CN101673119A - 一种控制织机送经卷取过程中经纱张力稳定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制织机送经卷取过程中经纱张力稳定的方法，包括电子送经卷取控制系统硬件以及核心控制器的软件编程两个部分。所述的硬件部分包括主控制器PLC、触摸屏、张力传感器、编码器、伺服驱动器、伺服电机以及减速器；所述的软件部分采用了一种新型的控制算法，即单神经元自适应PID算法。本发明的控制系统已经在SAURER400型剑杆织机上进行实验，并取得了良好的控制效果，明显改善了织机经纱张力波动，大大降低了经纱断头率；而且该控制方法具有普遍性，对于老机的改造和新机的算法研究均具有一定的实用价值。

Description

一种控制织机送经卷取过程中经纱张力稳定的方法

技术领域

本发明涉及用于纺织机械张力控制机构，特别适用于是剑杆织机经纱张力控制机构，国际专利分类号拟为Int.Cl.D03D 49/06。

背景技术

目前，国内织机的送经卷取控制系统大部分为机械式的。它通过一系列的机械结构来控制送经量和卷取量。实践表明，机械送经卷取控制系统使得织机的结构复杂，滞后严重，柔性差，精度不高。此外，随着织机高强度的工作，将造成机械磨损，从而使得精度明显下降。因此，机械送经卷取控制系统只能用于中低档织机。

在纺织行业中，电子送经卷取控制系统的应用也越来越广泛，正逐步取代机械式送经卷取机构。目前，国内电子送经卷取控制系统一般采用工控机或单片机作为主控制器，也有采用数字信号处理器(DSP)作为核心控制器。工控机功能强大，控制效果好，但其体积大而且价格昂贵；目前检索到的相关文章和相关专利有：1.吴冬凤发表的《基于ADuC824的织机电子送经卷取的控制系统设计》(天津工业大学学报，2007，26(6)：51-53)，该文章采用单片机作为核心控制器，其优点是控制精确，而且成本很低，但存在的缺陷是单片机的稳定性和抗干扰能力较差；2.中国专利03116881.7公开了一种电子送经控制系统和方法，它采用高速数字信号处理器(DSP)控制伺服系统驱动送经机构，其控制算法复杂，是在每个织造周期通过一定数量的中断来控制送经量，织造设备调整或处理坏布时灵活性较差；3.中国专利200320106177.7公开了一种帘子布剑杆织机机外电子送经机构，采用变频控制，响应速度慢，控制精度低，难以适应中、高速织造设备的要求。而国外电子送经卷取控制系统集成在织机控制器中，专用于织造特定布匹的织机上，柔性差，且对于用户来讲成本也很高。

在控制算法方面，传统的PID控制在纺织行业仍处于主导地位，但其缺点主要是PID参数一般由人工整定，且一次性整定得到的PID参数很难保证其控制效果始终处于最佳状态。近年来模糊PID控制也成为了人们研究和应用的对象，但是模糊PID控制需要很丰富的经验，而且参数整定也有一定的局限。

发明内容

鉴于当前的送经卷取控制系统存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种用于织造设备的电子送经卷取控制系统，来实时控制织机在织造过程中经纱张力波动，以确保织机经纱张力相对恒定。本发明主要包括主控制器，触摸屏，张力传感器，编码器，伺服驱动器，减速器，交流伺服电机。其中，所述主控制器采用了具有稳定性高、抗扰能力强、易于编制程序算法的可编程控制器PLC。通过RS422与触摸屏进行通信，通过RS485与交流伺服驱动器进行通信。主控制器与触摸屏、张力传感器、编码器、交流伺服驱动器、开车信号端和停车保护信号端等外围部件相连，它接收张力信号和编码器反馈信号，经分析比较输出一定的电压控制信号给伺服驱动器，再通过伺服驱动器将控制信号放大来驱动交流伺服电机的转速，最后经蜗轮蜗杆减速器输出端的齿轮带动经轴上的大齿轮转动，并送出合适的经纱量。而卷取端伺服电机的速度在同一纬密条件下固定不变，改变卷取端伺服电机转速可以改变纬密高低；所述人机界面采用触摸屏，用来设定初始参数以及在线修改纬纱密度；所述张力传感器安装于后梁和调节弹簧之间，用来把与经纱张力成比例的模拟电压信号输出至所述的主控制器；所述编码器安装于与织机主轴同步的导布辊上，用来实时检测织机的转速和织机角度。采用旋转编码器作为角位移传感器、以及与之相匹配的结构构成织机经纱张力的控制机构，旋转编码器是集光、机、电技术于一体的先进的位移传感器，可将转动位移量直接转变为数字信号输出，不需要经过模拟信号转变为数字信号这一过程，所以其输出的数字信号精确、分辨能力强、不易受外界干扰、性能稳定可靠、反应灵敏。

