研究主要进行送经控制器的控制算法的改进， 还进行控制算法的多样性讨论，主要进行了常规p i d 设计、非线性控制算法、模 糊p i d 算法的研究。并以m a t l a i b 为工具对各个控制策略进行仿真。 浙江太学颀匕学位论支第一章绪论 ( 5 ) 第五章：织机张力控制器的硬件设计及实现，包括前向通道张力的检测、 信号处理以及送经电机的驱动。 ( 6 ) 第六章：织机张力控制器的软件设计及实现，介绍了软件系统的编制的 特点及功能，以及软件实现方法。 ( 7 ) 第七章：对本文进行了总结，指出了不足之处，并对进一步的研究方向 和织机张力控制的发展趋势作了进一步的展望。 浙江大学硕士学位论上第二章缎机羟纱张力的分析 第二章织机经纱张力的分析 经纱张力是织物织造过程中的一个重要参数，它与织物的质量有着密切的关 系，也是送经和卷取运动的控制对象。根据纱线种类和织物结构的不同，对经纱 张力的要求也是不同的。本章以织机上的经纱张力为研究对象，分别讨论与经纱 张力相关的各主要因素，并定量地分析了其中的关系。 2 1 织机工作原理 织布生产技术有着悠久的历史，其发展过程历经手工织布、手工机器织布、 普通织机织造、自动织机织造和无梭织机织造五个阶段。但这些变化只是实现方 式上的不同。在织造的基本原理上去始终没交。经纬纱线在织机上整个交织物的 过程，是通过以下几个主要运动而实现的 5 1 1 “lu 2 i 。 2 1 1 开口运动 将经纱按织物组织的要求分成上下两层，两层纱之间菱形的空间称为“梭 口”。综框是常用的开口部件，每一页综框中有若干根综丝，经纱穿于综丝的孔 眼中，几页综框按织物组织的要求分成上下运动，从而将经纱分开，形成梭口。 绞杆一般为2 3 根，用来分清经纱的排列顺序，并且作为梭口的后端。由于剑杆 织机多用于花色织物的织造，所以，通常采用多臂开口机构来带动综框，或采用 提花开口机构来单独升降每根经纱。 2 1 2 引纬运动 将纬纱穿过梭口。在剑杆织机上，由附着在剑带上的送纬剑头央持着纬纱， 在剑带盘的驱动下，沿着导轨穿入梭口：与此同时，接纬剑头也进入梭口，两剑 头在梭口的中央交接，送纬剑头松开纬纱，而接纬剑头夹持纬纱。然后，两剑头 退出梭口，从而完成一次引纬运动。在高档剑杆织机上，基本上都采用分离筘座 引纬方式，即剑头不随筘座运动，引纬时筘座完全静止不动。 2 1 3 打纬运动 把引入梭口的纬纱推至“织口”，织口是经纱和织物的分界。梳形的筘是常 浙江人学硕士学位论文第二二章织机经纱张力的分析 用的打纬部件，它是一个摆抒机构，当向前摆动对，将已经引入梭口中的纬纱推 至织口。同时，综框反向运动，使织口闭合，经纱与纬纱交织。经过一次开口、 引纬和打纬，一根纬纱就和经纱进行了一次交织。此后经纱又另分成两层，形成 另一次梭口，再引纬和打纬。这样反复进行就逐渐形成了织物。如果形成的织物 不及时拉走，其后的纬纱就无法正常进入织口，导致交织无法进行。所以，要使 织造连续进行，还应有以下两个运动。 2 1 4 卷取运动 随着织造的进行，将织物牵引离开织口，卷成圆柱状布卷。通常是由卷取辊 来完成牵引动作，卷取辊表面粗糙，用来增加与织物之间的摩擦力。 2 1 5 送经运动 随着织物的向前牵引，织轴由一定机构驱动，送出所需长度的经纱，并使经 纱具有一定张力。 开口、引纬和打纬三个运动是任何一种织造都不可缺少的，称为三个主运动。 而送经和卷取两个运动是织造连续进行所必须的，称为副运动。织造过程的开口、 引纬、打纬、送经和卷取运动全称为织造过程的五大运动。 2 2 影响张力波动的因素 2 2 1 开口高度对经纱张力波动的影响 出文献【1 2 】知，开口时出于经纱路径长度的改变而造成经纱张力的波动。 a t = ( 1 t 厶+ 1 l ，) h2 。式中，厶，l ：表示梭口前后部长纱线的长度，h 表示梭 口的高度。此式说明动态张力r 与开口高度的平方成正比。