（控制理论与控制工程专业论文）浆纱机卷绕机构张力控制系统研究.pdf

中文摘要 摘要 浆纱工艺是重要的织前准备工序，浆纱速度的快慢和浆纱质量的好坏对织造生产 影响很大，甚至直接影响着纺织工厂的经济效益。浆纱机卷绕装置能否实现恒张力卷 绕直接影响着浆纱速度和质量。 本文对浆纱机卷绕装置的卷绕特性进行了研究，对张力控制系统的基本组成及控 制原理进行了探讨，研究并得出了卷绕直径的检测方法，对基于直接转矩控制的异步 电动机用作浆纱机主传动时的控制策略进行了分析。 为了改进张力控制系统的控制性能，本文设计了一套基于d s p的张力控制系统。 该张力控制系统以异步电动机作驱动电 机， 采用了 直接转矩控制技术。 系统以美国t i 公司生产的电机控制专用芯片为核心，应用m / t 法实现对电 机转速的检测及线速度反 馈的检测、用软件实现了 卷绕直径的计算;主电路采用智能功率模块 ( 工 p m ) ，把直接 转矩输出的开关量转换为空间矢量电压实现对电机的转矩直接驱动;进而实现数字化 的恒张力控制系统。该系统通过实验，对卷绕装置实现恒张力控制有明显改进效果。 因为卷绕张力控制系统是个动态、时变、非线性系统，考虑到模糊控制技术特有 的鲁棒性，本文将模糊控制理论引入张力控制系统，对张力模糊控制器进行了初步设 计; 又通过在直接转矩控制中引入模糊控制， 对多变量的模糊控制器设计进行了尝试。 最后本文采用a c s 6 0 0 变频器构成了卷绕张力控制系统并对其性能进行了剖析。 该 系统采用现场总线、卷曲 宏等先进的控制技术，其有精确的控制性能，良 好的动态特 性，能够实现工厂网络化、信息化。 关键词:卷绕装置张力控制系统直接转矩控制 c d t c ) 数字信号处理器( 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 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中 特别加以 标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 大 生一 或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 二 k l4 p签 字 日 期 :， 年 歹 月 种日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解al生夕组 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权 k 生 生- 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索，并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以 供查阅 和借阅。同意学 校向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 导 师 v _s : 沂0 畔 签 字日 期 : 11.- 0 年i 月砰日 签 字 日 期 : j . 4 年 月 仲日 第一章绪论 第一章 绪论 浆纱的目的是使经纱上浆，以 便使经纱贴伏毛羽，增强耐磨。浆纱机是彼此不同 的工艺操作设备的组合，需要控制的参数有十几项，提高浆纱机传动系统控制技术对 提高浆纱技术、确保浆纱质量、适应高速生产有极大影响。 1 . 1浆纱工艺及浆纱机概述 所谓浆纱就是对经纱表面和内部粘附、 渗入一定量的浆液， 再经烘燥使表面成膜， 以此来增加原纱的强度和耐磨性，减少表面毛羽，提高其织造性能。浆纱后，经纱在 织 造中 应能 承 受反 复 拉伸、 摩擦和冲 击等 作 用， 顺利完成与纬纱的 交织n n z 。 浆 纱 过 程 各区段对张力大小的要求不一样，各区段实现恒张力控制是浆纱的一个工艺条件，是 控制浆纱伸长率的主要因素。 1 . 1 . 1 浆纱机的现状与发展 浆纱工艺早在古代就有，历经手工方式、机械方式到现代的自 动化方式，现代浆 纱机的自 动化程度随着微电子技术、电力电子技术、计算机控制技术、电机调速技术 的发展而日 益提高。