（纺织工程专业论文）国产清梳联梳棉机FT025自调匀整系统的研制和性能评估[纺织工程专业优秀论文].pdf

国产清梳联梳棉机f t 0 2 5 自调匀整系统的研制和性能评估 摘要 本文是在国产清梳联梳棉机f t 0 2 5 自调匀整系统研制的基础上完成的，也 是对该系统设计、研制、推广应用和提高的全过程理论与实践的总结。论文涉及 清梳联梳棉机自调匀整系统数学模型的建立，混合环控制协调策略的改进，自调 匀整硬件、软件的设计与研制，f t 0 2 5 系统频域性能的分析，基于输出棉条分形 特征分析的f t 0 2 5 系统匀整性能评估，最后进行了基于清梳联生产线多台梳棉 机的计算机网络系统研究。现将论文各章内容简要介绍如下： 第一章首先论述了棉纺清梳联梳棉机自调匀整系统的作用及任务是控制棉 条定量，使其严格处于允许偏差范围之内；控制棉条的重不匀，尤其是对于长片 段、超长片段的重不匀的控制。概述了国内外清梳联梳棉机自调匀整系统研究的 现状。提出了本文的主要研究工作。鉴于经典控制理论的应用相对比较成熟，因 而提出以经典控制理论为主要依据，在软、硬件设计的个别环节吸纳现代模糊控 制思想的设计思路，尽快推出与国产清梳联装备配套的梳棉机自调匀整系统，使 国产清梳联装备早日实现真正意义上的工业化应用。 第二章讨论了f t 0 2 5 自调匀整系统的数学模型，包括梳棉机棉流运动的微 分方程、开环控制匀整方程、闭环控制的传递函数，及混合环控制的协调策略等。 在多年研究和应用积累的基础上，本文在混合环控制设计上一改过去传统的直接 叠加的开、闭环协调策略，而改为根据闭环反馈结果动态修改开环控制参数的新 协调策略，从而有效地降低了生条的内不匀和总不匀。这一协调策略国内外均未 见类似报导。 第三章介绍了f t 0 2 5 自调匀整系统的硬件设计与研制。传感机构是检测的 基础，本系统在消化吸收国外先进技术的基础上，研制了二片式的短片段检测传 感机构和压簧式的长片段检测传感机构，使之检测可靠、灵敏。为了满足控制器 在工作时的计算速度，控制器采用了1 6 位的c p u 。系统的稳定性、可靠性是硬 件设计的主要考虑因素，本系统采用了多种措施来提高系统稳定性和可靠性，以 保证在较为恶劣的现场工作条件下，检测和控制精度仍可达到要求。 第四章介绍了f t 0 2 5 系统的软件设计。本章详细叙述了采样周期的选择、 p i d 算法、参数的模糊控制设计和整定，以及整个软件的主程序框图和子程序框 图等。为了适应棉纺织厂的现场工作环境，本系统的软件设计除保证第二章系统 模型和改进的混和环协调策略实现外，还注重抗干扰设计，其中大量采用了故障 自动恢复处理、数字滤波和输入、输出软件抗干扰设计等技术。 上述第三、四章介绍的系统的硬件和软件设计整体通过了脉冲群抗干扰试 验。实际运转情况表明：本自调匀整系统达到了现场运行的稳定性和可靠性的要 求。 第五章介绍了f t 0 2 5 自调匀整系统的频域性能分析。通过所建立的系统频 域分析的模型及所采集的大量工业现场实时数据，求出了输入棉层和输出棉条的 功率谱密度和互功率谱密度，进而求出了系统的频率响应和梳理过程附加不匀的 功率谱密度等。得出f t 0 2 5 系统对输出棉条的长片段和超长片段不匀有明显的 改善作用，达到了清梳联梳棉机自调匀整系统所追求的主要控制目标；进一步证 实混合环控制的动态修正开环控制参数的协调策略是正确有效的，能更好地全面 抑制输入棉层不匀对输出棉条不匀的影响；发现输出棉条的不匀主要是由梳棉机 喂给机构后续的各个环节的附加不匀造成的。该项研究工作国内外未见类似报 导。 第六章主要进行了输出棉条的分形特征分析及f t 0 2 5 系统性能的进一步评 估。文中通过采集大量工业现场的实时数据，对输出棉条线密度变化的时间序列 进行了分维数计算和不匀率计算，并分析了二者的相互关系，得出输出棉条线密 度波动的分维数与不匀率高度线性正相关，而且二者的时间序列还高度实时同 步，表明棉条不匀的分维数可以表征棉条均匀度质量，且能更深刻地反映棉条不 匀的自相似结构。文中最后通过对瑞士、德国等国际先进清梳联设备生产的棉条 和国产清梳联设备生产的棉条的厚度序列分维数计算和比较，进一步评估了 f t 0 2 5 系统的性能，表明，f t 0 2 5 系统的匀整性能已基本达到国际同类产品的水 平。关于棉条不匀分形特征分析的自调匀整系统性能评估，国内外未见类似报导。 h 第七章简要讨论了基于清梳联生产线多台梳棉机的计算机网络系统。重点研 究了如何应用该系统来控制棉条定量的台间不匀。文中主要介绍了网络系统的构 成、功能和作用以及棉条定量的在线调整。研究结果表明，应用了本网络系统后， 清梳联生产线的整体棉条不匀率( h ) 可控制在0 8 一l ，且稳定性较好。文中还 对该网络的应用前景作了展望。随着纺织企业计算机应用的普及和e r p 系统的 使用，此网络系统将在纺织企业实现数字化管理方面发挥出更大的作用。 第八章是总结和展望，肯定了本文的主要贡献，提出了本文存在的问题，并 展望了进一步研究方向。 关键词：自调匀整系统，清梳联，混合环控制， 频域分析，分维数应用 i i i d e v e l o p m e n t a n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no ff t 0 2 5a u t o l e v e l e r o fc a r d i n gm a c h i n e a b s t r a c t t h i st h e s i si sa c c o m p l i s h e do nt h eb a s i so fd e v e l o p m e n to ff t 0 2 5a u t o l e v e l e ro f c a r d i n gm a c h i n ef o rh o m e m a d ec h u t e f e dc a r d se q u i p m e n t ，a n di st h es u m m i n g u po f t h e o r i e sa n dp r a c t i c eo ft h ew h o l ep r o c e s sc o n c e m i n gd e s i g n ，d e v e l o p m e n t , g e n e r a l i z a t i o n ，a p p l i c a t i o na n di