由于织机一转， 经纱开口闭合一次，在无梭织机高速运转的条件下，这一扰动带来的是周期性的 高频的张力波动，是张力波动中高频分量m 川”。 2 2 2 打纬过程经纱张力的波动 打纬时造成的经纱张力波动在钢筘至前心时刻达最大值。由文献 1 2 】知，在 综平时间，经纱支数、织物组织结构和密度相同的情况下，上机张力越大，则打 纬时所造成的张力波动幅值越小。由于织机一转打纬一次，同理对无梭织机的高 速织造，这一扰动带来的也是周期性的高频的张力波动，是张力波动中高频分量 浙 王大学硕： 学位论支第二章织机经纱张力的分析 2 2 3 织轴直径对经纱张力波动影响 织造过程送经织轴退绕时，织轴的转角国与直径d 必须满足d x = 常数， 即应保证恒定的送经量。由予d 不断减小，故织轴转角m 必须与d 保持双曲线函 数关系，以保证恒定的送经量。如在经纱送经量的调节过程中，d 一常数， 就会产生送经不匀造成经纱张波动。此波动张力为张力波动中的低频分量。 经受力分析可知，对单摆动后梁，由于在织轴退绕过程中经纱张力对于摆动 后梁的力矩会发生变化，破坏了原来的平衡。如摆动后粱仍保持原来的平衡位置， 则综平时经纱张力减少。双摆动后梁则由于经纱张力对摆动后粱的力矩不发生变 化，因此原来的平衡将保持下去。故上机张力不受织轴退绕半径的影响。由于双 摆动后梁有这样一个优点，故在无梭织机上被广泛采用。 2 2 4 织机的回转不匀率对经纱张力波动的影喃 回转不匀率对经纱张力波动的影响是一个间接因素，它是通过上述三个因素 对经纱张力波动产生影响。回转不匀率越大，则影响越大。但一般无梭织机韵回 转不匀率较有梭织机小。 无梭织机的张力的波动是由于开口、打纬、织轴卷装退绕半径的变化( 织机 回转率) 等因素造成。开口高度、打纬所造的是周期性的高频张力波动，可通过 摆动后梁系统进行张力波动补偿。织轴退绕过程中缓慢的经纱上机张力变化( 单 摆动后梁) 和送经不匀( d x 庐常数时) 所造成的张力波动是大片段的低频张力波 动，可通过调节送经量的大小来平衡补偿张力波动。因此，可以看出为了保持 恒定的经纱张力，有两种补偿方式，对经纱张力波动中的高频分量，是利用活动 后梁的摆动进行经纱张力的平衡补偿：对经纱张力波动中的低频分量，是利用微 机控制送经马达，以送经量的调节来进行张力补偿。 2 3 张力基本参量的计算 2 3 1 卷取量和送经量 从织造运动学角度来看，送经和卷取运动是确保织造生产过程持续进行的必 浙江大学预t 学位论上第二章织机经纱张力的分析 要条件。从经纱一织物系统角度来看，送经和卷取运动是控制经纱上机张力的关 键控制环节。 卷取装置在将形成的织物引离织口的同时，对经纱的张力施加影响，以控制 纬纱在织物内部排列的密度。送经装置则送出适当长度的经纱进行补偿，使经纱 上机张力跟随设定值。 卷取量和送经量通常采用以下公式进行计算【1 1q ： 卜磊塑( 2 - d 、只( 1 一a w ) 口。= p w 只- p w l o o 口：生生1 0 0 口2 t 。 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 式中：，是卷取量( m m ) ； a 。是织机下机缩率：l j 是送经量( m m ) ：口，经 纱对成布缩率；只织物下机纬密( 根1 0 c m ) ；只是织物上机纬密( 根l o o m ) ：l 是经纱长度；是下机坏布长度。 经纱、纬纱相互交织形成织物时，由于屈曲，会产生收缩。经纱的缩率包括 织造率和下机缩率两部分。织造缩率指经纱交织形成织物时，由于经纱屈曲变形 产生的缩率。织物形成后，织物中的经纱有进一步收缩的趋势，由于织物被卷绕 在卷布辊上，限制了经纱的收缩。当织物下机处于松弛状态时，织物中的经纱会 再次收缩，这称为下机缩率。缩率随品种而异，在实际生产中往往取经验值。 通过对式2 一l 2 4 所确定的送经、卷取量以及送经电机、卷取电机与织轴、 卷取辊之间的传动比，可以求出织机在一个回转周期内，送经电机与卷取电机的 转动量，再通过主轴编码器得到主轴的转速，就可以得到送经电机与卷取电机的 转速。