上浆设备的发展主要体现烘燥装置、吸浆系统、传动系统方面。 就传动系统而言，浆纱机从铁炮、磨擦盘、差微装置和边轴传动发展到多单元、 变频器、 变频电 机等传动和控制技术t3 。 浆纱机的 传动系统决定全机运行速度， 一般 以拖引辊表面速度记为 “ 车速” 或者 “ 浆纱速度” 。 现代浆纱机在浆纱速度、张力与伸 长控制、吸浆均匀性和烘燥效率等方面都有明显提高。 目 前国内 所使用的浆纱机是型号新老交替、 性能参差不齐的状况， 常见的有g 1 4 2 型浆纱 机、 g a 3 0 1 -2 4 0 浆纱机、 g a 3 3 0 浆纱机 和g a 3 0 8 型 浆纱机等r l 3 1 te 1 。 其中 有 代表性的新型浆纱机是郑州纺织机械厂生产的 g a 3 0 8型浆纱机。g a 3 0 8型浆纱机的 特点是: 1 、可靠性好。采用计算机对各个工艺参数进行控制、检测。以往各段张力是由 无级变速器进行调节，其结构复杂，易产生故障。现在采用 7 单元变频拖动后，其故 障率大大降低，可靠性大大提高。 2 、可控性好。整个机器的自 动化程度高，采集各工艺参数信息准确，尤其是温 度、回潮率及伸长控制。温度控制的信息采集是在烘筒内部和浆槽内部进行的，故信 息准确。回潮率采用先进的回潮仪，抗干扰信号强，信息准确。伸长控制的信号由电 机旋转编码器传递给计算机，无外界干扰，可控性强。 3 、控制精度高。电子行业的飞速发展给机械制造业的发展带来了契机，各工艺 参数控制精度也大大提高。 如 : 伸长控制的 精度为千分之一， 温度采用p i d自 动控制， 温度偏差范围为 月 c 0 ，压浆力采用线性比例控制等。 4 、结构简单。g a 3 0 8 型浆纱机采用多单元变频拖动， 大大简化了 机械结构，降 第一章绪论 第一章 绪论 浆纱的目的是使经纱上浆，以 便使经纱贴伏毛羽，增强耐磨。浆纱机是彼此不同 的工艺操作设备的组合，需要控制的参数有十几项，提高浆纱机传动系统控制技术对 提高浆纱技术、确保浆纱质量、适应高速生产有极大影响。 1 . 1浆纱工艺及浆纱机概述 所谓浆纱就是对经纱表面和内部粘附、 渗入一定量的浆液， 再经烘燥使表面成膜， 以此来增加原纱的强度和耐磨性，减少表面毛羽，提高其织造性能。浆纱后，经纱在 织 造中 应能 承 受反 复 拉伸、 摩擦和冲 击等 作 用， 顺利完成与纬纱的 交织n n z 。 浆 纱 过 程 各区段对张力大小的要求不一样，各区段实现恒张力控制是浆纱的一个工艺条件，是 控制浆纱伸长率的主要因素。 1 . 1 . 1 浆纱机的现状与发展 浆纱工艺早在古代就有，历经手工方式、机械方式到现代的自 动化方式，现代浆 纱机的自 动化程度随着微电子技术、电力电子技术、计算机控制技术、电机调速技术 的发展而日 益提高。上浆设备的发展主要体现烘燥装置、吸浆系统、传动系统方面。 就传动系统而言，浆纱机从铁炮、磨擦盘、差微装置和边轴传动发展到多单元、 变频器、 变频电 机等传动和控制技术t3 。 浆纱机的 传动系统决定全机运行速度， 一般 以拖引辊表面速度记为 “ 车速” 或者 “ 浆纱速度” 。 现代浆纱机在浆纱速度、张力与伸 长控制、吸浆均匀性和烘燥效率等方面都有明显提高。 目 前国内 所使用的浆纱机是型号新老交替、 性能参差不齐的状况， 常见的有g 1 4 2 型浆纱 机、 g a 3 0 1 -2 4 0 浆纱机、 g a 3 3 0 浆纱机 和g a 3 0 8 型 浆纱机等r l 3 1 te 1 。 其中 有 代表性的新型浆纱机是郑州纺织机械厂生产的 g a 3 0 8型浆纱机。g a 3 0 8型浆纱机的 特点是: 1 、可靠性好。采用计算机对各个工艺参数进行控制、检测。以往各段张力是由 无级变速器进行调节，其结构复杂，易产生故障。现在采用 7 单元变频拖动后，其故 障率大大降低，可靠性大大提高。 2 、可控性好。整个机器的自 动化程度高，采集各工艺参数信息准确，尤其是温 度、回潮率及伸长控制。温度控制的信息采集是在烘筒内部和浆槽内部进行的，故信 息准确。回潮率采用先进的回潮仪，抗干扰信号强，信息准确。