m p r o v e m e n to ft h em e n t i o n e ds y s t e ma sw e l l t h e t h e s i si n v o l v e st h ee s t a b l i s h m e n to fm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e m ，t h e i m p r o v e m e n to ft h ec o m p r o m i s es t r a t e g yo fm i x e dl o o pc o n t r o lo ft h es y s t e m ，d e s i g n a n dd e v e l o p m e n to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e m ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft h e s y s t e mi nf r e q u e n c yd o m a i n ，l e v e l i n gp e r f o r m a n c ee v a l u m i o n o ft h es y s t e mb a s e do n t h ef r a c t a l c h a r a c t e r i s t i c b a s e da n a l y s i so ft h eo u t p u ts l i v e r s ，a n di nt h ee n dt h es t u d y o nt h ec o m p u t e rn e t w o r ks y s t e mo fc h u t e - - f e dc a r d sp r o d u c tl i n ew i t hm u l t i - c a r d i n g m a c h i n e t h ef o l l o w i n gi sab r i e fi n t r o d u c t i o nt oe a c hi n d i v i d u a lc h a p t e ro ft h et h e s i s c h a p t e ro n ed i s c u s s e sa b o v ea l lt h ef u n c t i o n sa n dt a s k so ft h ec a r d i n gm a c h i n e a u t o l e v e l e r 谢t l ls p e c i a lr e f e r e n c et oc h u t e - f e dc a r d se q u i p m e n t ，w h i c ha r ec o n t r o l l i n g t h es l i v e r sr a t i o nt oe n s u r ei t sl y i n gs t r i c t l yi nt h ea l l o w a b l ed e v i a t i o nr a n g e 嬲w e l la s c o n t r o l l i n gw e i g h tu n e v e n n e s so ft h es l i v e r se s p e c i a l l yo ft h el o n ga n ds u p e rl o n g o n e s b o t ht h eg e n e r a li n f o r m a t i o na b o u ts t a t u si nq u oo ft h es t u d yo nt h ec a r d i n g m a c h i n ea u t o l e v e l e rf o rc h u t e f e dc a r d se q u i p m e n ta th o m ea n da b r o a da n dt h ec e n t r a l r e s e a r c hw o r ko ft h et h e s i sa lep r e s e n t e d i nv i e wo ft h ef a c tt h a ta p p l i c a t i o n so f c l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r ya l em o r em a t u r e ，t h i sr e s e a r c hp r o p o s e san e wd e s i g ni d e a , i e ， r e l y i n gm a i n l yo nt h ec l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r ya n da tt h es a m et i m ea d o p t i n gc o n c e p t o fm o d e mf u z z yc o n t r o lt h e o r yi ns o m es e c t o r so ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g n i n g ，s oi l l st or e c o m m e n dt ot h em a r k e tc a r d i n gm a c h i n ea u t o l e v e l e rm a t c h e d w i t hh o m e m a d ec h u t e f e dc a r d se q u i p m e n ta ss o o na sp o s s i b l ea n dt h e r e f o r er e a l i z e e a r l i e rt h es u b s t a n t i a li n d u s t r i a la p p l i c a t i o no ft h eh o m e m a d ec h u t e f e d c a r d s e q u i p m e n t c h a p t e rt w od e a l sm a