当这两者的平衡关系因为某种因素发生变化时，经纱张力就会随之发生变 化。 2 3 2 织轴直径的变化 对于送经装置，有： 蒜， = 浙江火学碗士学位论士 第二章织机经纱张力的分析 国= 只r ( 1 一口，呦 ( 2 5 ) ( 2 6 ) = 石i 1 而0 0 = 瓦瓦1 丽0 0 ( 2 8 ) 式中：由是织轴角速度( 弧度纬) ；r 是织轴的卷绕半径( m m ) ：，l 嘣、 是织物的最大、最小下机纬密( 纬1 0 c m ) 。 从式2 5 2 8 可以得出如下结论： ( 1 ) 随着织造的进行，r 不断减小，但是送经量应保持恒定，所以讲应该以 相应的双曲线规律增加，即送经装置中必须配有相关调速系统。 ( 2 ) 由于r 连续变化。出应该相应作连续变化，否则将引起局部纬密变化而 造成横档织疵，所以调速系统最好能进行无级调速。 ( 3 ) 由于机构的限制，各种织机的参数不同，所对应的机构有其所允许的 p m 。、。值，即可织纬密范围。为了增加可织纬密范围，在设计时需尽可能地 增加调速范围一一。 2 3 3 经纱张力的计算 在织造过程中，传感器的输出电压值间接的代表了经纱张力的大小。传感器 受到的拉力与经纱张力之间的关系如图2 1 所示l f t箩 图2 1 传感器受力与经纱张力的关系图 志m 浙江人学砸l ：学位论z第二章织机经纱张力的分析 若设纱线的夹角为p ，雩臂的长臂与水平方闽的夹角为m ，经纱的张力为f ， 则纱线张力的合力f 为： f = f2 + f 2 2 e 2c o s ( 1 8 0 一声) = i 再毫磊万x 只 ( 2 9 ) 当传感器受到的拉力为只时，其输出的电压值为v ，则c ；1 0 0 ( 磁) ， 因为当受到满负荷一百公斤的力时，传感器的输出经放大以后为5 伏。根据力学 原理可得到如下的力矩的平衡关系： 只1 9 5 c 。s m = f x c o s ( 9 0 一知s i n ( 9 0 一譬) 8 0 ( 2 - l o ) 又有只= 1 0 0 必( 孪) ，则可推出经纱张力e 和传感器输出电压v 之间的 计算公式如下： e ：6 8 9 4 2 9 斧1 1 焉。c o s m x 矿( 2 - 1 1 ) ，= # ；= = = = xy s i n 卢l4 - c o s 2 3 4 已织布长的计算 在织造过程中，织好的织物布长是不断增加的。一般来说，织造的产量是以 布的米数来衡量的，然而，对产量的更精确的描述是引纬数和纬密。引纬数就是 织造过程中所引纬线的次数，每打一次纬则引纬数增一。引纬数的计量是由电子 选色与多臂控制器来完成的。它在每输出一次选包器控制信号后引纬数加一，并 把当前的引纬数通过串口传送给显示控制器进行显示和管理，同时把当前的引纬 数通过扩展并口传送给电子送经控制器进行布长的计算以及电机速度的控制。纬 密就是每厦米布长所用的纬纱的根数。要计算布长，具体的实现方法是，电子选 色与多臂控制器把引纬数的增量值传送电子送经控制器，电子送经控制器再把这 个增量值加到上次存储的总的引纬数上就得到当前的总引纬数，根据总引纬数和 纬密的值，就可以计算出已织的布长。若设当前的总引纬数为 彳。，纬密值为 d 一，已织的布长为厶，则有 厶：m “ 厘米(2-12) 2 3 5 经轴关径的计算 在织机的运转过程中，经轴半径的大小是不断变化的。在此把经轴绕满纱线 浙江丈学硕 ：学位论支第二章织帆经纱张力的分析 装上织机以备使用时的状态称为满轴状态，而把织尽所有纱线完成织造过程后的 状态称为空轴状态。在整个织造过程中，经轴半径的变化是从满轴到空轴的渐进 过程。显然，经轴半径大时，送经电机的转速相对应慢一些，而经轴半径变小时， 送经电机的转速相对加快。因此，要实现经纱张力的恒定控制，就必须考虑轴半 径在织造过程的变化问题【”i 。 