CN109898200A - 一种环锭细纱机智能控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环锭细纱机智能控制方法及系统，收集在线检测的环锭细纱机动态张力信号，建立知识库、数据库、推理机构；根据现场在线检测的张力数据以及钢领板升、降次数和具体位置，通过推理机构，根据已建立的知识库和数据库输出层中调节、层间调节的具体数据；依据输出的层中调节、层间调节具体数据，调节主轴变频器频率，从而调节锭速，实现层中调节、层间调节，进而实现恒张力控制，本发明稳定纱线张力，实现高效纺纱，提高了经济效益，减少了用工量。

Description

一种环锭细纱机智能控制方法及控制系统

技术领域

本发明属于纺织领域，特别是涉及到一种环锭细纱机智能控制方法及控制系统。

背景技术

智能制造是基于新一代信息技术，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精确控制自执行等功能的制造过程、系统和模式的总称；我国纺织行业的一些企业先后进行了智能制造的项目研究，但成功者少，仅仅在设备运行数据方面取得一些进展，并没有真正实现自动化控制，更谈不上实现智能化控制。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种环锭细纱机智能控制方法及控制系统，实现环锭细纱机的自动化、智能化控制。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种环锭细纱机智能控制方法，包括：

S1、收集在线检测的环锭细纱机动态张力信号，并将从中分离出的稳态张力信号数据、以及对应的钢领板升降次数、方向和位置数据作为训练数据，建立知识库、数据库、推理机构；

所述知识库设有作为多变量系统的环锭细纱机的变量之间的函数关系，所述数据库存储具体的数值；所述推理机构为对应知识库与数据库的张力参考模型；

S2、根据现场在线检测的张力数据以及钢领板升、降次数和具体位置，通过推理机构，根据已建立的知识库和数据库输出层中调节、层间调节的具体数据；

所述层中调节是在同一层中微调锭子转速；所述层间调节是调节各层之间纱线张力的一致性；

S3、依据输出的层中调节、层间调节具体数据，调节主轴变频器频率，从而调节锭速，实现层中调节、层间调节，进而实现恒张力控制；

S4、步骤S2和S3的数据，继续作为训练数据，更新知识库、数据库、推理机构。

进一步的，步骤S1和S2中所述在线检测的方法是在环锭细纱机的叶子板内嵌力敏传感器，在纺纱过程中，气圈对导纱钩、叶子板施力，力敏传感器将张力信号转变为电信号。

进一步的，，步骤S1中，通过张力自适应滤波表达式和张力变异表达式将纱线的稳态张力信号数据从动态张力信号中分离出来；

所述张力自适应滤波表达式为：

f(x)＝f(k_nmx_nm)；

所述张力变异表达式为：

其中，k_nm——钢领板第n次上升、位置为m时的自适应滤波系数；x_nm——钢领板第n次上升、位置为m时的纱线张力检测值；x_n——钢领板第n次上升动程中纱线张力平均值；n——钢领板上升次数。

进一步的，，步骤S1中知识库、数据库、推理机构的建立采用智能自适应加权平均处理算法，对由于摇架压力、前罗拉上胶辊的磨损程度等导致检测张力不同的各不同锭位，确定不同的加权系数。

进一步的，，步骤S3中实现恒张力控制的具体方法包括：

S11、自适应协调启动：在启动过程中自动选择主轴变频器、前罗拉变频器和后罗拉变频器的斜坡上升时间、增益值、同步系数、协调系数，建立启动时间与同步系数的关系曲线，建立启动时间与协调系数的关系曲线，16秒后直接进入50HJz的高速纺纱；

S12、层中调节：在钢领板上升或下降过程中，根据钢领板位置数据，调节锭子转速，保持纱线张力为设定值；

S13、层间调节：调节各层之间纱线张力的一致性，使每一层纱线张力的平均值在偏差要求数值范围内；

S14、使用2-PID控制算法，融入张力闭环控制。

更进一步的，，步骤S11中所述同步系数为主轴转速与前罗拉转速比值，所述协调系数为后罗拉转速与前罗拉转速比值，所述关系曲线为0～16秒的非线性曲线。

本发明的另一方面，还提供了一种环锭细纱机智能控制系统，包括：PLC,设置于环锭细纱机叶子板并与PLC连接的力敏传感器；所述PLC除了连接所述力敏传感器实现在纱线路径中无任何添加元件的在线张力检测，还连接人机界面和上位计算机，完成主轴和罗拉同步控制、层中调节、层间调节、恒张力纺纱、电子凸钉成形、电子凸轮成形、根据钢领板位置和升降次数进行螺距控制、生头过程智能控制、启动过程16秒进入高速卷绕成形控制、中途停车无缝对接、通过知识库和数据库以及推理机构实现整机同步协调的智能控制功能。