i n l yw i t ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ef t 0 2 5a u t o l e v e l e r , i n c l u d i n gt h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o no f f i b e rf l o wi nc a r d i n gm a c h i n e ，l e v e l i n ge q u a t i o n o fo p e nl o o pc o n t r o l ，t r a n s f e rf u n c t i o no fc l o s e dl o o pc o n t r o l ，a n dc o m p r o m i s e s t r a t e g y o fm i x e dl o o pc o n t r o l ，e t c b a s e do n o u rm a n yy e a r s r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o ne x p e r i e n c e s ，t h i st h e s i sa d o p t san e wc o m p r o m i s es t r a t e g y , w h i c hi s t o m o d i f yd y n a m i c a l l yt h ec o n t r o lp a r a m e t e r so ft h eo p e nl o o pb a s e do nt h ef e e d b a c k r e s u l t so ft h ec l o s e dl o o p ，i n s t e a do fu s i n gt h et r a d i t i o n a lc o m p r o m i s es t r a t e g yo f d i r e c ta d d i n gt h ec o n t r o ls i g n a lf r o mb o t ho fo p e na n dc l o s e dl o o p ，h e n c er e d u c i n gt h e c a r ds l i v e r si n t e r n a lu n e v e n n e s sa n dt o t a lu n e v e n n e s se f f e c t i v e l y , f u r t h e ri m p r o v i n g t oal a r g ee x t e n tt h ec o n t r o lq u a l i t yo fc a r ds l i v e r h a r d w a r ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h ef t 0 2 5a u t o l e v e l e ri si n t r o d u c e di n c h a p t e rt h r e e c o n s i d e r i n gs e n s o rm e c h a n i s m i st h eb a s i sf o rc h e c k i n ga n dm e a s u r i n g ， w ed e v e l o pat w o - p i e c et y p es e n s o ra n dac o m p r e s s e d s p r i n gs e n s o rm e c h a n i s m sf o r l l f t 0 2 5s y s t e mf o ri n s p e c t i n gs h o r ta n dl o n gs e g m e n t sr e s p e c t i v e l yb a s e do nd i g e s t i n g a n da b s o r b i n go fo v e r s e a sa d v a n c e dt e c h n o l o g i e sw i t ha ne y et o e n s u r i n gt h e r e l i a b i l i t ya n ds e n s i t i v i t yo ft h e s es e n s o r s 16b i t sc p ui se m p l o y e di nt h ec o n t r o l l e r i no r d e rt os a t i s f yd e m a n do ft h ec o n t r o l l e ro nc o m p u t a t i o n a ls p e e d d i v e r s em e a s u r e s a r ea d o p t e dt oe n h a n c et h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y , t h ep r i m a r yf a c t o r sc o n s i d e r e d d u r i n gd e s i g n o fh a r d w a r e ，o ff t 0 2 5s y s t e m ，s ot h a tt h e s y s t e mc a nm e e tt h e p r e c i s i o nd e m a n do fi n s p e c t i o na n dc o n t r o le v e nu n d e rab a dc o n d i t i o n c h a p t e rf o u ri sc o n c e m e dw i ms o t t w a r ed e s i g no ff t 0 2 5s y s t e m s e l e c t i o no f s a m p l i n gp e r i o d ，p i da l g o r i t h m ，f u z z yc o n t r o ld e s i g na n ds e t t i n go ft h ep a r