在控制算法方面，大多数采用经典PID算法和模糊PID算法，其主要缺点是参数整定复杂。然而，本发明采用了一种新的控制算法，即单神经元自适应PID算法，该算法相对于前两种算法，它具有响应时间短，超调量小，鲁棒性强，对抑制张力峰值非常有效，同时也改善了张力的特征值。

本发明一种控制织机送经卷取过程中经纱张力稳定的方法，运用了可编程控制技术，不仅很好的改善了经纱张力波动，而且也使织机的运行性能更稳定、可靠，有效地提高了织造质量，也降低了工人师傅的操作难度，并且能在织机出现织造故障时，及时果断地进行定位停车，有效的保护了织机的安全运行。

本发明一种控制织机送经卷取过程中经纱张力稳定的方法，已经在SAURER400型剑杆织机上试用，该织机主电机输出端是以带轮形式输出的，通过梯形带与一带轮组相连接，改变梯形带的位置，即可以改变车速，最低车速为120r/min，最高车速为320r/min。在试用过程中所用的织物品种有：纯棉，亚麻、粘胶等平纹布，其纬密也高低不同。实践证明：本电子送经卷取控制系统对于改善织机经纱张力具有显著效果，而且该控制系统运行稳定可靠。

附图说明

图1为电子送经卷取控制系统硬件电路框图；

图2为电子送经卷取控制系统主程序流程图；

图3为电子送经卷取控制系统触摸屏首页画面；

图4为单神经元自适应PID控制系统图；

图5为三种控制算法的阶跃响应曲线图；

具体实施方式

下面结合附图进一步详述本发明。

本发明的目的在于提供一种用于织造设备的电子送经卷取控制系统，来实时控制织机在织造过程中经纱张力波动，以确保织机经纱张力基本恒定。

图1为电子送经卷取控制系统硬件电路框图；

其中，电压处理部分包括：接触器、滤波器、变压器、断路器等元器件。系统输入电源为交流三相380V，首先要经过电压处理部分对三相380V电压进行滤波、降压，使之输出端电压为交流三相220V。该交流三相220V电压是给两个部分提供源电压的，即：一部分是供给送经和卷取伺服驱动器的R、S、T三个输入端，其输出端U、V、W、PE联接交流伺服电机，分别驱动送经伺服电机和卷取伺服电机运动；而另一部分要经过一个AC-DC开关电源，将两项220V交流电压转换成直流24V电压，该直流24V电压是用于给控制系统中的低压元器件供电的。卷取伺服电机通过减速器1直接与卷取端变速箱联接，在同一纬密下使电机速度恒定不变，当需要改变纬密时，可以通过触摸屏直接设定，实际上就是要改变卷取伺服电机的转速。送经伺服电机通过减速器2直接与经轴一端的大齿轮啮合，从而带动经轴转动。送经伺服电机的速度是根据系统所设定的经轴直径、纬纱密度、织机转速等参数来确定的。织机在运行过程中自动检测经纱张力，经主控制器PLC内部处理器处理后，再由模拟量输出模块调整交流伺服电机的转速。主控制器PLC与触摸屏、张力传感器、编码器、交流伺服驱动器、开车信号端以及停车保护信号端等外围部件相连。它接收张力传感信号和编码器反馈信号，经分析比较输出一定的电压控制信号给伺服驱动器，再通过伺服驱动器将控制信号放大来驱动交流伺服电机的转速和转向。主控制器通过串行端口RS422与触摸屏进行通信，通过串行端口RS485与交流伺服驱动器进行通信。安装在后梁和调节弹簧之间的张力传感器通过滤波处理后与主控制器PLC的AD模块端口相连接，且该张力传感器接0-24V电压，输出10-0V电压。安装于与织机主轴同步的导布辊上的编码器直接连接到主控制器PLC的输入端口和COM口上，且该编码器接5V电压。织机原控制柜中的开车信号和保护信号要与主控制器连接，保证主控制器与原织机控制系统同步通信。

图2为电子送经卷取控制系统主程序流程图；

系统上电复位后先进行初始化，从而可得出一个张力偏差信号，并将这个张力偏差信号作为一个控制量，来控制伺服电机的转速，从而送出一定量的经纱。

图3为电子送经卷取控制系统触摸屏首页画面；

人机对话界面是用户设定工艺参数的关键，在系统中共有7组主菜单，分别为“首页画面”、“系统管理”、“参数设定”、“状态显示”、“帮助信息”、“手动操作”和“自动操作”。其中，“首页画面”正如图3所示，它是用来显示本设备的名称以及其他画面的切换按键等相关的信息；“系统管理”是出于工艺保密性和系统安全性而设置的口令体系，以防止非法操作；“参数设定”包括送经和卷曲的速度、经纱张力、关车方式选择；“状态显示”是显示机器运行时各个伺服电机驱动器的频率变化和故障报警信息；“帮助信息”是用于帮助用户解决问题的，它包括触摸屏维护、参数说明、操作注意事项等。选择这组菜单，还可得到“报警信息”的解决方法。“手动操作”和“自动操作”是对于松纱紧纱和松卷紧卷的控制方式不同。