进一步的，所述知识库、数据库、推理机构，是通过收集在线检测的环锭细纱机动态张力信号，并将从中分离出的稳态张力信号数据、以及对应的钢领板升降次数、方向和位置数据作为训练数据，从而建立；并根据实时数据进一步更新，以及根据新型纤维的出现不断更新。

更进一步的，知识库、数据库、推理机构的建立采用智能自适应加权平均处理算法，对由于摇架压力、前罗拉上胶辊的磨损程度等导致检测张力不同的各不同锭位，确定不同的加权系数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

通过本发明所述的智能控制方法及系统，能够可将同一层中最大张力与最小张力之差由1.78g降低到0.25g；将初期张力与中期张力波动由27.36％降低到2.74％；对于一落纱过程。可将纱线张力波动控制在设定值的8％范围内；稳定纱线张力，实现高效纺纱，提高了经济效益，减少了用工量。

附图说明

图1是本发明的智能控制功能示意图；

图2是本发明实施例中恒张力控制系统结构图；

图3是本发明实施例中2-PID控制指令结构图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示为本发明的智能控制功能示意图。

本发明开发的在线纱线张力检测装置不与纱线接触，在纱线路径中不添加任何元件，不更换原有的叶子板和导纱钩，仅仅在叶子板内嵌力敏传感器，该检测装置从动态张力信号中提取稳态分量，采用传感器数据融合算法。该技术和装置是国内外环锭细纱机行业中的首次应用。

通过上述张力检测装置，本发明在开发过程中验证了现有技术的缺陷：

1.钢领板在升降动程的上部位置，最大值与最小值之差为2.54g，最大值为平均值的1.2341倍，即相对于平均值波动为23.41％，最大值是最小值的1.47倍。

2.钢领板在升降动程的下部位置，最大值与最小值之差为4.70g，最大值为平均值的1.5188倍，即相对于平均值波动为51.88％，最大值是最小值的2.24倍。

由于气圈这一缓冲环节的存在，在纱线张力小于强力的工况下，纱线没有断头，但这样的纱线会影响下游工序如络筒、整经、浆纱、织造以及染整等工序的加工质量。

本发明在开发过程中，为了实现恒张力控制，确定了层中调节和层间调节的概念。

在环锭细纱机上，锭子和置于锭子上的筒管只有回转运动，没有纵向运动。环状钢领固定在纲领板上，钢丝圈骑在钢领(跑道)上，因此，细纱的卷绕是由钢领板的纵向运动即上升和下降产生的。

根据环锭细纱机的工艺，钢领板的升降为短动程，在46mm～56mm范围内。

目前，环锭细纱机已采用电子凸轮技术，上升动程稍大于下降动程，从而产生管纱。

钢领板上升一次所卷绕的一层纱称为卷绕层，下降一次所卷绕的一层纱称为束缚层。上升动程稍大于下降动程，两者之差称为级升m。

每层纱的位置都有所不同，对应的气圈形态也不同，即纱线张力不同，这就提出了纱线张力检测和张力调节(控制)要求。

一、层中调节(控制)

在钢领板升降100次时，即卷绕层为100，束缚层为100，观察管纱成形，管纱的上部和下部均为锥形，中间部分的锥度与筒管本身锥度相同。

在管纱上部的锥形部分，在钢领板上升动程中，纱线张力随着卷绕直径的减小而增大；在钢领板下降动程中，纱线张力随着卷绕直径的增大而减小。

为了稳定纱线张力，需要进行层中调节(控制)，在钢领板上升过程中，根据钢领板位置数据w，降低锭子转速n；在钢领板下降过程中，根据钢领板位置数据w，增加锭子转速n，以便保持纱线张力F为设定值。

这里的“层中调节”就是通常的“逐层调节”。锭速微调幅度通常在锭速的±1％n范围内。

层中调节的有关问题：

(1)管底部分

采用电子凸轮技术，在卷绕到最大直径之前(即管底成形阶段)，管纱上部和下部的锥形高度逐渐增高，当达到最大直径时，管纱形状的管底部分为双锥体，倒锥体高50mm。

管底的卷绕层为300，束缚层为300，对于这600层纱线，各层的调节算法都有所不同。

(2)管身部分

采用电子凸轮技术，在卷绕到最大直径之后(即管底成形阶段结束)，即进入管身成形阶段，

当钢领板升降440次(即卷绕层440层，束缚层440层)时，管身部分高18mm。

管身部分的直径为管底成形结束的管纱最大直径，故管身为圆柱形。管身部分的高度可根据纤维组分、待纺支数、粗纱支数、主轴转速、前罗拉转速、后罗拉转速、升降动程等参数预估出来，并通过实验来修正。