伸长控制的信号由电 机旋转编码器传递给计算机，无外界干扰，可控性强。 3 、控制精度高。电子行业的飞速发展给机械制造业的发展带来了契机，各工艺 参数控制精度也大大提高。 如 : 伸长控制的 精度为千分之一， 温度采用p i d自 动控制， 温度偏差范围为 月 c 0 ，压浆力采用线性比例控制等。 4 、结构简单。g a 3 0 8 型浆纱机采用多单元变频拖动， 大大简化了 机械结构，降 第一章绪论 低了 工人的 安装和劳动强度，也给使用厂的 维修带来了 很大方便。 5 、工艺性强 。由于工艺参数均采用计算机集中控制， 在设定工艺值时， 只要 在大的工艺框架内， 我们可根据要求，随心所欲地控制这台浆纱机。 向时，浆槽的 双浸四压、高压浆力全锡林烘燥等均为最先进的工艺技术。 6 、节省能源。浆纱机采用1 2 只烘筒烘燥，直接加热烘燥的效率高，同时采用高 压上浆使湿回潮率大大降低，减小了烘房的烘燥量，故节省了能源。可通过互连网对 浆纱机实现远程监控。 国外常见的浆纱机是祖克浆纱机，由德国祖克穆勒 ( s u c k e r mu l l e r ) 公司生 产。 祖克浆纱机7 0 年代前采用交流整流子电动机和部分液压传动。 8 0 年代以来， 其s 系列的各种机型，如s u c k e r -s 2 2 2 , s u c k e r -s 2 3 2 型浆纱机均采用直流电动机和部分 液压传动。 在国 外生产的 新型浆纱机中， 瑞士贝宁格 ( b e n - s i z e t e c ) 生产的7 单元 浆纱机比较有代表性。它采用 7 个单元分别变频调速，对6个区进行张力控制。2 个 变频电机分别驱动拖引辊和织轴，织轴卷绕张力由电脑控制通过气动张力辊随着卷绕 直径的增加而进行微调，以保证织轴卷绕密度均匀一致。伸缩箱横动机构随着车速成 比例无级横动，采用手机式 ( h a n d y ma t )操作面板对机器进行操作，可以使操作 非常方便。采用模块结构原理设计:全机分成 5 个阶段，每个区段由计算机控制，便 于设备升级改装。 车速可以随意调节，最高车速可达 1 2 0 米/ 分， 上浆率稳定并可由计 算机控制，浆料消耗少，织造效率高，程序设计简单明确，检查工艺参数方便快捷。 结构紧凑，占用空间小。自 动化程度高，控制精密，性能可靠。可以实现远距离故障 诊断。 新型浆纱机发展的特点是: 1 、适用阔幅、大卷装。这要求浆纱机的工作幅度和织轴卷绕直径加大。现时浆 纱机的浆槽工作幅度有 1 8 0 0 m m和2 0 0 0 m m两种形式，卷绕直径在8 0 0 m m -1 6 0 0 m rr 范围内。 2 、通用化。适用于高紧密织物的经纱上浆，适应织物品种档次，提高质量要求 与织机效率。 这是新型浆纱机发展的最重要方面。 3 、多烘筒烘燥。 4 、适当高速和自 动控制。现在的车速大多在 1 0 0 米/ 分钟一 1 2 0 米/ 分钟，车速 可提高到2 0 0 米/ 分钟，但对浆纱机来说，不能一味追求更高的速度，而主要应该以 提高浆纱质量为主，因此，浆纱机必须有相应的自 动控制装置和高效能的烘燥装置， 在自 动控制方面，一般应有:( 1 ) 织轴卷绕控制 ( 2 ) 压浆力自 控 ( 3 )温度自 动控制 ( 4 )回潮率自 控 ( 5 )伸长自 控等。 5 、变频调速分段传动。新型浆纱机都己成为多单元传动。取消了传动边轴和调 节各区张力的无级调速器。分别在车头织轴卷绕、拖引辊、烘房、上浆辊、引纱辊等 第一章绪论 处用变频电 机单独传动。 每个单元都有速度反馈系统， 运用同 步控制技术， 实现各单 元之间的精确同步。 6 、部件标准化和系列化。为适应上浆品种的多样化， 浆纱机己向 模块化组装方 向发展。它的轴架、浆槽、烘燥、卷绕和传动都在标准化和系列化。用户可根据自己 的需要自由选择和组合，构成不同特点的浆纱机。 1 . 1 . 2 浆纱机主要结构及张力的作用 浆纱机的种类较多， 这里以上面提到的的g a 3 0 8 型浆纱机( 由郑州纺织机械厂研 发) 为例， 说明 浆纱机的主要结构。 其工艺流程图 如图1 - 1 所示。 