CN110209069B - 一种磁悬浮片梭精密引纬控制方法及系统、信息处理终端 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁悬浮自动控制技术领域，公开了一种磁悬浮片梭精密引纬控制方法及系统、信息处理终端，沿导轨布置的励磁绕组中通以控制电流，形成沿引纬平面分布的磁场；磁悬浮梭体装备控制模块，底部布置永磁薄片阵列，在磁场作用下进行悬浮，行波磁场随交变电流变化，通过输入交流电的频率、幅值及方向驱动片梭的正向引纬/反向制梭，实现非接触式引纬；通过顺序转换储能模块控制片梭的连续加速度；再经多级电磁驱动系统减速后被制动器夹持，双侧剪断器剪断纱线后完成正向引纬。本发明通过校正网络，校正磁悬浮片梭的动态模型，能有效改进片梭运行稳定性，提高响应时间至0.001秒以内，超调量小于10％，稳态误差精度至0.1％。

Description

一种磁悬浮片梭精密引纬控制方法及系统、信息处理终端

技术领域

本发明属于磁悬浮自动控制技术领域，尤其涉及一种磁悬浮片梭精密引纬控制方法及系统、信息处理终端。

背景技术

目前，最接近的现有技术：自动控制是利用控制装置使被控对象的工作状态按预定规律运行。自动控制系统中，将参考信号输入控制装置，控制装置根据输入的参考信号对被控对象进行控制，使被控对象产生输出信号，该输出信号经反馈环节反馈到控制装置输入端，并与参考信号进行比较，控制装置再根据比较结果调整其对被控对象的控制，如此循环下去，最终使被控对象产生与参考信号匹配或相符的输出信号。图1是方框图，示出了自动控制系统模型的频域结构。如图4所示，从频域来看，被控对象为G(s)，而反馈环节为H(s)，参考信号为R(s)，输出信号为C(s)。

若受控系统的性能(稳定性、准确性和快速性)不满足要求，则可通过在系统中增加校正环节的方法，以改善受控机械系统的控制性能。相位滞后超前校正是常用的校正方法之一。

在机械工程控制领域，设计相位滞后-超前校正环节最为常用的方法为应用bode图进行设计的频域设计方法。该方法一般以相位裕度为性能指标,借助伯德图通过解析计算确定校正环节参数。该方法满足给定的相位裕度要求,是可行解，但不是最优解。

对系统控制性能评价的性能指标不仅仅是相位裕度,还有幅值裕度、剪切频率、谐振峰值、截止频率等频域性能指标,及延迟时间、调整时间、最大超调量等时域性能指标；在初步设计的基础上需要验算其它性能指标是否也满足要求，如不满足,需要多次反复设计和验算,直到满足所有性能指标要求为至,繁琐而费时。

由于对系统的控制性能有多方面的要求，多个控制性能指标间是相互矛盾的；校正环节参数对系统控制性能的影响也是相互矛盾的。因此，校正环节的参数设计是一个非常重要又非常困难的问题。校正环节的参数计算模型较为复杂，需要反复校验计算，同时设定大概的校正区间，在区间之内选定校正参数。校正参数并不唯一，有时候针对不同场景有不同的校正方案。

片梭引纬与其他引纬方式比较，片梭引纬稳定、宽幅、生产效率高。织造390cm幅宽织物时，片梭入纬率范围为800m/min～1100m/min，其中，PU型织机片梭飞行速度为30.5m/s，P7200型织机片梭飞行速度为33.5m/s。基于片梭引纬不小于30m/s的工艺参数，新型磁悬浮系统中必须保证引纬稳定性响应时间低于0.001s。同时，纬纱张力精确可控必须保证引纬稳定，超调量低于10％，实现新型悬浮引纬稳定、纬纱张力精确可控、高生产效率的要求。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有磁悬浮引纬控制中引纬不稳定、幅窄、生产效率低。引纬速度低于30m/s，引纬稳定性响应时间较长。造成纬纱张力不能精确可控，超调量高于10％，最终悬浮引纬生产效率低。

(2)工艺结构调整应以提高生产质量、提高生产效率、提高劳动生产率、加强产品在国际市场的适应能力和竞争力为目标，需要采取先进新型技术来改造传统机械加工技术。

解决上述技术问题的难度：

片梭织机在高速度、高效率方面需要取得突破，必须具有突破性的技术开发，着力研究利用新技术新工艺改造传统引纬机构，减少投梭引纬过程的机械结构动作，从而达到提高片梭飞行速度的目的。

解决上述技术问题的意义：

片梭织机具有宽幅、低速、高入纬率、品种适应性广、纬纱张力可控性等工艺特性,目前其他无梭织机还不能完全替代。提高性能、降低价格是提高片梭织机竞争力的关键所在，尽量借助新型磁悬浮等新技术替代传统机械结构，实现高速稳定的引纬效果。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种磁悬浮片梭精密引纬控制方法及系统、信息处理终端。