a m e t e r s ， a n db l o c kd i a g r a m so fb o t ht h em a i np r o c e d u r ea n ds u b - 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s i m i l a rs t r u c t u r eo fs l i v e r s b yc o m p a r i n go ff r a c t a l d i m e n s i o nc a l c u l a t e df r o mt h et h i c k n e s ss e r i e so ft h es l i v e r sp r o d u c e di nh o m e m a d e c h u t e f e dc a r d se q u i p m e n t 、啊t ht h a tp r o d u c e di nt h ea d v a n c e dc h u t e f e dc a r d s e q u i p m e n to fs w i t z e r l a n da n dg e r m a n y , p e r f o r m a n c eo ff t 0 2 5s y s t e mi sf u r t h e r e v a l u a t e d ，s h o w i n gt h a tl e v e l i n gp e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e mh a sa r r i v e db ya n dl a r g e a tt h el e v e lo ft h es i m i l a rp r o d u c t si nt h ew o r l d n ol i k er e p o r t sb e a t i n gu p o n p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fa u t o l e v e l l i n gs y s t e mb yf r a c t a lc h a r a c t e ra n a l y s i so fs l i v e r u n e v e n n e s sh a sb e e nf o u n da th o m ea n db r o a da sy e t ab r i e fd i s c u s s i o no fc o m p u t e rn e t w o r ks y s t e mb a s e do np r o d u c tl i n eo f c h u t e - f e dc a r d se q u i p m e n tw i t hm u l t i c a r d i n gm a c h i n e si sp r o v i d e di nc h a p t e rs e v e n ， w h e r eas t u d ye m p h a s i z i n go nh o wt oc o n t r o lt h eu n e v e n n e s so fs l i v e r sr a t i o na m o n g d i f f e r e n tm a c h i n e st h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no ff t 0 2 5s y s t e mi sc a r r i e do u t t h e c o m p r i s i n g ，f u n c t i o na n du t i l i t y o ft h en e t w o r ks y s t e ma sw e l la s t h eo n l i n e a d j u s t m e n to fc o t t o ns l i v e rr a t i o na r ei n t r o d u c e di nt h i sc h a p t e r r e s e a r c hr e s u l t s i n d i c a t et h a tv i at h ee m p l o y m e n to ft h en e t w o r ks y s t e m ，s l i v e r sg e n e r a lu n e v e n n e s s ( h ) o ft h ep r o d u c tl i n eo fc h u t e - f e dc a r d se q u i p m e n tc a nb ec o n t r o l l e di nar a n g eo f 0 8 1w i 也s u p e r i o rs t a b i l i t y t h ea p p l i c a t i o np r o s p e c to ft h en e t w o r ks y s t e mi sa l s o g i v e ni nt h i sc h a p t e r w i t l lt h ep o p u l a r i z a t i o n o fc o m p u t e ra p p l i c a t i o na n dt h e a p p l i c a t i o no fe r ps y s t e mi nt e x t i l ec o r p o r a t i o n s ，t h en e t w o r ks y s t e mi ss u r et op l a y g r e a t e rr o l ew i t hr e s p e c tt ot h er e a l i z a t i o no fd i g i t i z a t i o nm a n a g e m e n ti nt e x t i l e c o r p o r a t i o n si nt h ef u t u r e v t h el a s tc h a p t e rs u m m a r i z e st h i st h e s i s ，c o n f i r m i n