主要由 双层经轴架、 双浸四压高压浆槽、分层及合并烘干的高架烘房、大卷装调幅车头及计算机集中控制 0电 控部分组成。 其中 织 轴卷 绕、 拖引 辊、 烘房部分、 前 后浆槽的 上 浆辊和引纱辊分别由7 只 电机拖动，故该机称为7 单元拖动的g a 3 0 8 型浆纱机。 预上 层面 分单 4.认 1 经抽架; 2 . 性张力 退塞; 3 . 后策枪: 拚 # e 14 a 5 a # 撼石 冷开 洪 千 块k s 蜡; 8 . 牟头券烧权构 图1 - 1 g a 3 0 8 型浆纱机工艺流程图 浆纱机需要一定的张力来保持纱线伸直、纱片排列均匀;浆纱机上纱片需要一定 的张力来带动各个导纱辊及烘筒;浆纱机上纱片需要一定张力来通过分绞装置和伸缩 箱装置; 浆纱机上纱片需要较大的卷绕张力以 卷绕成紧密、 坚实的浆轴; 纱片上浆时， 张力要小，以免影响纱片吸浆;整个运行过程中，张力不能过大，以免纱线弱节发生 断裂;减少张力引起的伸长，保持纱线弹性以满足可织性的需要。 由 于浆纱工艺的 需要， 浆纱机各部分张力和伸长都不相同 ， 通常分为退卷张力区、 喂入张力区、湿张力区、干张力区、卷绕张力区。为了保证浆纱质量，浆纱张力与伸 长采用分区控制。其中，卷绕张力区的张力在全机中最大。浆轴卷绕结构的紧密和均 匀对织物质量、外观疵点及运转效率非常重要。 g a 3 0 8型浆纱机利用先进技术和元件对全机各段张力进行控制，即对喂入区、 湿 区、干区、卷绕张力进行控制。采用计算机控制的变频拖动，由7 个变频系统进行各 段伸长的控制。因为是两只浆槽，共有 7 个变频控制点。喂入区、湿区、干区控制各 段伸长值，通过计算机与设定的数值进行比 较运算。由控制系统改变各单元速度， 从 而达到与设定伸长值一致的最佳伸长值。 第一章绪论 1 . 2 浆纱机的主传动与调速 1 . 2 . 1 浆纱机的主传动 浆纱机的主传动是指由主电机对拖引辊、烘筒、上浆辊和引纱辊的传动。传统浆 纱机一般经边轴驱动，所以边轴驱动系统就是主传动系统。主传动系统决定全机运行 速度，一般拖引辊表面速度记为 “ 车速”或 “ 浆纱速度” 。浆纱机的主传动类型很多， 传统的可分为如下几类:三相交流异步电机+ 块带式无级变速器+ 爬行装置;三相交流 异步电机十 电磁滑差离合器式;直流电机;三相交流异步电机十 液压无级变速器;三相 交流整流子电 机; 三相交流异步电 机+ p x 扩大型无级变速器等 1 3 4 5 7 1 目 前，由于交流变频调速系统具有体积小、寿命长、无电刷、可靠性高、无需维 修、控制精度高、运行稳定高、运行稳定、调速平滑且范围广、设备成本低和节电等 优点，交流变频调速技术已用于国内外新型浆纱机的主传动系统。 1 . 2 . 2 交流变频调速技术概述 图1 - 2变频调速系统的原理框图 交流变频调速系统的原理框图如图1 - 2 所示2 4 2 9 1 。 控制器根据转速的 给定值和反 馈量运用相应的控制算法控制逆变器中功率器件的关断时序。 恒压恒频的三相交流电 通过逆变器产生电压和频率均可变的三相交流电，供给交流电机的定子，以实现平滑 的交流电 机调速。 在多数情况下， 把控制器与逆变器合二为一，称为逆变器。 变频调速的优点在于:改变频率 了 转差率 s 不变，也就是不同转速时5 不变，因 而转差损耗小，特性硬，调速范围宽，调速精度高， 适用于调速性能要求比较高的场 合。 对于同 步电 机 采 用变 频调速更为重 要， 因 为同 步电 机它没有转差， 只有变频。 同 步机的转速为: n = n o = 6 0 f , / n ， 一 ( 1 - 1 ) 这就决定了同步机不可能采用变转差的调速方法。采用变频调速方法后，同步机 可以直接启动，任意变速运行，克服了起动问 题、重载时的失步和振荡问题。 变频调速的方法有多 种， 按照变频器的 类型分主要有交一交变频器和交一直 一交 变频器两大类;按照控制方法分有标量控制、矢量控制和异步机的直接转矩控制。 第一章绪论 在浆纱机上应用交流变频调速技术， 减少了 其机械结构和电 机。我国在对传统浆 纱机改造中采用交流变频调速，减少原设计中的机械无级变速器，同时省去了一个伺 . 