本发明是这样实现的，一种磁悬浮片梭精密引纬控制方法，包括：

沿导轨布置的励磁绕组中通以控制电流，形成沿引纬平面分布的磁场。磁悬浮梭体装备控制模块，底部布置永磁薄片阵列，在磁场作用下进行悬浮，行波磁场随交变电流变化，通过输入交流电的频率、幅值及方向驱动片梭的正向引纬/反向制梭，实现非接触式引纬。

当励磁线圈通电与永磁片梭产生磁场时，电机驱动悬浮片梭，片梭高速在轨道上进行飞行引纬，励磁线圈同步供电。

通过顺序转换储能模块控制片梭的连续加速度。悬浮片梭正向引纬时，纱线通过辅助装置的储纱器、纱线张力补偿器、递纬器送入引纬器，引纬器经多级电磁驱动系统加速后，高速无摩擦地飞过磁悬浮筘座，再经多级电磁驱动系统减速后被制动器夹持，双侧剪断器剪断纱线后完成正向引纬。

进一步，控制模块的控制方法包括：

首先仿真得出当永磁片梭单独作用时，计算在某个自由度上偏移距离为Δx时受到的永磁力，然后再仿真求出所设计的电磁磁路在悬浮片梭偏移的位置处，要产生与永磁力相平衡所需要的最小电流，建立磁悬浮片梭运动学模型。

进一步，受控磁悬浮片梭在工作引纬过程中，轨道竖直方向受电磁吸力F和自身的重力mg作用，竖直方向的动力学方程描述为：

取竖直方向向上为正方向。片梭与轨道线圈磁极的气隙为x，磁路磁阻主要集中在线圈磁极和片梭组成的气隙上。磁阻为：

式中：l-铁芯的导磁长度。μ₀-空气磁导率(4π×10^-7)。s-通电线圈与悬浮体的截面积。式

简化为：

理想情况下，每匝线圈中通过的磁通量相同，则线圈的磁通链数为：

由毕奥-萨伐尔定律，得：

Nφ＝LI。

电磁线圈瞬时电感为：

磁场线圈的储能W(i,x)为：

公式为电磁线圈上方的磁能，将线圈上方整个气隙的磁通截面积，换算到

永磁片梭的截面积，则永磁片梭受到的斥力为：

各参量符号单位与前述保持一致。令K＝-(μ₀sN²)/4，简化上式为：

由上式可知电磁力F(i,x)与受力永磁片梭间的气隙x是非线性的反比关系。

电磁线圈通电后，等效为一电阻R与电感线圈L串联，所产生的等效电路关系，根据基尔霍夫电压定律有：

片梭水平飞行引纬时，竖直方向加速度为零，此时片梭受到向上的电磁力与自身的重力相等，即：

mg＝-F(i,x)。

建立新型磁悬浮片梭的电磁力学系统：

电磁系统中的电磁力F和电磁铁中绕组中的瞬时电流i、气隙x间存在着较复杂的非线性关系，系统存在控制范围，在平衡点(i₀,x₀)对系统泰勒展开，进行线性化处理。

F(i,x)＝F(i₀,x₀)+F_i(i₀,x₀)(i-i₀)+F_x(i₀,x₀)(x-x₀)。

F(i₀,x₀)是当磁极与片梭间的气隙为x₀，平衡电流为i₀时电磁铁对片梭的电磁斥力，且与片梭的重力平衡，即：

mg＝F(i₀,x₀)且：

定义：

完整描述系统的方程式如下：

F(i,x)＝F(i₀,x₀)+F_i(i₀,x₀)(i-i₀)+F_x(i₀,x₀)(x-x₀)＝F(i₀,x₀)+K_i(i-i₀)+K_x(x-x₀)。

上述为悬浮片梭与线圈电流相关的传递函数，悬浮片梭位置被控制传感器定时检测，产生成比例激励电压的控制方案，电压作用于场效应晶体管的栅极(FET)放大器。对电、力学关联方程线性化后，设系统的状态变量为x₁＝x₂,x₂＝x’,x₃＝i，则系统的状态空间方程为：

其中：x(s)是x的拉普拉斯变换，i(s)是i的拉普拉斯变换，上述函数是磁悬浮片梭的传递函数，控制传感器实时检测磁悬浮片梭的位置，产生激励控制电流，电流作用于场效应的晶体管FET。系统输入定义为电流U_in，得出输出方程：