图4为单神经元自适应PID控制系统图；

神经元是基本的控制元件，结合常规PID控制，将误差的比例、积分和微分作为单神经元的输入量，PID系数作为权系数，就构成单神经元PID控制器。单神经元实现自适应PID控制的结构图正如图4所示，图中转换器的输入反映被控过程及控制设定的状态，设r(k)为设定值，y(k)为输出值，经转换器转换成为单神经元学习控制所需要的状态量x₁(k)，x₂(k)，x₃(k)，K为单神经元比例系数，且K＞0。Δu(k)是单神经元通过关联搜索而产生的控制信号。单神经元自适应控制器通过对加权系数的调整来实现自适应、自组织功能，而加权系数的调整则采用有监督Hebb学习规则，它与神经元的输入、输出和输出偏差三者的相关函数有关。这里对比例(P)，积分(I)，微分(D)分别采用了不同的学习速率η_I，η_D，η_P以便对它们各自的权系数能根据需要分别进行调整。

图5为三种控制算法的阶跃响应曲线图；

图5是通过MATLAB仿真系统对PID算法、模糊PID算法以及单神经元自适应PID算法这三种算法进行仿真，从而得出它们的阶跃响应曲线图，从图中可以看出单神经元自适应PID控制算法在响应时间和超调大小方面都要优于其它两种控制算法。

本发明最大的优点是，所配置的硬件系统比较现代化、运行稳定、操作简单，并且可以进行精确控制。在软件方面，结合了具有自适应和自调节能力的单神经元自适应PID控制算法，对织机经纱张力波动控制灵敏。总之，该电子送经卷取控制系统改善织机经纱张力方法通过实验证明该设计是行之有效的，基本达到设计的总体要求。

主轴发明主要技术参数为：织机主轴转速为320-500r/min，幅宽1.7-2.8m，环境温度为28℃，相对湿度为65％。

Claims (4)

1、一种控制织机送经卷取过程中经纱张力稳定的方法，由硬件和软件两部分组成，所述的硬件部分包括一台主控制器PLC，一台触摸屏，一个张力传感器，一个编码器，两台伺服驱动器，两台减速器，两台交流伺服电机；其特征在于，系统输入电源为交流三相380V，首先要经过电压处理部分，即接触器、滤波器、变压器、断路器，其输出电压为交流三相220V；该输出电压又分为两个部分，一部分给送经伺服系统和卷取伺服系统供电，驱动送经伺服电机和卷取伺服电机运转；另一部分经过AC-DC开关电源输出直流24V电压，给控制系统低压元器件供电；所述的软件部分是主控制器的控制算法，其特征在于，采用了单神经元自适应PID算法，该算法优于传统的PID算法和Fuzzy-PID算法。

2、根据权利要求1所述的一种控制织机送经卷取过程中经纱张力稳定的方法，其特征在于，所述的主控制器采用了具有稳定性高、抗扰能力强、易于编制程序算法的可编程控制器PLC；所述的人机界面采用了触摸屏，易于初始参数设定以及在线修改纬纱密度；所述的张力传感器安装于后梁和调节弹簧之间，用来检测织机的经纱张力值，并以模拟电压信号的形式传输给主控制器；所述的编码器安装于与织机主轴同步的导布辊上，用来实时检测织机的转速和织机角度；本发明还包括了掉电保护措施，主要用于存放掉电时系统的一些重要参数。

3、根据权利要求1所述的一种控制织机送经卷取过程中经纱张力稳定的方法，其特征在于，织机运行过程中实时检测经纱张力，将检测的模拟信号经A/D模块转成数字信号输入给主控制器PLC，由PLC内部处理器计算后，在通过D/A模块转换成模拟信号来调整交流伺服电机的转速，从而保证织机运行过程当中经纱张力的相对恒定。

4、根据权利要求1所述的一种控制织机送经卷取过程中经纱张力稳定的方法，其特征在于，所述主控制器PLC、触摸屏、交流伺服驱动器等均组装在一个金属控制柜内，控制柜上部面板为触摸屏，控制柜上部面板还装有运行状态指示灯以及停车、启动、点动等手动操作按钮。

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