CN101308363A

CN101308363A - 卷染机布料的速度-张力协调控制方法

Info

Publication number: CN101308363A
Application number: CNA2008100628528A
Authority: CN
Inventors: 颜钢锋
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2008-07-07
Filing date: 2008-07-07
Publication date: 2008-11-19

Abstract

本发明公开了卷染机布料的速度－张力协调控制方法，该方法主要利用模糊控制系统将来自光电编码器的采样速度与设定速度进行比较，同时将来自张力检测装置的张力检测值与设定张力进行比较，根据误差的动态变化，实时调整控制规则，对速度和张力进行分段交替控制，分别得到保持卷染布料等线速恒张力所需的上卷频率f_A、退卷频率f_B，经工作在速度模式的上卷变频器和工作在转矩模式的退卷变频器分别控制上卷电动机和退卷电动机。该方法解决了卷染机布料速度和张力之间的耦合问题，对卷染机这个二输入/二输出、有耦合、时变的非线性系统的速度－张力协调控制更为精确；减少了因速度和张力的不稳定所带来的染色色差，提高了布料的染色质量。

Description

卷染机布料的速度-张力协调控制方法

技术领域

本发明涉及卷染机布料的速度-张力协调控制方法。

背景技术

卷染机在进行卷染生产过程中，为了减少布料染色的色差，提高布料染色质量，在布料经过染槽进行染色时，必须尽量保持布料线速度和张力的恒定。因此，卷染机布料线速度和张力的控制尤为重要。

卷染机主体的物理模型如图1所示。布辊A、B分别由两台电动机驱动，当卷染机正向运行时，织物从布辊A逐渐退出，卷绕至布辊B上，则布辊A为退卷辊，布辊B为上卷辊，当织物全部绕在布辊B上后，传动控制系统使布辊A、B反向转动，此时A辊为上卷辊，而B辊为退卷辊，如此反复使织物不断通过染液达到染色的目的。在此过程中上卷辊的直径越来越大，转速越来越慢，而退卷辊正好相反。由此，可以建立卷染机系统的动态方程：

\{\begin{matrix} T_{A} - T_{f_{A}} - F \frac{R_{A}}{K} = J_{A} \frac{{dω}_{A}}{dt} + ω_{A} \frac{{dJ}_{A}}{dt} \\ T_{B} - T_{f_{B}} - F \frac{R_{B}}{K} = J_{B} \frac{{dω}_{B}}{dt} + ω_{B} \frac{{dJ}_{B}}{dt} \end{matrix}

T_A、T_B分别为两台电动机的电磁转矩；

、

分别为两台电动机的阻尼转矩；J_A、J_B分别为卷辊A、B折算到电动机轴上的转动惯量；F为张力，K为转速比，R_A、R_B分别为卷辊A、B半径，ω_A、ω_B分别为卷辊A、B的角速度。由此可见，该系统是一个二输入/二输出系统，且卷径时刻在变化；此外由于织物上浸有染液，转动惯量不仅随着卷径的变化而变化，而且也难以计算；同时线速度和张力间存在相互影响。因此系统是一个二输入/二输出、有耦合、时变的非线性系统。

对于速度-张力传动控制系统，为了实现等线速恒张力的控制目标，大都采用PID(比例积分微分)控制方法进行控制，但是其控制效果有限。

首先，由于PID控制方法主要适用于可以建立精确数学模型的确定性系统。在卷染机系统中，从交流电动机到上卷辊、退卷辊之间有着相对复杂的传动机构，卷布速度、布厚、时刻变化的卷径等各方面都影响着张力，难以对速度或张力建立独立的精确数学模型。

其次，如果在不精确的数学模型上仅单纯采用PID控制器，当速度和张力的当前值与设定值相差太大时，PID控制器的积分作用会不断累积，引起系统超调或系统振荡。因此也有使用积分分离PID控制算法，即当当前值与设定值相差较大时，积分环节被分离，实际上只采用PD(比例微分)控制；当当前值与设定值相差较小时，积分环节被采用，实际上完全采用PID控制。但是这种方法对阈值(即当前值与设定值的相差值)的设定要求很高——阈值太大，系统响应太慢；阈值太小，系统容易出现超调或振荡。

最后，卷染机系统是一个二输入/二输出、有耦合、时变的非线性系统。特别是速度和张力之间存在着耦合的关系，如果只对速度或张力分别独立采用PID或者分离积分环节的PID控制算法，那就简单地认为速度和张力是分离独立的变量，忽略了两者之间的耦合关系，难以真正有效地进行速度-张力的控制。

发明内容

针对当前卷染机布料速度-张力控制存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是：提供一种卷染机布料的速度-张力协调控制方法，以实现布料在卷染过程中等线速恒张力的控制目标，减少布料染色色差，提高染色质量。

本发明的卷染机布料的速度-张力协调控制方法，其特征是包括模糊控制系统、上卷控制对象和退卷控制对象，上卷控制对象包括由上卷变频器和上卷电动机组成的伺服系统以及安装在上卷电动机尾轴的上卷光电编码器，上卷光电编码器产生的高速脉冲信号送至上卷变频器和模糊控制系统，模糊控制系统得到上卷反馈速度，并将此上卷反馈速度与设定速度进行比较，运算得到保持布料线速度恒定所需的频率f_A，经上卷变频器控制上卷电动机的转速，上卷变频器工作在速度模式；退卷控制对象包括由退卷变频器和退卷电动机组成的伺服系统以及安装在退卷电动机尾轴的退卷光电编码器，退卷光电编码器产生的高速脉冲信号送至退卷变频器和模糊控制系统，模糊控制系统得到退卷反馈速度，并将此退卷反馈速度与设定速度进行比较，运算得到保持布料线速度恒定所需的频率f_B，同时，模糊控制系统将由张力检测装置检测得到的布料张力与设定张力进行比较，经张力补偿环节对比较得到的差值进行处理，得到与该差值相对应的频率±Δf，将此频率±Δf与频率f_B进行叠加，得到保持布料等线速恒张力所需的频率f_B‘，经退卷变频器控制退卷电动机的转速和力矩，退卷变频器工作在转矩模式。