用数学仿真计算工具(MATLAB)计算出系统的传递函数为：

进一步，建立磁悬浮片梭运动学模型中，采用带串联校正的滞后超前校正参数整定方法进行磁悬浮片梭运动学模型参数的校正，具体包括：

(a)辨识被控对象的开环频率响应。

(b)依据系统超调量、响应时间、峰值实际要求，确定校正系统的期望相位裕度、幅值裕度和被控对象的开环频率响应，将滞后超前滞后校正器的参数变为以系统开环截止频率为自变量的一元函数。

(c)计算滞后超前控制参数。滞后超前校正的结构参数为：

基于初始系统bode图上进行校正系统频率参数的选取。

(d)根据稳态精度、相位裕度和调节时间设计指标；

(e)基于系统给定条件：

超调量<＝10％。

响应时间低于0.001秒，系统应根据超调量与相位裕度的关系进行计算：

同时：

M_r-谐振峰值，t_s-系统响应时间，γ-相位裕度，ω_cut-off-补偿系统的截止频率,校正系统的相位裕度应达到：γ≥65.4°，截止频率ω_cut-off为：3416.5rad/s。

进一步，所述步骤(d)包括：

(d1)初步计算未补偿系统的bode图，计算未补偿系统的相角裕度及剪切频率。

(d2)根据设计要求，确定期望的开环幅频特性。

(d3)由期望的开环幅频特性折线减去初始系统开环幅频特性折线,计算校正函数。

(d4)验证补偿后系统是否满足设计性能要求。

进一步，带串联校正的滞后超前校正参数整定方法进一步包括：

(1)初始系统幅频图。

初始系统截止频率ω_cut-off0＝32.3rad/s。

初始系统相角裕度γ₀＝0degree。

(2)确定校正方法：采用滞后、超前方法，取期望校正频率ωcut-off＝3416.5。

(3)确定校正函数G_c(s)：

基于给定条件：γ≥65.4°，计算校正系统的超前角：

衰减因子

计算相关参数：

10*lg(a)＝15.53。

作图：在预期的校正截止频率ω_cut-off＝3416.5处设计→A，B两点。

在B点拉出

倍频，定义C，D在幅频图中的坐标。

C点：

D点：

基于C点处的频率，定义E,F点在幅频图中的坐标，E，F滞后校正部分，选取时远离系统频率，取：

E点：ω_E＝0.001ω_C＝3.6rad/s。

F点：ω_oo＝ω_cut-off0·ω_cut-off0/ω_cut-off＝2.67rad/s,ω_F＝ω_D·ω_E/ω_oo＝564.8rad/s。

确定校正传递函数为：

最后添加开环倍数，开环倍数为K＝4.5。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述磁悬浮片梭精密引纬控制方法的磁悬浮片梭精密引纬控制系统，所述磁悬浮片梭精密引纬控制系统包括：

轨道平台，包括多个水平的励磁线圈绕组。

悬浮片梭，下表面附着永磁体，片梭由外部电机弹射进入编织轨道。

电磁装置，产生电磁力控制片梭引纬间隙，定位水平运动。

控制模块，设置在引纬器装置内部，采用霍尔传感器实时检测片梭运行轨迹，由滞后超前校正控制模块调整引纬精度。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述磁悬浮片梭精密引纬控制方法的新型磁悬浮片梭精密引纬结构，所述新型磁悬浮片梭精密引纬结构包括纬纱、经纱、织物、三相交流励磁线圈、引纬梭道、磁悬浮梭体。

经纱编织在织物上，磁悬浮梭体内搁置的纬纱横向交织在经纱上；磁悬浮梭体运行与引纬梭道上；三相交流励磁线圈间隔套装在引纬梭道开设的槽内。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述磁悬浮片梭精密引纬控制方法的信息处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的磁悬浮片梭精密引纬控制方法。

本发明的另一目的在于提供一种新型磁悬浮片梭的精密控制计算方法，设计一种新的滞后超前校正方法，在极短的时间内，片梭恢复到初始设定轨迹，系统超调量不超过10％。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明提供的基于磁悬浮片梭的“非接触式零损耗”引纬方法，解析新型磁悬浮引纬片梭模型，阐释磁悬浮片梭引纬基本工作原理，基于系统磁力学分析，确定片梭模型的动态方程。试验表明，通过校正网络，校正磁悬浮片梭的动态模型，能有效改进片梭运行稳定性，提高响应时间至0.001秒以内，超调量小于10％，稳态误差精度至0.1％。

本发明设计滞后-超前校正环节的性能曲线图法，选取相位滞后-超前校正环节的控制参数；以控制性能指标为目标函数，以相位滞后-超前校正环节的控制参数为设计变量，在参数设计空间内绘制bode图进行参数性能的校正。各个控制性能指标的等值线，得到系统的控制性能图；协调性能曲线图，设计控制性能综合最优的校正环节参数，完成校正环节的设计。本发明具有直观、系统和全面的特点。