服电机和一个慢速电机。而在满足上浆工艺上，车速由慢速、主机加升降速改造成了 无间断 无级调速。 为车速变化调整压力实 现浆纱上浆率均衡提供了 条件。3 1 9 1 1 . 3 本课题研究的主要内 容 1 . 3 . 1 浆纱机的张力控制系统主要存在以下问题: 张力与伸长是浆纱的重要质量指标， 现代棉纺织设备对经纱上浆技术要求越来越 高，这就要求对恒张力控制更加严格。恒张力控制实质上是电动机的转速控制。交流 变频调速技术应用于浆纱机传动系统，能够大大提高浆纱机的恒张力控制水平。 传统浆纱机的张力控制系统主要存在以下问题: 1 、国内大多数新型浆纱机采用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 ) 机械卷绕 机构。p i v 卷绕机构在机械状态正常的条件下， 其卷绕机械特是比 较好的。 但因为其 机械复 杂， 运转维护技术要求高， 在实际使用中机构故障多，严重影响了浆纱产量、 质量，而且使纱线、浆料浪费，维修费用增加，也有选用进口p i v卷绕装置，其昂贵 的价格，企业往往无法承受，机械故障也时有发生。 2 、有的采用磁粉制动器/ 磁粉离合器作为张力控制。其线性不够好，控制的卷径 变化范围不大。 特别是在大负荷或高速时张力精度不够) ;其故障率高，维护费用高 ( 经常要更换磁粉) ， 磁粉制动器/ 磁粉离合器的可靠性差 ， 发热严重功率大的还需水 冷等。这种控制还需要调速单元 ( 如变频器、直流调速器)及张力控制仪，整体性价 比太低; 3 、 直流伺服电 机在浆纱机上应用较多， 其结构复杂，维修不便，设 备费用较大。 4 、对于时变、非线性卷绕系统，传统的模拟控制方法由明显的不足之处: 第一， 模拟调节器的参数是固定的， 难于适应系统参数( 例如卷径) 的大范围变化。 第二，用模拟器件难于实现记亿存储和复杂的计算。第三，模拟控制方式难于实现非 线性控制规律、自 适应控制规律和自 寻优控制规律。7 9 ) o i d 11 16 1 1 . 3 . 2 本课题主要进行的工作: 在吸取和借鉴国内外研究成果的基础上，本课题主要进行以下几方面的工作: 1 、 深入研究了浆纱机卷绕装置的卷绕特性， 讨论了张力控制系统的 基本组成及控 制原理，讨论了直流电机作为主传动时的控制策略;研究并得出了卷绕直径的检测方 法;讨论了变频调速技术作为浆纱机主传动时的控制策略; 2 、 设计了一套基于d s p 的数字张力控制系统。 该张力控制系统采用直接转矩控制 方法对异步电动机进行调速， 作为浆纱机的传动电机。 系统以美国t i 公司生产的电机 控制专用芯片为核心，应用m / t 法实现对电 机转速的检测及线速度反馈的检测、用软 件实现了卷绕直径的计算;主电路采用智能功率模块 ( i p m ) ，把直接转矩输出的开关 第一章绪论 在浆纱机上应用交流变频调速技术， 减少了 其机械结构和电 机。我国在对传统浆 纱机改造中采用交流变频调速，减少原设计中的机械无级变速器，同时省去了一个伺 . 服电机和一个慢速电机。而在满足上浆工艺上，车速由慢速、主机加升降速改造成了 无间断 无级调速。 为车速变化调整压力实 现浆纱上浆率均衡提供了 条件。3 1 9 1 1 . 3 本课题研究的主要内 容 1 . 3 . 1 浆纱机的张力控制系统主要存在以下问题: 张力与伸长是浆纱的重要质量指标， 现代棉纺织设备对经纱上浆技术要求越来越 高，这就要求对恒张力控制更加严格。恒张力控制实质上是电动机的转速控制。交流 变频调速技术应用于浆纱机传动系统，能够大大提高浆纱机的恒张力控制水平。 传统浆纱机的张力控制系统主要存在以下问题: 1 、国内大多数新型浆纱机采用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 ) 机械卷绕 机构。p i v 卷绕机构在机械状态正常的条件下， 其卷绕机械特是比 较好的。 但因为其 机械复 杂， 运转维护技术要求高， 在实际使用中机构故障多，严重影响了浆纱产量、 质量，而且使纱线、浆料浪费，维修费用增加，也有选用进口p i v卷绕装置，其昂贵 的价格，企业往往无法承受，机械故障也时有发生。 