设满轴状态下经轴半径为r 。，空轴状态下经轴半径为r 。，可以近似地认 为在每一时刻经轴是圆的( 实际上纱线形状是一种螺旋形曲线) 。则总的纱线长 度为： 上：乍拙：石( r 2 m - 凡) ( 2 - 1 3 ) 设已织布长( 可根据引纬数计算) 为厶，当前的经轴半径为疋则有： l - l , = 2 破积= r c ( r 2 一一r 2 一) ( 2 - 1 4 ) 从而得出耻f 嘲陀- 1 5 ) 当前经轴半径r 。的大小对于送经控制来说是一个至关重要的依据，在此可 以作简单的分析。由于只研究送经控制，所以可以假设卷控制是非常精确和理想 的。在这种情况下，卷取控制器主动卷布( 纱) 的速度在整个织造过程中是均匀 不变的。也就是随，在整个织造过程中纱线的前进速度是均匀不变的。因此，要 精确地进行送经控制，就需要使送纱的速度与卷布( 纱) 的速度完全相等，这是 进行送经控制的基本依据。从伺服电机驱动方法可知，送经控制器每发一个驱动 脉冲，电机转过固定的角度，从而带动经轴转过固定的角度。如果经轴的半径是 固定不变的，那么固定频率的驱动脉冲就可以保证纱线以均匀的速度送出，选择 驱动脉冲的频率就能使送纱的速度与卷纱的速度近似相等。但是实际上随着织 造过程的进行，经轴的半径是逐渐变小的，此时要保证送纱的线速度与卷纱的速 度相等，就必须逐渐增大驱动脉冲的数量和频率，这需要利用当前的经轴半径来 进行计算，如果知道了经轴半径和每一个驱动脉冲经轴转过的角度，再根据卷纱 的速度就可以计算出需要的驱动脉冲数量和频率。 浙江大学硕士学位论文第二章织机经纱张力的分析 2 4 织机经纱的张力特性 2 4 1 送经时的张力特性 在织机工作过程中，送经电机经减速轮系统减速后，传动织轴送出经纱。同 时，卷取电机卷取减速轮系带动用来卷取织物的卷布辊。送经电机和卷取电机及 相关机构相互配合，完成经纱的放送和形成织物的引离织口，以保证织造生产过 程的连续进行”】【2 0 】。 如图所示，吖为卷取电机，转速为疗，对应的线速度为v l ，m ：为送经电机， 其转速为h ：，对应的线速度为v ：，若送经电机的转速v ：保持不变，则随着卷绕 直径d 的加大而线性增加。 图2 2 送经卷取机构示意图 然而，卷绕织物所受张力的大小与两电机带动的织轴和卷布轴之间的线速度 差相关。为了保证织物质量，维持卷绕过程中张力f 恒定，必须使送经电动机的 转速n ：。，即月z 。髟，其中t 为送经电机的驱动转矩。由于电机负载功率 p = 7 鲁，可见送经对象具有恒功率负载特性，恒张力过程中电动机的转速h ：， 转矩t ，以及织物的实际线速度v ，织物所受的张力f 等参数，与织轴直径d 的关 系如图2 3 ，2 4 所示。 浙江大学顾 学位论支 第- 二章织机经纱张力的分析 d 图2 3 送经特性睦线图2 4 恒张力卷取变量关系曲线 反之，可以看出，若送经电机在运行中保持其转速，l ：不变，剩随着卷径的 减小，织物的线速度v ，、张力f 都将成正比地减小。显然，这是不符合生产要求 的。 从对送经特性的上述分析表明，恒张力控制实际上是电动机的转速控制。为 保持恒张力恒定，则送经电机线速度v 。恒定，而欲使v 1 恒定，就要求送经功率p 为恒定值，从这个角度出发，恒张力控制、恒线速度控制、恒功能控制，三者在 本质上是相同的。 2 4 2 卷取时的张力特性 类似于对送经特性的分析方法，可以看出，卷取机构的工作特性正好于送经 机构相反在卷取过程中，为了保持张力恒定，随着送经轴直径d 的减小，送经 辊上的负载转距将正比地减小，为了保持织物地线速度恒定，就应使送经轴的转 速随织轴直径的减小而增加，则卷取电机的输出功率p = t 朵= r 鲁，p 为常 数，所以，卷取特性和送经特性一样也是恒功率负载特性。其特性曲线如图2 - 5 所示。 图2 5 卷取特性曲线 浙江人学顾l 学位论上 第一章织审l 鲑纱张力韵分析 2 5 织机经纱的动态张力曲线分析 在实际经纱张力控制的系统中，系统将用两个张力值进行工作：动态张力和 静态张力。