本发明方法将整定的参数直接通过系统bode图进行推导演算，在整定过程中将它们转换为系统开环截止频率的一元函数，不增加计算过程的复杂程度；严格基于系统实际需求，基于系统的超调量及动态响应时间要求，严格对频域中的幅值裕度、相角裕度及剪切频率进行计算验证，保证系统的稳定性；试验证明校正系统的性能优于初始系统，片梭引纬轨迹迅速收敛到指定轨迹，保证算法的鲁棒性。

本发明的片梭引纬与其他引纬方式比较，片梭引纬稳定、宽幅、生产效率高。织造390cm幅宽织物时，片梭入纬率范围为800m/min～1100m/min，其中，PU型织机片梭飞行速度为30.5m/s，P7200型织机片梭飞行速度为33.5m/s。基于片梭引纬不小于30m/s，新型磁悬浮系统中引纬稳定性响应时间低于0.001s。同时，纬纱张力精确可控保证了引纬稳定，超调量低于10％，实现了新型悬浮引纬稳定、纬纱张力精确可控、具有高生产效率的特点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的磁悬浮片梭引纬系统图；

图中：1、纬纱；2、经纱；3、织物；4、三相交流励磁线圈；5、引纬梭道；6.、磁悬浮梭体。

图2是本发明实施例提供的磁悬浮片梭引纬系统bode图。

图3是本发明实施例提供的时域中的磁悬浮片梭引纬动态特性图。

图4是本发明实施例提供的反馈校正系统图。

图5是本发明实施例提供的基于Bode图的校正方法图。

图6是本发明实施例提供的系统校正补偿后的传递函数图。

图7是本发明实施例提供的滞后超前校正的系统频域bode图。

图8是本发明实施例提供的滞后超前校正系统的时域动态响应图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有磁悬浮引纬控制中引纬不稳定、幅窄、生产效率低。引纬速度低于30m/s，引纬稳定性响应时间大于0.002s。造成纬纱张力不能精确可控，超调量高于10％，最终悬浮引纬生产效率低。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种磁悬浮片梭精密引纬控制方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明实施例提供的磁悬浮片梭精密引纬控制方法，包括：

沿导轨布置的励磁绕组中通以控制电流，形成沿引纬平面分布的磁场。磁悬浮梭体装备控制模块，底部布置永磁薄片阵列，在磁场作用下悬浮起来，行波磁场随交变电流变化，通过输入交流电的频率、幅值及方向驱动片梭的正向引纬/反向制梭，实现非接触式引纬。

当励磁线圈通电与永磁片梭产生磁场时，电机驱动悬浮片梭，片梭弹射出来后高速在轨道上进行飞行引纬，励磁线圈同步供电。片梭的连续加速度是通过顺序转换储能模块实现。悬浮片梭正向引纬时，纱线通过辅助装置的储纱器、纱线张力补偿器、递纬器送入引纬器，引纬器经多级电磁驱动系统加速后，高速无摩擦地飞过磁悬浮筘座，再经多级电磁驱动系统减速后被制动器夹持，双侧剪断器剪断纱线后完成正向引纬。反向引纬原理与正向引纬相同。

本发明实施例提供的磁悬浮片梭引纬控制系统由磁悬浮片梭主体、磁悬浮片梭引纬轨道、三相交流励磁线圈、永磁薄片阵列组成。轨道平台由水平的空心电磁线圈绕组组成，悬浮片梭的下表面附着永磁体，片梭由外部电机弹射进入编织轨道，电磁装置产生电磁力控制片梭引纬间隙，定位水平运动。内部设置控制模块，实时检测片梭运行轨迹，调整引纬精度。

如图1所示，本发明实施例提供的磁悬浮片梭引纬结构，包括纬纱1、经纱2、织物3、三相交流励磁线圈4、引纬梭道5、磁悬浮梭体6。

经纱2编织在织物3上，磁悬浮梭体6内搁置的纬纱1横向交织在经纱2上；磁悬浮梭体6运行与引纬梭道5上；三相交流励磁线圈4间隔套装在引纬梭道5开设的槽内。

下面结合磁悬浮片梭的动态引纬数学模型实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

本发明提供的磁悬浮片梭的动态引纬数学模型中，磁悬浮系统是利用磁场作为媒介来实现能量的传递转换。绝大多数情况下，磁场都是由电能产生的。随着磁场中磁悬浮片梭与引纬轨道间隙的变化，电磁铁所产生的磁场强度也随之而变化，由此建立的的悬浮系统是一个不稳定的平衡点。通过恰当的反馈使励磁电流变化，致使磁场强度发生相应的变化，将不稳定平衡点转化为稳定的平衡点，确保悬浮片梭真正的无摩擦高速引纬。