由于速度对张力的作用远大于张力对线速度的影响，因此模糊控制系统在实现对速度和张力的协调控制过程中，确定以速度为主控制变量，以张力为次控制变量。根据速度的测定值(即反馈值)与设定值的误差大小情况，模糊控制系统实时采取不同的控制策略，其算法步骤如下：

(1)采集上卷电动机和退卷电动机的速度信号，将速度检测值与设定值进行比较，将误差与原先设定的阈值进行比较；

(2)若误差大于设定的阈值，采用如下控制规则：对速度的控制采用纯比例控制，以使速度尽快达到设定值；同时对张力采用带有模糊补偿(补偿值是线速度模糊集合的函数)的模糊bang-bang控制方法进行控制，以削弱速度的调节变化对张力的影响；若误差小于设定的阈值，采用如下控制规则：对速度的控制采用模糊bang-bang控制方法，以提高系统的阻尼程度，使系统超调量较小，同时张力采用基本的模糊控制；

在整个过程中，根据误差的动态变化，实时调整控制规则，对速度和张力进行分段交替控制，使其依次逐渐趋向设定值。

本发明的有益效果是：运用双变频技术，方便地对卷染机卷染过程中布料的线速度和张力进行了控制；并使用模糊控制系统，解决了速度和张力之间的耦合问题，对卷染机这个二输入/二输出、有耦合、时变的非线性系统的速度-张力协调控制更为精确；减少了因速度和张力的不稳定所带来的染色色差，提高了布料的染色质量。该方法不仅适用于常温常压卷染机，也适用于高温高压卷染机。

附图说明

图1是卷染机染色工作原理示意图；

图2是卷染机布料的速度-张力协调控制方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明卷染机布料的速度-张力协调控制方法。

参照图2，卷染机布料的速度-张力协调控制方法，包括模糊控制系统、上卷控制对象和退卷控制对象，上卷控制对象包括由上卷变频器A和上卷电动机A组成的伺服系统以及安装在上卷电动机A尾轴的上卷光电编码器A，上卷光电编码器A产生的高速脉冲信号送至上卷变频器A和模糊控制系统，模糊控制系统得到上卷反馈速度，并将此上卷反馈速度与设定速度进行比较，运算得到保持布料线速度恒定所需的频率f_A，经上卷变频器A控制上卷电动机A的转速，上卷变频器A工作在速度模式；退卷控制对象包括由退卷变频器B和退卷电动机B组成的伺服系统以及安装在退卷电动机B尾轴的退卷光电编码器B，退卷光电编码器B产生的高速脉冲信号送至退卷变频器B和模糊控制系统，模糊控制系统得到退卷反馈速度，并将此退卷反馈速度与设定速度进行比较，运算得到保持布料线速度恒定所需的频率f_B，同时，模糊控制系统将由张力检测装置检测得到的布料张力与设定张力进行比较，经张力补偿环节对比较得到的差值进行处理，得到与该差值相对应的频率±Δf，将此频率±Δf与频率f_B进行叠加，得到保持布料等线速恒张力所需的频率f_B‘，经退卷变频器B控制退卷电动机B的转速和转矩，退卷变频器B工作在转矩模式。

模糊控制系统根据速度的测定值与设定值的误差大小情况，实时采取不同的控制策略，其算法步骤如下：

Claims

1.卷染机布料的速度-张力协调控制方法，其特征在于：包括模糊控制系统、上卷控制对象和退卷控制对象，上卷控制对象包括由上卷变频器(A)和上卷电动机(A)组成的伺服系统以及安装在上卷电动机(A)尾轴的上卷光电编码器(A)，上卷光电编码器(A)产生的高速脉冲信号送至上卷变频器(A)和模糊控制系统，模糊控制系统得到上卷反馈速度，并将此上卷反馈速度与设定速度进行比较，运算得到保持布料线速度恒定所需的频率f_A，经上卷变频器(A)控制上卷电动机(A)的转速，上卷变频器(A)工作在速度模式；退卷控制对象包括由退卷变频器(B)和退卷电动机(B)组成的伺服系统以及安装在退卷电动机(B)尾轴的退卷光电编码器(B)，退卷光电编码器(B)产生的高速脉冲信号送至退卷变频器(B)和模糊控制系统，模糊控制系统得到退卷反馈速度，并将此退卷反馈速度与设定速度进行比较，运算得到保持布料线速度恒定所需的频率f_B，同时，模糊控制系统将由张力检测装置检测得到的布料张力与设定张力进行比较，经张力补偿环节对比较得到的差值进行处理，得到与该差值相对应的频率±Δf，将此频率±Δf与频率f_B进行叠加，得到保持布料等线速恒张力所需的频率f_B‘，经退卷变频器(B)控制退卷电动机(B)的转速和转矩，退卷变频器(B)工作在转矩模式。

2.根据权利要求1所述的卷染机布料的速度-张力协调控制方法，其特征在于：模糊控制系统在实现对速度和张力的协调控制过程中，其算法步骤如下：

(2)若误差大于设定的阈值，采用如下控制规则：对速度的控制采用纯比例控制方法，同时对张力采用带有模糊补偿的模糊bang-bang控制；若误差小于设定的阈值，采用如下控制规则：对速度的控制采用模糊bang-bang控制，同时，对张力采用基本的模糊控制。