由于管身部分为圆柱体，每层纱的形态相同(通常称为平行四边形)，为简化计算工作量，层中调节通常采用相同的算法。

(3)管顶部分

采用电子凸轮技术，完成了管底成形和管身成形后，管顶部分是自然生成的。

管顶部分的层中调节算法与与管身部分相同。

二、层间调节(控制)

层中调节是指在某一层中微调锭子转速，而层间调节是指各层之间纱线张力的一致性，例如要求从第1层到1510层，每一层纱线张力的平均值均在偏差要求数值范围内。

层间调节的有关问题：

(1)管底部分

在层中调节的基础上，根据钢领板升降次数，改变层中调节的平均值，以减小纱线张力的波动。

(2)管身部分

在层中调节的基础上，根据钢领板升降次数，改变层中调节的平均值。通过实验，根据张力传感器的数据，修正层间调节参数，保证一落纱过程中纱线张力环锭。

(3)管顶部分

在层中调节的基础上，根据钢领板升降次数，改变层中调节的平均值。调节算法与管身部分相近。

为了实现层中调节和层间调节的智能控制，需要智能自适应加权平均处理，智能自适应加权平均处理算法可用于多传感器数据融合，以环锭细纱机纱线张力为例，在1#锭位、222#锭位和444#锭位分别安装3套纱线张力检测装置，这3个锭位的摇架压力、前罗拉上胶辊的磨损程度等都有所差异，从而导致检测张力有所不同，需要通过实验来确定不同的加权系数，建立知识库、数据库及推理机构，实现智能自适应加权平均处理。

知识库：

以主轴、前罗拉、后罗拉和钢领板升降四台电机传动的同步和协调控制为例，需要建立主轴转速与前罗拉转速之间的非线性关系曲线APR-1，前罗拉转速与后罗拉转速之间的非线性关系曲线APR-2，主轴转速与钢领板位置之间的非线性曲线APR-3，主轴转速与待纺细纱支数的非线性关系曲线APR4，这四条非线性曲线就构成了四电机同步与协调控制的知识库。

随着新型纤维的不断出现，知识库的内容也要不断更新

数据库:

知识库给出了多变量系统中变量之间的函数关系，具体的数值在数据库之中。在数值控制器或PLC中就是一块连续的内存。

推理机构:

以待纺纯棉Ne80(80英支)细纱为例，根据工艺计算、有关标准和生产实践数据，给出以下数据：

(1)锭速：13140rpm

(2)前罗拉转速：108.595rpm

(3)中罗拉转速：1.9375rpm

(4)后罗拉转速：l.5995rpm

(5)同步系数K_tb：47

(6)协调系数K_xt：32

就纤维组分而言，有100％梳棉针织物用纱、100％梳棉机织物用纱、100％精梳棉针织物用纱、100％精梳棉机织物用纱、普梳涤/棉50/50混纺纱、普梳涤/棉65/35混纺纱、普梳涤/棉67/33混纺纱、精梳涤/棉65/35混纺纱、精梳涤/棉67/33混纺纱、100％涤纶纱、100％粘胶纱、涤纶/粘胶65/35混纺纱、涤纶/粘胶67/33混纺纱以及100％晴纶纱等等。

就常用的支数而言，有Ne32(32英支)、Ne40、Ne50、Ne60、Ne80、Ne100、Ne120等等。

根据以上情况，推理机构应”一键推定”，即在触摸屏上仅点击一个按钮，即可通过内部推理确定成组数据(亦称配方数据，套餐数据)。

本发明的具体方案中，在纺纱过程中，气圈对导纱钩、叶子板施力，并通过力敏传感器将张力信号转变为0～10VDC或4～20mA电信号，传给PLC，由动态张力信号中分离出稳态张力信号