电磁悬浮系统是利用磁场作为媒介来实现能量的传递转换。绝大多数情况下，磁场都是由电能产生的。随着磁场当中电磁线圈与永磁材料之间距离的变化，电磁铁所产生的磁场强度也随之而变化，由此建立的悬浮系统是一个不稳定的平衡点。通过恰当的反馈使励磁电流变化，致使磁场强度发生相应的变化，将不稳定平衡点转化为稳定的平衡点，确保悬浮片梭真正的无摩擦高速引纬。

随着控制理论的发展以及对磁悬浮系统性能要求的不断提高，磁悬浮系统控制器需要实现的控制算法的复杂程度日渐加大。系统包含多个磁路，涉及到大量的立体几何运算。根据基本的电磁力计算公式来求得电磁力和间隙、电流之间的关系，首先仿真得出当永磁片梭单独作用时，计算在某个自由度上偏移距离为Δx时受到的永磁力，然后再仿真求出所设计的电磁磁路在悬浮片梭偏移的位置处，要产生与永磁力相平衡所需要的最小电流，建立运动学模型，推导出系统的数学模型。

受控磁悬浮片梭在工作引纬过程中，轨道竖直方向受电磁吸力F和自身的重力mg作用，竖直方向的动力学方程可描述为：

取竖直方向向上为正方向。片梭与轨道线圈磁极的气隙为x，磁路磁阻主要集中在线圈磁极和片梭组成的气隙上。其磁阻为：

式中：l-铁芯的导磁长度；μ₀-空气磁导率(4π×10^-7)；s-通电线圈与悬浮体的截面积。由于该系统直接用电磁线圈驱动轨道，没有内置铁芯，上式中右边第一项可忽略，所以式(2)可简化为：

由磁路的基尔霍夫定律有：

理想情况下，设每匝线圈中通过的磁通量都是相同的，则线圈的磁通链数为：

由毕奥-萨伐尔定律，空间任意一点所产生的磁感应强度都与回路中的电流强度成正比，因此通过回路所包围的面积则磁通量ψ与I成正比，即：

Nφ＝LI (6)。

电磁线圈瞬时电感为：

磁场线圈的储能W(i,x)为：

上式为电磁线圈上方的磁能，将线圈上方整个气隙的磁通截面积，换算到永磁片梭的截面积，则永磁片梭受到的斥力为：

各参量符号单位与前述保持一致。令K＝-(μ₀sN²)/4，简化上式为：

由上式可知电磁力F(i,x)与受力永磁片梭间的气隙x是非线性的反比关系，这也是磁悬浮系统不稳定的根源所在。

电磁线圈通电后，等效为一电阻R与电感线圈L串联，所产生的等效电路关系，根据基尔霍夫电压定律有：

片梭水平飞行引纬时，竖直方向加速度为零，此时片梭受到向上的电磁力与自身的重力相等，即：

mg＝-F(i,x) (12)。

综合上述，建立新型磁悬浮片梭的电磁力学系统：

由于电磁系统中的电磁力F和电磁铁中绕组中的瞬时电流i、气隙x间存在着较复杂的非线性关系，系统存在一定的控制范围，在平衡点(i₀,x₀)对系统泰勒展开，进行线性化处理。

F(i,x)＝F(i₀,x₀)+F_i(i₀,x₀)(i-i₀)+F_x(i₀,x₀)(x-x₀) (14)。

这里F(i₀,x₀)是当磁极与片梭间的气隙为x₀，平衡电流为i₀时电磁铁对片梭的电磁斥力，且与片梭的重力平衡，即：

mg＝F(i₀,x₀)且：

定义：

故完整描述系统的方程式如下：

F(i,x)＝F(i₀,x₀)+F_i(i₀,x₀)(i-i₀)+F_x(i₀,x₀)(x-x₀)＝F(i₀,x₀)+K_i(i-i₀)+K_x(x-x₀) (15)。

上述为悬浮片梭与线圈电流相关的传递函数，悬浮片梭位置被控制传感器定时检测，产生成比例激励电压的控制方案，电压作用于场效应晶体管的栅极(FET)放大器。对电、力学关联方程线性化后，设系统的状态变量为x₁＝x₂,x₂＝x’,x₃＝i，则系统的状态空间方程为：

其中：x(s)是x的拉普拉斯变换，i(s)是i的拉普拉斯变换，上述函数是磁悬浮片梭的传递函数，控制传感器实时检测磁悬浮片梭的位置，产生激励控制电流，电流作用于场效应的晶体管(FET)。系统输入定义为电流U_in，联立方程(12)和(16)，得出输出方程：

给定实际磁悬浮片梭系统的参数：

表1.实际系统物理参数

参数	值	参数	值
				悬浮片梭质量	0.8kg	平衡点气隙x<sub>0</sub>	10mm
电磁线圈直径	6.0cm2	剩磁B<sub>r</sub>：	1.02T
				实测电磁线圈电阻(R)	4.9Ω
电磁线圈匝数(N)	1000
				平衡点处电流i<sub>0</sub>	1.69A
电磁线圈电感(L)	118mH