静态张力为织机停车时的张力值，其大小基本保持不变，相当于一条 直线。动态张力是织机在织布时的张力值，其值的变化与很多因素有关。在织机 主轴的一个回转周期内，因开口、打纬、送经、卷取的作用引起张力的变化。为 了更好的理解经纱的张力，我们对织机张力传感器进行实时测量，得到经纱动态 张力的曲线张力一时间关系曲线如下所示： 仓 v r 卷 图2 6 经纱动态张力的曲线 由上述所得的动态张力曲线图可得： ( 1 ) 其中a b 阶段为经纱同时处于开口、卷耿、打纬时期，由于织口在钢筘 推动下向织机前向移动，所以经纱张力迅速增加。b 点为打纬终了点，此时经纱 张力大到最大值。 f 2 ) 阶段b c 为织口随钢筘向织机后方向移动，经纱张力突然下降；并且由 于梭口处于开口时期，曲线下端略有波动。 ( 3 ) 阶段c d 是梭口处于开口时期，经纱张力增加。 ( 4 ) 阶段d e 是综框处于静止时期，由于经纱的放送，曲线略有波动。 ( 5 ) 阶段e f 是梭口处于闭合时期，经纱张力逐渐减少；并且由于织物的卷 取，曲线下端略有波动。 浙江大学硕扛j 位论文第三章织机张力控制系统结构 第三章织机张力控制系统结构 织机张力控制是织机控制系统中最主要控制之一，本章分析了张力控制系统 的结构，着重介绍了送经机构和卷取机构，并阐述电子送经与电子卷取装置的系 统结构。 3 1 张力控制系统结构 完整的织机张力控制系统应包括人机交互界面、电子选色及多臂控制器、电 子送经控制器、电子卷取控制器。在该系统中，设计的张力控制系统结构如下图 所示 通过口输入 织机状态信号 伺服电机的故障 信号 屯 通过驱动 u 板驱动多 织机主控制 一一i 电子送经卷取控 臂、选色电 器 r s - 2 3 2 i 制器 机 l i l 巢羹| l 煮传感 图3 1张力控制系统控制结构 在该图中，织机主控制器担任上位机的角色，负责送经卷取控制器进行通讯 织机的故障信号和同步信号的检测。下面简述各部分功能。 f 1 1 织机主控制器：主要进行纺织图案的输入、编制、存储与传送，并可以 进行故障报警、织机工作参数设置、生产管理、数据统计等功能。主控制器把图 案传给电子选色与多臂控制板，接收外部的织机状态及故障信息并加以显示，同 时接收来自电子送经控制器的参数，显示织机张力控制系统的基本信息。并完成 主电机的开关、倒车、开车与停车、断电故障处理、点动以及自动寻断纬等功能。 浙江犬学硬士学位论上 嚣_ 三童织机张力控制系统结构 ( 2 ) 电子选色与多臂控制部分：主要功能是控制织机的电子选色器与多臂 机。它从织机主控制器接收织物图案数据，并根据这些数据输出电子选色器与多 臂的控制信号，这些控制信号经隔离驱动以后就可以控制电子选色器与多臂器织 出相应图案的织物。 ( 3 ) 电子送经卷取控制器：主要功能是接收来自张力传感器的信号，采用一 定的经纱张力算法来控制送经电机和卷取电机，主要包括两个部分：电子卷控制 和电子送经控制。电子卷取是指在织机运转过程中采用控制器控制电机，以带动 织机卷轴进行的卷布运动。它是一种主动的卷取运动，主要是为了保证织物纬密 的均匀性。电子送经是指在织机运转过程中采用控制器控制电机，以带动织机经 轴进行送纱运动。它是种被动的送纱运动，当纱线张力大于设定值时，控制送 纱运动加快，反之则控制送纱运动减慢。它的主要任务就是保证纱线张力在整个 织造过程中的稳定。 另外电子卷取控制器保持与织机主控制器之间的通讯，接收来自织机主控制 器给定的织机初值信号( 张力设定初值、盘头直径、纬密) ，发送织机实时状态 中的张力值、盘头直径以及检测到的故障信号。 3 2 送经机构和卷取机构 3 2 1 送经机构 织机是一种将经纱与纬纱交织成织物的机器它主要由开口机构、打纬机构、 引纬机构、送经和卷取机构等组成。