經編機啟停過程中的閉環送經控制特性

王俊科+夏風林+張琦

摘要：在闡述基于閉環控制的經編電子送經系統結構的基礎上，文章主要研究了閉環送經控制系統在經編機啟停過程中主軸轉速的變化對經軸送經的影響，并對送經系統在啟停過程中的經軸滯后于主軸運動和經紗張力變化進行了測試與分析。根據測得的經編機啟停過程中經軸電機響應性能和送經張力變化規律，設計了一種經編機啟停過程中的送經補償方法，可顯著提高經編機啟停過程中送經張力的平穩性，進而改善經編產品品質。

關鍵詞：經編；電子送經系統；閉環控制；送經張力；響應性能

中圖分類號：TS184.1 文獻標志碼：A

The Characteristics of Closed-loop Control of Let-off System during Start/Stop of Warp-knitting Machine

Abstract： On a warp-knitting machine with closed-loop controlled electronic let-off system， the warp let-off is often impacted by the speed change of the main shaft during turning-on and turning-off the machine， since the movement of beam lags behind that of main shaft， causing tension change of the warp. By testing the response performance of beam motor and analyzing the law of warp tension change， a compensation method was developed， which can significantly improve the stability of let-off tension during start/stop of warpknitting machine and consequently improve the quality of warp-knitted products.

Key words： warp knitting； electronic let-off system； closed-loop control； tension change； response performance

經編送經系統是經編機的重要組成部分，經編機在正常運轉時經紗從經軸上退繞下來，按照一定的送經量送入成圈系統，供成圈機件進行編織。在整個送經過程中，送經量應始終保持精確，否則易造成經紗斷頭，甚至崩紗，不能正常成圈，影響生產效率和產品質量。隨著電子技術的發展，經編送經從簡單的機械式送經發展到電子式送經，從恒速送經發展到多速送經，從開環控制到閉環控制，這些都是為了保證在經編織造過程中經軸送出的經紗能準確、一致。但送經控制并非一個靜態的控制過程，存在著經軸運轉慣性、信號傳輸滯后等造成經軸運動滯后于主軸運動的現象，而這在經編機啟停過程中尤為明顯，從而形成停車橫條。

本文通過實驗測試了設計的基于閉環控制的經編電子送經系統在啟停過程中經軸滯后于主軸的運動特性和經紗張力變化，并提出了啟停過程中的送經補償方法。

1 經編機閉環送經控制的系統結構

基于閉環控制的經編送經系統主要由送經控制單元、送經驅動裝置、經軸測速反饋裝置和主軸速度信號裝置 4 部分組成（圖 1）。系統采用DSP作主控制器，送經驅動裝置采用交流伺服電機，利用測速壓輥實時測得經軸盤頭的即時外周長和實際送經量，獲得下一周期送經用經軸電機的指令轉速，應用模糊PID控制算法實時修正經軸電機速度，保證控制的快速性和準確性。

2 測試與分析

2.1 實驗平臺的搭建和測試方法

試驗在Karl Mayer（卡爾邁耶）的HKS4型高速經編機上搭建基于閉環控制的經編電子送經系統，以固高科技（深圳）有限公司的GTS-400運動控制器為送經主控制單元，日本三菱MR-JE-200A型伺服系統為送經驅動單元，增量編碼器為測速壓輥的反饋信號采集器，用增量編碼器采集主軸轉速信號。HKS4型特里科經編機幅寬3 454 mm、機號E28，最高機速1 200 r/min，通過主變頻器設定主電機的加速時間為 5 s、減速時間 2 s。測試時采用雙梳編織，經軸參數為：GB3當前外周長910 mm、內周長630 mm、余圈數8 200；GB4當前外周長1 300 mm、內周長630 mm、余圈數13 520。壓輥反饋裝置僅安裝在GB3的經軸上進行測試，壓輥外周長251.2 mm。編織組織GB3為1-0/1-2//、GB4為1-2/1-0//；送經量GB3為1 240 mm/rack，GB4為1 200 mm/rack；牽拉密度21橫列/cm。

試驗中將主軸編碼器的轉速信號（A信號）、經軸電機的速度信號（A信號）和張力傳感器信號分別接入SCM01型四通道聲振分析儀的 2 個轉速通道和加速度通道中，運行計算機上的LMS Test.Lab測試與分析軟件，按主軸編碼器信號、經軸電動機編碼器信號和張力信號接入的通道分別設置相應測試參數。實驗中采樣周期15 s、采樣頻率 1 kHz（測試的最佳設置），測試最高速度970 r/min（保證經編機正常穩定工作）。采集經編機從停車到正常運轉（970 r/min）以及從正常運轉到停車過程中主軸、經軸電機的速度變化曲線和張力波動曲線。

2.2 經軸滯后于主軸的特性分析

根據運用四通道聲振分析儀采集得到的啟停過程中經編機主軸速度與經軸電機速度隨時間變化曲線，選取經編機啟停加、減速時間段內 6 個不同主軸速度點200、350、500、650、800、950 r/min。依據經編閉環電子送經系統中，經編機運行過程中主軸速度與經軸電機速度的關系（考慮在啟停過程中測試時間極短，經軸外周長的變化可以忽略）（式（1）），在當前送經量和盤頭外周長不變的情況下，主軸速度與經軸速度成正比關系，得到 6 個不同速度點所對應的經軸電機速度點（51、90、129、168、207、246 r/min）。