用MATLAB计算出系统的传递函数为：

在实际情况下，还将通过具体的技术条件和调整系统来优化电磁线圈的设计。磁悬浮片梭引纬系统的bode图如图2所示，可以看出，相位裕度为0度，其中截止频率接近32.3rad/s。系统临界稳定，如图3时域中的磁悬浮片梭引纬动态特性所示。

从图3可以看出，时域中磁悬浮系统是不收敛的，如果存在信号干扰，系统将不能收敛到原来的轨迹，因此磁悬浮梭系统是不稳定的。为了实现稳定的纬纱插入，必须对系统参数进行补偿和控制，以便通过系统反馈和校正来抵消磁悬浮片梭引纬过程中气隙的变化。

下面结合磁悬浮片梭的精度分析及校正实施例对本发明作进一步描述。

实施例2

在系统中加入校正网络，使整个系统发生变化，优化给定的各项性能指标，加入合适的校正装置，使系统的性能全面满足设计要求。

系统校正，就是在系统中加入机构或装置，改变系统频率特性，满足上述给定的各项性能指标。校正装置一般装备在系统的前向通道中，接入位置视校正装置本身的物理特性和原系统的结构而定。一般情况下，对于体积小、重量轻的校正装置，常加在系统信号容量不大、功率小的地方，即较靠近输入信号的前向通道中。

控制系统设计中，采用的设计方法一般依据性能指标形式而定，主要有：超前校正、滞后校正、滞后-超前校正。超前校正幅频特性具有正斜率。校正后，低频段不变，提高原系统截止频率，提高响应时间。滞后校正的幅频特性具有负斜率，校正后，低频段不变，截止频率比原系统小，牺牲系统的快速性换取稳定性。滞后-超前校正则实现滞后校正与超前校正的综合。减小系统的稳定性误差，增大系统相位稳定裕度，满足动态性能要求。

下面结合带串联校正的滞后超前校正参数整定方法实施例及附图对本发明作进一步描述。

实施例3

本发明实施例提供一种带串联校正的滞后超前校正参数整定方法，包括如下步骤：

(a)辨识被控对象的开环频率响应。

(b)依据系统超调量、响应时间、峰值等实际要求，确定校正系统的期望相位裕度、幅值裕度和被控对象的开环频率响应，将滞后超前滞后校正器的参数变为以系统开环截止频率为自变量的一元函数

(c)计算滞后超前控制参数。本发明中，滞后超前校正的结构参数为：

基于初始系统bode图上进行校正系统频率参数的选取。

(d)根据稳态精度(误差系数)、相位裕度(超调量)和调节时间(截止频率)等设计指标：

(d1)初步计算未补偿系统的bode图，计算未补偿系统的相角裕度及剪切频率。

(d2)根据设计要求，确定期望的开环幅频特性。

(d3)由期望的开环幅频特性折线减去初始系统开环幅频特性折线,计算校正函数。

(d4)验证补偿后系统是否满足设计性能要求。

(e)基于系统给定条件：

(1)超调量<＝10％,(2)响应时间低于0.001秒，系统应根据超调量与相位裕度的关系进行计算：

同时：

这里：M_r-谐振峰值，t_s-系统响应时间，γ-相位裕度，ω_cut-off-补偿系统的截止频率,由此可见，校正系统的相位裕度应达到：γ≥65.4°，而截止频率ω_cut-off应为：3416.5rad/s，实际可引入RC网络实现系统补偿。

在本发明实施例中，滞后超前校正系统具体计算方法如下：

(1)基于如图4所示的初始系统幅频图。

初始系统截止频率ω_cut-off0＝32.3rad/s。

初始系统相角裕度γ₀＝0 degree。

初始系统不能满足稳定要求。

(2)确定校正方法：系统采用滞后—超前方法，取期望校正频率ωcut-off＝3416.5进行设计。

(3)确定校正函数G_c(s)。

基于给定条件：γ≥65.4°，计算校正系统应提供的超前角：

衰减因子

计算相关参数：

10*lg(a)＝15.53。

作图：在预期的校正截止频率ω_cut-off＝3416.5处设计→A，B两点，如图5基于Bode图的校正方法所示。

在B点拉出

倍频，从而定义C，D在幅频图中的坐标→C，D。

C点：

D点：

基于C点处的频率，定义E,F点在幅频图中的坐标，E，F属于滞后校正部分，选取时可尽量远离系统频率，可取：

E点：ω_E＝0.001ω_C＝3.6rad/s

F点：ω_oo＝ω_cut-off0·ω_cut-off0/ω_cut-off＝2.67rad/s,ω_F＝ω_D·ω_E/ω_oo＝564.8rad/s.