2 、有的采用磁粉制动器/ 磁粉离合器作为张力控制。其线性不够好，控制的卷径 变化范围不大。 特别是在大负荷或高速时张力精度不够) ;其故障率高，维护费用高 ( 经常要更换磁粉) ， 磁粉制动器/ 磁粉离合器的可靠性差 ， 发热严重功率大的还需水 冷等。这种控制还需要调速单元 ( 如变频器、直流调速器)及张力控制仪，整体性价 比太低; 3 、 直流伺服电 机在浆纱机上应用较多， 其结构复杂，维修不便，设 备费用较大。 4 、对于时变、非线性卷绕系统，传统的模拟控制方法由明显的不足之处: 第一， 模拟调节器的参数是固定的， 难于适应系统参数( 例如卷径) 的大范围变化。 第二，用模拟器件难于实现记亿存储和复杂的计算。第三，模拟控制方式难于实现非 线性控制规律、自 适应控制规律和自 寻优控制规律。7 9 ) o i d 11 16 1 1 . 3 . 2 本课题主要进行的工作: 在吸取和借鉴国内外研究成果的基础上，本课题主要进行以下几方面的工作: 1 、 深入研究了浆纱机卷绕装置的卷绕特性， 讨论了张力控制系统的 基本组成及控 制原理，讨论了直流电机作为主传动时的控制策略;研究并得出了卷绕直径的检测方 法;讨论了变频调速技术作为浆纱机主传动时的控制策略; 2 、 设计了一套基于d s p 的数字张力控制系统。 该张力控制系统采用直接转矩控制 方法对异步电动机进行调速， 作为浆纱机的传动电机。 系统以美国t i 公司生产的电机 控制专用芯片为核心，应用m / t 法实现对电 机转速的检测及线速度反馈的检测、用软 件实现了卷绕直径的计算;主电路采用智能功率模块 ( i p m ) ，把直接转矩输出的开关 第一章绪论 量转换为空间矢量电 压实现对电 机的转矩直接驱动; 进而实现了 恒张力控制。 3 、因为卷绕张力控制系统是个动态、时变、 非线性系统， 考虑到模糊控制技术特 有的鲁棒性，将模糊控制理论引入张力控制系统是非常合适的。本文对张力模糊控制 器进行了初步设计，又通过在直接转矩控制中引入模糊控制，对多变量的模糊控制器 设计进行了实践。 4 、瑞典 a b b 公司生产的变频器 a c s 6 0 0 ，将d t c 技术和模糊控制理论合二为一， 构成高性能、 低成本的变频器调速产品， 本文最后采用a c s 6 0 0 变频器卷曲宏构成了卷 绕张力控制系统并对其性能进行了剖析。需要说明的是，本文所设计的张力控制系统 与a c s 6 0 0 变频器构成的张力控制系统在硬件实现和控制策略上都不一样， 但可达到同 样的效果。 第二章 浆纱机卷绕机构张力控制策略研究 第二章 浆纱机卷绕机构张力控制策略研究 2 . 1 浆纱机织轴卷绕装置及其特点 2 . 1 . 1 浆纱机织轴卷绕装置的要求 浆纱机织轴卷绕装置的任务是: 将拖引辊送出的浆纱以均匀的张力卷绕到织轴上。 浆纱机卷绕系统的卷轴结构是否紧密与均匀，对织物质量、外观疵点以 及运转效率非 常重要，卷绕张力区是从加压测长辊与拖引辊的夹持点起，纱片经张力调节辊、导纱 辊、压纱辊， 直至卷到浆轴上。 它应满足如下要求: 川 2 1 、对拖引辊速度有良 好的跟踪性能，即织轴卷绕与拖引浆纱应同步进行。 2 、 具有恒功率卷绕的特性。即具有在织轴卷绕直径由小到大、 变化4 倍以上的范 围内，织轴的转速能不断降低，以 保持恒定的卷绕张力和表面线速度的机械特性。 3 、机械效率高，结构简单耐用，便于操作维修。 2 . 1 . 2 恒功率负载的特点 恒功率负载在工艺上一般都要求加工过程中保持织物的张力恒定， 或线速度恒定。 从这个角度说，这类系统属于恒值系统。 图2 - 1卷绕装置示意图 图2 - 1 所示的两个传动单元，m , 为一个稳速系统，m z 为典型卷绕系统， 减速比， ih定的， f 为: d o . d ， 分别为空轴和满轴的直径， d 为卷绕过程中某一时刻卷绕直径 j 为机械 。 即v 是 而v二 九 。 月 2 ， 即v 2 随 卷 径d 的 加 大 而 线 性 上升。 