在织造过程中，织机的为保证织造生产的连 续进行，就必须要不断地送出经纱与纬纱交织而形成织物：织物形成后，必须不 断地将这些织物引离织口并卷在布辊上。以上完成经纱放出和织物卷取的机构分 别称为送经机构和卷取机构。 织机的送经机构可分为三部分：即经纱张力感测部分、感测信号处理和调节 部分和经纱放出部分。在织造过程中，经纱张力感测装置检测张力的大小，反馈 给信号处理部分，根据织物的实际需要控制经纱送出装胃，送出合适的经纱量。 送经时，织轴转动放出经纱，从满轴到空轴的全过程中，送经机构都应能够按设 浙江大学颤学位论卫第三章织帆张力控制系统结构 计需要的长度送出经纱，以保证张力稳定，获得纬密均匀和布面平整的织物，其 送经量的调节，不仅要灵敏度高，调节范围大，而且最好能无级调节。 传统的织机为机械式送经卷取机构它的经纱张力检测和张力自动调节都是 通过有关机件的运动来实现的。由于受机械零件的运动惯性影响，张力控制和调 节系统对经纱张力的动态响应较差，送经卷取机构不能十分及时，准确地对经纱 张力波动作出补偿。它的机械结构比较复杂，杆件、传动件多，调节灵敏度低， 容易产生零件磨损，机械故障和织物疵点。无法满足新型织机的高速度、高质量、 控制方便、可靠性好的要求。因而，用电机驱动的送经和卷取机构取代机械机构 已成为新型织机之必然删。 电子送经机构由经纱张力信号采集系统、信号处理和控制系统、织轴驱动装 置三部分组成。 在纺织过程过经纱通过传感器将信号连续送给计算机，计算机控制送经电机 的转动，张力信号与实际的经纱张力成正比，电机的转速与信号成正比，经纱张 力始终被稳定在设定的张力值。张力参数可通过计算机进行预调，在停机时经纱 张力能够自动补偿，重新起动时，能立即恢复到预调的张力值，并且，通过计算 机控制，可以方便地实现与电子卷取机构同步协调，最大程度地避免开车痕，获 得高质量的织物。 电子送经机构与传统机械式相比，优点主要表现在： ( 1 ) 机械张力感测机构传动路线长、误差大，且自身质量大，丽电子送经的 张力传感系统响应速度快，张力调节灵敏度及精度高，对经纱张力波动具有十分 良好的珥句应特性，能迅速地对经纱张力进行自动调节。 ( 2 ) 由于送经电机与主电机的运动相互独立，故联运反转机构较为简单， 送经电机由微机控制，可根据不同的上机品种进行自动寻纬及防开车挡方式的设 定。 ( 3 ) 在电子送经系统中，张力的设定、送经方式、灵敏度及送经时问的设定， 手动经纱张力的调节等都比机械式送经方便。各种送经状念信息都能在显示屏上 以文字的方式显示出来，使得用户得以及时了解系统的各项参数及状奁，便于调 节和维护。 浙江夫学顶l 学位论文第三章织机j 妊力拄制系统结捣 3 2 2 卷取机构 卷取机构执行着从织口处引离初步形成的织物和控制纬纱在织物内部排列 密度两方面的任务。随着机电一体化技术的不断发展，新一代织机上应用了电脑 控制的卷取机构，这是一种织造过程中卷取量可变的电子式卷取机构。卷取机构 中单独的直流伺服电动机( 或交流伺服电动机) 作为动力源，通过减速轮系驱 动卷取辊，对织物进行卷取。减速轮系的各个齿轮都是固定的，不必根据织物纬 密的要求而变更。织遣过程中，织机电脑控制中心控制着直流伺服电动机的电压， 改变电动机的转速，从而实现纬密的变化。电脑的控制程序根据具体织物纬密要 求进行编制。 这种电子式卷取机构的优点在于： ( 1 ) 织物纬密变化对不需要交换齿轮，省略了大量变换齿轮的储各和管理， 同时改变纬密变的十分方便。只需要通过计算机或控制装置的键盘设定所需的纬 密。 ( 2 ) 纬密的变化范围大，级差小，能准确地满足织物的纬密设计要求，增强 了织机的品种适应性。 ( 3 ) 织造过程中不仅能实现定量卷取和停卷，在织造过程中机上的纬密可以 任意调整，这是电子卷取机构最明显最主要的特点。纬密可以在织造过程随时变 化，使得配置电子卷取机构的织机能够生产出变纬密产品，使得这种织机形成的 织物具有各种外观特色。 3 3 电子送经和电子卷取系统结构 为了保证织