gc o n t r i b u t i o n sa n dp r o p o s i n g e x i s t i n gp r o b l e m so ft h er e s e a r c h ，a n df i n a l l yl o o k si n t ot h ef u t u r et h ef u r t h e rs t u d y a l m s k e yw o r d s ：a u t o l e v e l e r , c h u t e f e dc a r d s ，m i x e dl o o pc o n t r o l ， a n a l y s i si nf r e q u e n c yd o m a i n ，a p p l i c a t i o no f f m c t a ld i m e n s i o n v i 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本 人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名韪癌 日期：甜年c 月2 占e l 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 ， f 保密耐，在l 年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 撇一躲墨事冬 日期：妒陴f 月玷日 - 指导教师签名： 砻多 日期：妒厂年f 月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 清梳联自调匀整系统作用及任务 随着梳理理论、工艺与装备的不断发展，高产梳棉机的工业应用，清梳联 技术引起人们的重视，并于6 0 年代初期得到应用。棉纺工艺应用清梳联技术是 棉纺工艺技术现代化的重要标志之一，因为清梳联技术实现了开清工序与梳棉工 序的连续化、自动化，实现了原棉无压紧状态的喂入，取代了传统的“开松 压紧再开松的不合理的工艺，有助于提高高产梳棉机的梳理性能，提高成 纱质量。同时取消了人工落卷拔杆和运输棉卷及上卷的重体力劳动，降低了工人 的劳动强度，节约了用人，提高了劳动生产率。因而，清梳联技术自6 0 年代以 来一直持续发展，到8 0 年代末，在美国、德国、日本等发达国家的纺织工业中， 清梳联技术的应用比例已高达5 0 ，而我国当时的应用比例只有1 , - - , 2 。为此， “八五 期间，清梳联技术被国家列为棉纺工艺技术改造四个重中之重的一个。 由于清梳联技术取消了棉卷，减少了天平罗拉和铁炮调节装置对棉卷不匀的 控制和棉卷挡车工对棉卷定量的控n - 个环节，同时丧失了棉卷通过“横放竖取 的操作管理而带来的延时混棉的作用，由此产生了生条定量漂移，不匀率高，台 间、班间、日间、周间、月间质量差异大等问题。这些问题影响了清梳联半制品 生条质量的提高，严重时甚至使成纱整批报废，为此，曾一度严重制约了清梳联 的发展。 解决上述这些问题的唯一途径是应用自调匀整技术，通过应用清梳联自调匀 整技术，以达到： ( 1 ) 控制棉条定量，使其严格处于允许偏差范围之内： ( 2 ) 控制棉条的重不匀( 即定量波动，或线密度波动) ，尤其是对于长片段， 超长片段的重不匀的控制。 只有实现了以上两个“控制 ，清梳联技术才能达到真正意义上的工业化应 用。因此，自调匀整，特别是清梳联合机梳棉自调匀整是清梳联能否真正成为一 第一章绪论 项成熟的工艺技术而被广泛工业化应用的关键。 1 2 清梳联自调匀整技术的国内外研究与发展情况 六、七十年代随着清梳联的逐步工业化应用和自调匀整的逐步应用于清梳联 工艺，吸引了纺织科技工作者开始对自调匀整系统理论的研究和实际系统的开 发。有的着重对良调匀整实现部位，印对鸯调匀整是在清梳联棉箱部馕实现、还 是在梳棉工序上实现、或者是在并条工序上实现进行tn 弊分析n 叫】。有的则 对纤维及纤维集合体在清梳联过程、尤其是梳棉过程的运动建立数学模型，希望 从中得到露调匀整系统设计的启示。侧如m o n f o r t 震马尔可夫过程模拟了梳理过 程怕1 ；又如a b h i r a m a n 与g e o r g e 等专门对梳理过程的随机特性进彳亍了研究婶3 。当 然，这些研究都是比较初步的。 八十年代以来，随着控制理论在囱调匀整技术中的应用和微电子技术特别是 计算机技术的迅猛发展为鲁调匀整实际系统的研发提供了坚实鹃基础。国际上先 进的纺机制造商陆续推燃一些旨在工业化应用的自调匀整器，经过应用、提高和 发展，直到八十年代末、九十年代初，比较成熟的、性能比较好的自调匀整系统 才真正应用于工业化大生产。这一对期研发工作的中心大多集中在自调匀整装置 控制形式的比较和不同片段控制器工艺性能的分析。如有的认为开环控制优越， 有的则认为闭环控制理想，有的采用控制给棉罗拉速度实现自调匀整，有的则在 梳棉枧成条后另加牵伸装置以实现控制器叫。与此同时，为了对自调匀整器的 工艺性能进行比较，有的学者从事了自调匀整器工艺性能的评估研究。如a 。矗。 d e h g h a n is a n ij 分别采用了切断称重法和u s t e r 仪器检测法，对梳棉机和并条 机岛调匀整器的工艺性能进行了评估辍 。由于这一时期自调匀整技术的发展主要 集中在实际系统麴研发，因而有关自调匀整的理论研究文献较少，但有一些研发 成果的介绍和报道性文章。从这些介绍和文章中，尤其是主要纺机制造商德国特 吕茨勒公司和瑞士立达公司所提供的信息中，已可看出，对这一时期讨论的问题 已有了暖确的选择，面且是完全的一致，酃在控制机构上，采用给端罗拉处端层 厚度检测和梳棉机小压辊处棉条检测以获得输入和输出的信号，采用给棉罗拉的 变速来控制输入梳棉机的棉量以实现自调匀整，抛弃了在棉条成条后另加牵伸区 来控制生条不匀的方案。放控制形式上，德孱特星茨勃公司d k 7 6 0 和d k 8 0 3 型梳 第一章绪论 棉机上所用的自调匀整装置和瑞士立达公司c 4 和c 5 1 梳棉机上所用的自调匀整 装置都是开环加闭环的方案。公开的报道虽没有说明任何原因，但相信这是经过 大量试验和方案对比后的选择n 2 叫引。 自调匀整系统虽然获得了工业化应用，但为了迸一步提高自调匀整系统的工 艺性能，也由于应用于清梳联装备、特别是梳棉机上的自调匀整系统具有如随机 扰动、有时延及参数时变等特点，有些特点，例如对时延问题的分析还是