两 个单 元 之 间 织 物的 张 力 “ = 1 s3 j (v 2 一 v ):it 一 ( 2 - 1 ) 式 ( 2 - 1 ) 中: f 一织物承受的张力;s 一织物的截面积;1 一传动点m , n 之间的距 第二章 浆纱机卷绕机构张力控制策略研究 第二章 浆纱机卷绕机构张力控制策略研究 2 . 1 浆纱机织轴卷绕装置及其特点 2 . 1 . 1 浆纱机织轴卷绕装置的要求 浆纱机织轴卷绕装置的任务是: 将拖引辊送出的浆纱以均匀的张力卷绕到织轴上。 浆纱机卷绕系统的卷轴结构是否紧密与均匀，对织物质量、外观疵点以 及运转效率非 常重要，卷绕张力区是从加压测长辊与拖引辊的夹持点起，纱片经张力调节辊、导纱 辊、压纱辊， 直至卷到浆轴上。 它应满足如下要求: 川 2 1 、对拖引辊速度有良 好的跟踪性能，即织轴卷绕与拖引浆纱应同步进行。 2 、 具有恒功率卷绕的特性。即具有在织轴卷绕直径由小到大、 变化4 倍以上的范 围内，织轴的转速能不断降低，以 保持恒定的卷绕张力和表面线速度的机械特性。 3 、机械效率高，结构简单耐用，便于操作维修。 2 . 1 . 2 恒功率负载的特点 恒功率负载在工艺上一般都要求加工过程中保持织物的张力恒定， 或线速度恒定。 从这个角度说，这类系统属于恒值系统。 图2 - 1卷绕装置示意图 图2 - 1 所示的两个传动单元，m , 为一个稳速系统，m z 为典型卷绕系统， 减速比， ih定的， f 为: d o . d ， 分别为空轴和满轴的直径， d 为卷绕过程中某一时刻卷绕直径 j 为机械 。 即v 是 而v二 九 。 月 2 ， 即v 2 随 卷 径d 的 加 大 而 线 性 上升。 两 个单 元 之 间 织 物的 张 力 “ = 1 s3 j (v 2 一 v ):it 一 ( 2 - 1 ) 式 ( 2 - 1 ) 中: f 一织物承受的张力;s 一织物的截面积;1 一传动点m , n 之间的距 第二章 浆纱机卷绕机构张力控制策略研究 离:y 织 物弹性 模量;v v 两个 传动点m , n 处的 线 速度。 由式 ( 2 - 1 )可见，欲使张力恒定，必须保持线速度差恒定。根据公式v = z d n 要 使v rr 定， 必 须使电 动 机 转 速n 二 1/ d， 即n o c l / t ( t 为电 动 机 输出 转 矩) 。 可 见 这 类系统的负载特性应如图2 - 2 所示，称为恒功率负载特性，也称卷绕特性。 图2 - 2卷绕特性 式 ( 2 - 1 ) 表明，值张力控制实质上是电动机的转速控制。 卷绕机构张力主要是通 过两个传动单元之间的线速度差形成的。卷绕过程中卷径d 是时间的函 数， 而d 的变 化又引起线速度 v 和张力f 的变化。 所以 卷绕过程是一个动态时变过程。由 于张力波 动是由线速度波动引起的，所以张力恒定即线速度恒定。而欲使线速度恒定，就需卷 绕功率为恒定值。所以恒张力控制、恒线速度控制、恒功率控制，三者在本质上是相 同 的 1:。 2 . 2 恒张力自 动控制系统 常见的恒张力控制系统有两类: 一类是取被调量f ( 或v ) 为反馈量直接构成张力负 反馈控制系统;另一类是按扰动补偿调节的原则来进行控制的恒张力系统，这些引起 张力波动的扰动量应该能够被检测出来。 2 . 2 . 1 张力负反馈控制系统 张 力一f 环节 一一 加 认 一 干 图2 - 3 张力负反馈系统原理图 图中:p c 一张力检测变换器、f s 一张力传感器、f t 一张力调节器。 g f 一功率放大 装置，如晶闸管装置等。u ， 一张力给定和u f f 一张力反馈。 第二章 浆纱机卷绕机构张力控制策略研究 离:y 织 物弹性 模量;v v 两个 传动点m , n 处的 线 速度。 由式 ( 2 - 1 )可见，欲使张力恒定，必须保持线速度差恒定。根据公式v = z d n 要 使v rr 定， 必 须使电 动 机 转 速n 二 1/ d， 即n o c l / t ( t 为电 动 机 输出 转 矩) 。 可 见 这 类系统的负载特性应如图2 - 2 所示，称为恒功率负载特性，也称卷绕特性。 图2 - 2卷绕特性 式 ( 2 - 1 ) 表明，值张力控制实质上是电动机的转速控制。 