纱线张力分为滑动张力区、粘滞张力区、卷绕张力区、下部气圈张力区、上部气圈张力区和纺纱张力区，纱线张力由卷绕张力区向上依次传递纺纱张力区。

纱线张力由钢钢丝圈与钢领的摩擦力、钢丝圈离心力、下部气圈阻力、纱线与气圈环摩擦力、上部气圈阻力以及上部气圈对导纱钩施力所产生的摩擦力等组成。

由工艺流程和影响纱线张力的众多因素可知，环锭细纱机纱线张力的在线检测是纺织机械中难度最大的课题。就张力区而言，有六个张力区；就纱线数学模型而言，有六个特征各异的分布参数、随机过程数学模型，存在耦合关系，纱线张力由卷绕张力区逐次向上传递到纺纱张力区。因此，至今也未见有关环锭细纱机各个张力区分布参数、随机过程数学模型的报导，未见实用在线张力检测的报导。

考虑到纱线数学模型的分布参数和随机性，本发明建立了张力自适应滤波、张力变异表达式：

f(x)＝f(k_nmx_nm) (10-1)

式中：k_nm——钢领板第n次上升、位置为m时的自适应滤波系数，x_nm——钢领板第n次上升、位置为m时的纱线张力检测值；——钢领板第n次上升动程中纱线张力平均值；

n——钢领板上述次数。

式(10-2)是钢领板第n次上升标准差(均方差)与平均值之比的百分值，亦称纱线张力变异系数。

式(10-1)和(10-2)将纱线张力稳态张力从动态信号中分离出来。

本发明的技术方案中，实现恒张力纺纱控制的数学模型与控制算法如下：

恒张力纺纱模式1是在主轴、前罗拉同步控制的基础上融入张力闭环控制，这种控制模式的主要特征如下：

1)自适应协调启动16秒后直接进入50Hz高速纺纱

自适应协调启动是在启动过程中自动选择主轴变频器、前罗拉变频器和后罗拉变频器的3个斜坡上升时间、3个增益值、同步系数Ktb、协调系数Kxt，建立启动时间与同步系数的关系曲线，建立启动时间与协调系数的关系曲线，实现在减少断头率的前提下，16秒后直接进入50HJz的高速纺纱。

2)层中调节(控制)

在钢领板上升过程中，根据钢领板位置数据w，降低锭子转速n；在钢领板下降过程中，根据钢领板位置数据w，增加锭子转速n，以便保持纱线张力F为设定值。

这里的“层中调节”就是通常的“逐层调节”。锭速微调幅度通常在锭速的±1％n范围内。

3)层间调节(控制)

层间调节是指各层之间纱线张力的一致性，例如，要求从第1层到1510层，每一层纱线张力的平均值均在偏差要求数值范围内，从而得到近似水平线的一落纱张力曲线。

4)恒张力纺纱模式1控制系统数学模型

恒张力纺纱模式1控制系统结构图(数学模型)如图2所示。

5)控制算法

(1)2-PID(2自由度PID)

2-PID控制指令功能结构图如图3所示。

图中，SV是系统设定量(参考输入变量，给定量)。PV是系统过程变量(系统输出变量，当前量)。N是干扰变量(干扰输入变量，扰动变量)。MV是操作变量(控制变量)。Kp是比例系数。Ti是积分时间。Td是微分时间。τ是采样周期。α是2-PID参数。λ是不完全微分系数。

(2)可变比例系数K_p、可变积分时间T_i的自适应控制

2-PID指令的K_p、T_i一经整定就不再改变，根据多次使用2-PID指令的体会，在运行过程中如果能够自动改变K_p、T_i的值，可以提高响应速度并减小超调。图2虚线框内的带有箭头的K_p、T_i项即表示2-PID指令中的比例系数K_p和积分时间T_i是自动改变的。

本发明中，使用了非线性曲线拟合技术：

以四电机环锭细纱机为例，要求锭速与前罗拉速度在满足规定捻度、规定张力的前提下张力保持一定的比值关系，但由于主轴传动链的转动惯量和前罗拉传动链的转动惯量不同，在动态过程中，例如启动过程、停车过程、层中调节过程及层间调节过程中，

为了保持纱线张力恒定，两者的比值系数必须是可变的，是一条非线性曲线。

设主轴转速为X，前罗拉转速为Y，要求启动16秒后达到额定转速。通过工艺计算和实验，确定16组参数，每系1秒记录一组数据，在X-Y坐标系上绘出由16段小折线构成的一条非线性曲线，按照这一条非线性曲线

启动，细纱机的启动断头率最小，得到一条最佳启动曲线，这就是非线性曲线拟合。

本发明中，为了降低启动过程中的断头率，需要寻找主轴转速与前罗拉转速比值系数及同步系数Ktb的最佳值，后罗拉转速与前罗拉转速比值系数即协调系数Kxt的最佳值，建立0～16秒区间同步系数Ktb的的非线性曲线，建立0～16秒区间协调系数Kxt的的非线性曲线。