确定校正传递函数为：

最后添加开环倍数，减小系统的稳态误差，实际调试，取开环倍数为K＝4.5。基于补偿网络和参数的确定，补偿后的开环传递函数如图6系统校正补偿后的传递函数所示。

图7为滞后超前补偿系统的bode图，截止频率ω截止接近3410rad/s，满足给定条件的要求，相角裕度为81.2度，系统稳定。从图8可以看出，在滞后超前网络补偿的基础上，通过选择适当的衰减系数和时间参数，可以将系统从不稳定状态修正到稳定状态。同时，在稳定状态下，响应时间缩短到0.001s左右，在外界干扰下，磁悬浮夹持器能迅速回到平衡位置，稳定状态误差控制在10％范围内。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种磁悬浮片梭精密引纬控制方法，其特征在于，所述磁悬浮片梭精密引纬控制方法包括：

第一步，沿导轨布置的励磁绕组中通以控制电流，形成沿引纬平面分布的磁场；磁悬浮梭体装备控制模块建立磁悬浮片梭运动学模型，底部布置永磁薄片阵列，在磁场作用下进行悬浮，行波磁场随交变电流变化，通过输入交流电的频率、幅值及方向驱动片梭的正向引纬/反向制梭，实现非接触式引纬；

建立磁悬浮片梭运动学模型中，采用带串联校正的滞后超前校正参数整定方法进行磁悬浮片梭运动学模型参数的校正，具体包括：

(1)辨识被控对象的开环频率响应；

(2)依据系统超调量、响应时间、峰值实际要求，确定校正系统的期望相位裕度、幅值裕度和被控对象的开环频率响应，将滞后超前滞后校正器的参数变为以系统开环截止频率为自变量的一元函数；

(3)计算滞后超前控制参数；滞后超前校正的结构参数为：

基于初始系统bode图上进行校正系统频率参数的选取；

(4)根据稳态精度、相位裕度和调节时间设计指标；

(5)基于系统给定条件：

超调量<＝10％,；

响应时间低于0.001秒，系统应根据超调量与相位裕度的关系进行计算：

同时：

M_r表示谐振峰值，t_s表示系统响应时间，γ表示相位裕度，ω_cut-off表示补偿系统的截止频率，校正系统的相位裕度应达到：γ≥65.4°，截止频率ω_cut-off为：3416.5rad/s；

第二步，当励磁线圈通电与永磁片梭产生磁场时，电机驱动悬浮片梭，片梭高速在轨道上进行飞行引纬，励磁线圈同步供电；

第三步，通过顺序转换储能模块控制片梭的连续加速度；悬浮片梭正向引纬时，纱线通过辅助装置的储纱器、纱线张力补偿器、递纬器送入引纬器，引纬器经多级电磁驱动系统加速后，高速无摩擦地飞过磁悬浮筘座，再经多级电磁驱动系统减速后被制动器夹持，双侧剪断器剪断纱线后完成正向引纬；

所述建立磁悬浮片梭运动学模型方法包括：仿真得出当永磁片梭单独作用，计算在某个自由度上偏移距离为Δx时受到的永磁力；然后再仿真求出所设计的电磁磁路在悬浮片梭偏移的位置处，产生与永磁力相平衡所需要的最小电流，建立磁悬浮片梭运动学模型。

2.如权利要求1所述的磁悬浮片梭精密引纬控制方法，其特征在于，进一步包括：受控的磁悬浮片梭在工作引纬过程中，轨道竖直方向受电磁吸力F和自身的重力mg作用，竖直方向的动力学方程为：