式（1）中：M為經軸電機與經軸之間的減速比，Fzi為當前送經量，Ci為當前盤頭外周長，Wzi為經編機主軸速度，Wbi為經軸電機的速度。

根據啟停變速過程中經編機主軸和經軸電機分別到達對應速度點的時間數據，可得到啟停變速過程中不同速度點經軸滯后于主軸的時間，通過經編機編織過程中主軸角度與時間的關系，得到啟停變速過程中不同速度點經軸滯后于主軸的角度（式（2））。

式（2）中：φ為經軸滯后于主軸的角度，t為經軸滯后于主軸的時間。

根據啟停過程中經軸滯后于主軸的時間和角度（表1），在經編機啟動過程中，主軸和經軸電機都處于加速過程中。隨著經編機主軸轉速的加快，經軸滯后于主軸的時間在減小，由于滯后時間的累積，滯后角度先增大后減小，當經編機達到預定轉速后，經軸也會在短時間內達到指令速度，待經編機轉速穩定后，經軸的滯后消失；在經編機停機過程中，主軸和經軸電機都處于減速過程中，隨著經編機轉速的降低，由于滯后的累積，在減速時滯后時間會增大，但經編機主軸轉速在降低，所以滯后角度先增大后減小，直到主軸轉速為 0。

2.3 經紗張力分析

在經編機編織過程中，當耗紗量大于送紗量時，紗線張力就會過大；當耗紗量小于送紗量時，紗線張力又會過小。張力過大會出現斷紗甚至崩紗，張力過小又會容易出現漏針和跑紗，對織造造成影響。在經編機啟停變速過程中，由于經軸滯后于主軸運動，會對經紗張力造成影響。運用四通道聲振分析儀采集啟停過程中不同時間點一個成圈周期內經紗張力的變化曲線（圖 2、圖 3），分析啟停過程中經軸滯后主軸運動對紗線張力的影響。

從圖 2、圖 3 的不同時間點經紗張力變化曲線可以看出，紗線張力在一個成圈周期內會隨著成圈機件的運動而發生周期性的變化，所以保持紗線平均張力和張力峰值的穩定是保證經編機正常編織的先決條件。表 2中，啟動 6 s是經編機加速完成到達穩定速度時經編機正常編織所需的紗線張力均值和峰值，停機 0 s是經編機開始減速之前經編機正常編織時所需紗線張力均值和峰值。在啟動加速過程中，經編機速度從零開始加速，由于經軸滯后于主軸運動和滯后的累積，紗線張力的均值和峰值會先增大后減小；在停機減速過程中，經編機速度從穩定值開始減速，由于經軸滯后于主軸運動和減速過程時間短，隨著經編機主軸速度的減小，紗線張力的均值和峰值會先減小后增大，而峰值角度沒有啟動加速過程變化得明顯，峰值角度的變化，說明經軸的滯后對經紗張力的峰值角度變化有影響。

3 送經補償設計

3.1 設計原理

通過對啟停過程中送經特性的研究，針對在啟停時經軸滯后于主軸運動造成的送紗量與實際耗紗量的不等及紗線張力的波動等不良影響，本文設計了一種啟停過程中送經補償方法（圖 4）。針對啟停過程中經軸出現滯后主軸的運動特性，在送經主控制器接收到經編機的啟停信號后，送經主控制單元會將主控制器根據設定的送經補償量和補償時間，轉化為經軸電機指令速度調整補償量，得出一個新的速度指令傳達給伺服驅動器，再由送經伺服驅動器根據速度指令驅動經軸電機運動，保證在設定的補償時間內送經系統的穩定。

3.2 界面設計

設計的啟停變速過程中送經補償操作界面如表 3 所示，在主界面中，可針對經編機類型和編織工藝的不同，根據經驗或布面品質等情況，對經編機主軸加、減速時間和經軸送經補償值（或送經補償比例）進行具體設置。為保證數據的有效性和安全性，系統對設置數據的范圍進行了界限限制。在設定各經軸的補償時間和送經補償量后，當控制系統捕捉到經編機啟停信號后，送經主控單元就會在經編機主軸加、減速時段內對各送經經軸正常使用的工藝參數進行一定量的反向修正，實現在經編機啟停加減速過程中，通過提前對工藝參數修正達到送紗量與耗紗量的吻合。通過生產實踐表明，這一方法有效地保證了經編機在啟停變速過程中送經張力的平穩性，提高了經編機的產品品質。

4 結論

基于閉環控制的經編送經系統在啟動變速過程中，經軸會滯后于主軸運動，滯后時間隨速度的變大而減小；停機變速過程中，經軸滯后于主軸運動的滯后時間隨速度的變小而增大；滯后角度都出現先增大后減小的情況。基于閉環控制的經編送經系統在啟動變速過程中，紗線張力的均值和峰值先增大后減小；停機變速過程中，紗線張力的均值和峰值先減小后增大；但啟動變速過程中的峰值角度波動要比停機變速過程的波動大。在經編閉環送經系統的基礎上設計了一種啟停過程中送經補償方法，可有效保證經編機啟停過程中經紗張力的平穩性，提高經編機的產品品質。

參考文獻（略）