卷绕机构张力主要是通 过两个传动单元之间的线速度差形成的。卷绕过程中卷径d 是时间的函 数， 而d 的变 化又引起线速度 v 和张力f 的变化。 所以 卷绕过程是一个动态时变过程。由 于张力波 动是由线速度波动引起的，所以张力恒定即线速度恒定。而欲使线速度恒定，就需卷 绕功率为恒定值。所以恒张力控制、恒线速度控制、恒功率控制，三者在本质上是相 同 的 1:。 2 . 2 恒张力自 动控制系统 常见的恒张力控制系统有两类: 一类是取被调量f ( 或v ) 为反馈量直接构成张力负 反馈控制系统;另一类是按扰动补偿调节的原则来进行控制的恒张力系统，这些引起 张力波动的扰动量应该能够被检测出来。 2 . 2 . 1 张力负反馈控制系统 张 力一f 环节 一一 加 认 一 干 图2 - 3 张力负反馈系统原理图 图中:p c 一张力检测变换器、f s 一张力传感器、f t 一张力调节器。 g f 一功率放大 装置，如晶闸管装置等。u ， 一张力给定和u f f 一张力反馈。 第二章 浆纱 机卷绕机构张力控制策略研究 图2 - 3 所示是张力负反馈系统， 它利用张力计， 把织物的张力转换成相应的电 信 号， 反馈到张力调节器输入端与张力给定值比较， 组成张力闭环调节系统。 如果u + d , 控制系统使执行电 机转矩增大， 转速提高， 张力增大; 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 为织物的线速度， t 为从空轴d 。 开始卷绕到卷径d 的时间，s为 织物的厚度，解之可得: 第二章 浆纱机卷绕机构张力控制策略研究 对 直 流 调 速 系 统 而 言， 张 力f = k . 里 1 三 ， 所以 张 力 控 制的 精 度主 要 取 决 于 卷 径d d 的检测精度。由于卷绕对象本身的数学模型是非线性和时变的，要设计一个好的控制 系统，就应当采非线性、变参数的调节器或控制器，这只有使用微控制器才能实现。 对卷径变化的补偿，通常指的是在工作卷绕过程中的补偿。在实际张力控制系统 中，卷绕机车启、停过程还要进行加减速补偿。在上面讨论中，忽略了 加减速时的转 矩md 。 实际 加 速过程中，为了 保持张 力不变，电 磁转矩应该附 加正的 动态转 矩，以 补偿卷绕轴等机构惯性所需要吸收的能量，在减速时，为了保持张力不变，则应该附 加负的动态转矩，以 补偿需要放出的能量。 2 . 3 卷绕直径的检测 在实际生产中，实现卷绕机构恒张力控制，主要扰动量是卷径d 的变化。无论采 用哪种控制方案和哪种调速方式，控制系统都必须设置检测装置对卷径进行检测。 2 . 3 . 1 由实际织物线速度和电机转速计算得到卷径 根据v= 2 7 m r=t d n得: d =一( 2 - 1 2 ) 即只要测取织物的线速度v 和电动机转速n ， 经除法器， 即可测得卷径d 的信号。 这种方法需要线速度 v 和电动机转速 n 装置。 2 . 3 . 2 由织物线速度与织物实际的厚度计算得到卷径 d ( t ) 图2 - 4 卷径d 的变化 根据图2 - 1 所示，卷轴阴影部分的面积为: : = t d - d o = v t d一 ( 2 - 1 3 ) 式 ( 2 - 1 3 )中v 为织物的线速度， t 为从空轴d 。 开始卷绕到卷径d 的时间，s为 织物的厚度，解之可得: 第二章 浆纱机卷绕机构张力控制筑略研究 。 一 、 i o o + 4 v a r一 ( 2 - 1 4 ) 利用软件很容易求得卷径d 随时间变化的曲线如图2 - 4 所示。 2 . 3 . 3用迭代法计算得到卷径d 设卷绕过程中t 时刻直径为d ( t ) ， 则在 ( t + o t ) 时 刻卷径为d ( t + a t ) = 。 ( t ) + 4 d ，因为卷轴每转一周，其直径就增加2 层织物的厚度，所以在 t 时间内卷径增 量为: . _2 8 v o t a 述 j=一二， 下 7 0( t ) 一 一( 2 - 1 5 ) 逐次迭代，即可求得任一时刻卷径d的值。 以上几种卷径的计算是基于线速度给定的，同时亦假定实际线速度与线速度给定 是一样的。卷径计算