本发明包括了设备级控制器与区域级工作站

设备级控制器指环锭细纱机上的可编程控制器PLC，包括CPU模块、模拟量输入A/D模块、模拟量输出模块D/A、高速脉冲输出模块、高速计数模块、晶体管输入模块、晶体管输出模块、继电器输出模块、RS232通讯模块和以太网通讯模块等。

区域级工作站通常采用工控机，通过以太网与PLC交换信息。用于监视环锭细纱机的各项工艺参数，下传各种指令。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种环锭细纱机智能控制方法，其特征在于，包括：

S1、收集在线检测的环锭细纱机动态张力信号，并将从中分离出的稳态张力信号数据、以及对应的钢领板升降次数、方向和位置数据作为训练数据，建立知识库、数据库、推理机构；

所述知识库设有作为多变量系统的环锭细纱机的变量之间的函数关系，所述数据库存储具体的数值；所述推理机构为对应知识库与数据库的张力参考模型；

S2、根据现场在线检测的张力数据以及钢领板升、降次数和具体位置，通过推理机构，根据已建立的知识库和数据库输出层中调节、层间调节的具体数据；

所述层中调节是在同一层中微调锭子转速；所述层间调节是调节各层之间纱线张力的一致性；

S3、依据输出的层中调节、层间调节具体数据，调节主轴变频器频率，从而调节锭速，实现层中调节、层间调节，进而实现恒张力控制；

S4、步骤S2和S3的数据，继续作为训练数据，更新知识库、数据库、推理机构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1和S2中所述在线检测的方法是在环锭细纱机的叶子板内嵌力敏传感器，在纺纱过程中，气圈对导纱钩、叶子板施力，力敏传感器将张力信号转变为电信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，通过张力自适应滤波表达式和张力变异表达式将纱线的稳态张力信号数据从动态张力信号中分离出来；

所述张力自适应滤波表达式为：

f(x)＝f(k_nmx_nm)；

所述张力变异表达式为：

其中，k_nm——钢领板第n次上升、位置为m时的自适应滤波系数；x_nm——钢领板第n次上升、位置为m时的纱线张力检测值；x_n——钢领板第n次上升动程中纱线张力平均值；n——钢领板上升次数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中知识库、数据库、推理机构的建立采用智能自适应加权平均处理算法，对由于摇架压力、前罗拉上胶辊的磨损程度等导致检测张力不同的各不同锭位，确定不同的加权系数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中实现恒张力控制的具体方法包括：

S11、自适应协调启动：在启动过程中自动选择主轴变频器、前罗拉变频器和后罗拉变频器的斜坡上升时间、增益值、同步系数、协调系数，建立启动时间与同步系数的关系曲线，建立启动时间与协调系数的关系曲线，16秒后直接进入50HJz的高速纺纱；

S12、层中调节：在钢领板上升或下降过程中，根据钢领板位置数据，调节锭子转速，保持纱线张力为设定值；

S13、层间调节：调节各层之间纱线张力的一致性，使每一层纱线张力的平均值在偏差要求数值范围内；

S14、使用2-PID控制算法，融入张力闭环控制。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S11中所述同步系数为主轴转速与前罗拉转速比值，所述协调系数为后罗拉转速与前罗拉转速比值，所述关系曲线为0～16秒的非线性曲线。

7.一种环锭细纱机智能控制系统，其特征在于，包括：PLC,设置于环锭细纱机叶子板并与PLC连接的力敏传感器；所述PLC除了连接所述力敏传感器实现在纱线路径中无任何添加元件的在线张力检测，还连接人机界面和上位计算机，完成主轴和罗拉同步控制、层中调节、层间调节、恒张力纺纱、电子凸钉成形、电子凸轮成形、根据钢领板位置和升降次数进行螺距控制、生头过程智能控制、启动过程16秒进入高速卷绕成形控制、中途停车无缝对接、通过知识库和数据库以及推理机构实现整机同步协调的智能控制功能。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述知识库、数据库、推理机构，是通过收集在线检测的环锭细纱机动态张力信号，并将从中分离出的稳态张力信号数据、以及对应的钢领板升降次数、方向和位置数据作为训练数据，从而建立；并根据实时数据进一步更新，以及根据新型纤维的出现不断更新。

9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，知识库、数据库、推理机构的建立采用智能自适应加权平均处理算法，对由于摇架压力、前罗拉上胶辊的磨损程度等导致检测张力不同的各不同锭位，确定不同的加权系数。