取竖直方向向上为正方向；片梭与轨道线圈磁极的气隙为x，磁路磁阻集中在线圈磁极和片梭组成的气隙上；磁阻为：

式中：l表示铁芯的导磁长度；μ₀-空气磁导率4π×10^-7；s表示通电线圈与悬浮体的截面积；式

简化为：

每匝线圈中通过的磁通量相同，则线圈的磁通链数为：

由毕奥-萨伐尔定律，得：Nφ＝LI；

电磁线圈瞬时电感为：

磁场线圈的储能W(i,x)为：

公式为电磁线圈上方的磁能，将线圈上方整个气隙的磁通截面积，换算到永磁片梭的截面积，则永磁片梭受到的斥力为：

K＝-(μ₀sN²)/4，简化上式为：

由上式可知电磁力F(i,x)与受力永磁片梭间的气隙x是非线性的反比关系；

电磁线圈通电后，等效为一电阻R与电感线圈L串联，所产生的等效电路关系，根据基尔霍夫电压定律有：

片梭水平飞行引纬时，竖直方向加速度为零，此时片梭受到向上的电磁力与自身的重力相等：

mg＝-F(i,x)；

建立新型磁悬浮片梭的电磁力学系统：

电磁系统中的电磁力F和电磁铁中绕组中的瞬时电流i、气隙x间存在着较复杂的非线性关系，系统存在控制范围，在平衡点(i₀,x₀)对系统泰勒展开，进行线性化处理；

F(i,x)＝F(i₀,x₀)+F_i(i₀,x₀)(i-i₀)+F_x(i₀,x₀)(x-x₀)；

F(i₀,x₀)是当磁极与片梭间的气隙为x₀，平衡电流为i₀时电磁铁对片梭的电磁斥力，且与片梭的重力平衡：

mg＝F(i₀,x₀)且：

定义：

完整描述系统的方程式：

F(i,x)＝F(i₀,x₀)+F_i(i₀,x₀)(i-i₀)+F_x(i₀,x₀)(x-x₀)＝F(i₀,x₀)+K_i(i-i₀)+K_x(x-x₀)；

为悬浮片梭与线圈电流相关的传递函数，悬浮片梭位置被控制传感器定时检测，产生成比例激励电压的控制方案，电压作用于场效应晶体管的栅极(FET)放大器；对电、力学关联方程线性化后，设系统的状态变量为x₁＝x₂,x₂＝x’,x₃＝i，则系统的状态空间方程为：

其中：x(s)是x的拉普拉斯变换，i(s)是i的拉普拉斯变换，函数是磁悬浮片梭的传递函数，控制传感器实时检测磁悬浮片梭的位置，产生激励控制电流，电流作用于场效应的晶体管FET；系统输入定义为电流U_in，得出输出方程：

传递函数为：

3.如权利要求1所述的磁悬浮片梭精密引纬控制方法，其特征在于，所述(4)根据稳态精度、相位裕度和调节时间设计指标包括：

1)初步计算未补偿系统的bode图，计算未补偿系统的相角裕度及剪切频率；

2)根据设计要求，确定期望的开环幅频特性；

3)由期望的开环幅频特性折线减去初始系统开环幅频特性折线,计算校正函数；

4)验证补偿后系统是否满足设计性能要求。

4.如权利要求1所述的磁悬浮片梭精密引纬控制方法，其特征在于，带串联校正的滞后超前校正参数整定方法进一步包括：

(1)初始系统幅频图；

初始系统截止频率ω_cut-off0＝32.3rad/s；

初始系统相角裕度γ₀＝0degree；

(2)确定校正方法：采用滞后、超前方法，取期望校正频率ω_cut-off＝3416.5；

(3)确定校正函数G_c(s)：

基于给定条件：γ≥65.4°，计算校正系统的超前角：

衰减因子

计算相关参数：

10*lg(a)＝15.53；作图：在预期的校正截止频率ω_cut-off＝3416.5处设计→A，B两点；

在B点拉出

倍频，定义C，D在幅频图中的坐标；C点：

D点：

基于C点处的频率，定义E,F点在幅频图中的坐标，E，F滞后校正部分，选取时远离系统频率，取：E点：ω_E＝0.001ω_C＝3.6rad/s；F点：ω_oo＝ω_cut-off0′ω_cut-off0/ω_cut-off＝2.67rad/s,ω_F＝ω_D′ω_E/ω_oo＝564.8rad/s；

确定校正传递函数为：

最后添加开环倍数，开环倍数为K＝4.5。

5.一种实施权利要求1～4任意一项所述磁悬浮片梭精密引纬控制方法的磁悬浮片梭精密引纬控制系统，其特征在于，所述磁悬浮片梭精密引纬控制系统包括：

轨道平台，包括多个水平的空心电磁线圈绕组；

悬浮片梭，下表面附着永磁体，片梭由外部电机弹射进入编织轨道；

电磁装置，产生电磁力控制片梭引纬间隙，定位水平运动；

控制模块，设置在引纬器装置内部，采用霍尔传感器实时检测片梭运行轨迹，由滞后超前校正控制模块调整引纬精度。

6.一种实施权利要求1～4任意一项所述磁悬浮片梭精密引纬控制方法的新型磁悬浮片梭精密引纬结构，其特征在于，所述新型磁悬浮片梭精密引纬结构包括纬纱、经纱、织物、三相交流励磁线圈、引纬梭道、磁悬浮梭体；

经纱编织在织物上，磁悬浮梭体内搁置的纬纱横向交织在经纱上；磁悬浮梭体运行与引纬梭道上；三相交流励磁线圈间隔套装在引纬梭道开设的槽内。

7.一种实施权利要求1～4任意一项所述磁悬浮片梭精密引纬控制方法的信息处理终端。

8.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-4任意一项所述的磁悬浮片梭精密引纬控制方法。

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