閉環控制經編送經系統

王俊科， 夏風林

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

閉環控制經編送經系統

王俊科， 夏風林

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

經編機送經控制系統是一個時刻發生變化的非線性系統，針對經編生產，特別是高速經編機生產要求，送經系統應具有快速響應性、高控制精度和穩定性的特性，為此設計了采用閉環控制的經編送經系統。主要介紹該系統的原理、方法和組件構成，以及對系統的測試分析方法。系統采用DSP數字控制器作為送經控制單元的核心部件，通過測速壓輥得到經軸盤頭的即時外周長和實際送經量，獲取下一周期經軸電動機速度，根據送經量的偏差，再通過控制器的智能PID計算、修正，形成全閉環控制來實現送經系統的實時在線調整。對比實驗結果表明，設計的經編送經閉環系統合理、可行，并具有高精度、響應性和穩定性。

經編； 送經系統； 閉環控制； 壓輥

經編機送經控制系統是一個時變的系統，從傳統機械送經到單速電子送經(EBA)，再到多速電子送經(EBC)[1]，如何保證經編機送經控制系統的控制精度、穩定性以及響應的快速性一直是經編送經的難題[2]，在當前經編工業生產中，高速度、高質量、小批量、多品種已經成為經編生產基本要求，這就要求經編電子送經系統能夠在高速條件下保證送紗量的穩定，避免出現送經控制不精確，經軸送出的送紗量與橫列編織需要的送紗量不一致，造成經紗張力不穩定，引起斷紗、布面的疵點、橫條等布面問題，影響生產效率，同時導致產品質量下降[3-4]。

本文采用高速的數字信號處理器(DSP)作為主控制器設計了新的控制系統[5]，系統由經軸上的測速壓輥測得經軸盤頭的即時外周長和實際送經量，獲取下一周期經軸電動機速度指令，通過與送經量設定值的比較，再經控制器的模糊PID控制算法進行實時修正，形成全閉環來精確控制經編機的送經量[6-7]。

1 閉環控制系統的設計

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個部分組成[8]，如圖1所示。系統采用DSP作主控制器，送經驅動裝置采用交流伺服電動機，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，獲得下一周期送經電動機的指令轉速，應用模糊PID控制算法實時修正經軸電動機速度，保證控制的快速性和準確性。

圖1 送經系統控制流程圖Fig.1 Let-off system control flow

2 控制系統的原理

系統采用DSP作主控制器，DSP主控制器根據設定的送經量、經軸初始外周長和當前主軸轉速等數據計算得出當前周期經軸電動機的轉速，并向送經伺服驅動器發出速度指令，送經伺服驅動器根據接收的速度指令，控制經軸電動機按照速度指令運動，同時伺服驅動器通過經軸電動機內置編碼器的反饋得到經軸電動機的實際運轉速度，從而實現伺服驅動裝置的內環控制。

圖2 測速壓輥的結構圖Fig.2 Measuring speed of feedback roller

圖2示出測速壓輥的結構圖。經軸電動機按照指令轉速傳動經軸時，緊壓在經軸紗線表面的測速壓輥，由于摩擦傳動，控制單元通過測速壓輥內置的編碼器的反饋計算出送經經軸即時外周長和實際送經量，即時外周長用于計算下一周期經軸電動機的速度指令，而獲得的實際送經量會與送經量初始設定值進行比較，由主控制器(DSP)根據偏差通過智能模糊PID算法計算得出一個調整補償量，實時調整控制伺服驅動系統，保證經軸的送經精度和穩定性[9-10]。

2.1 系統的控制算法

在機器以一定速度運行時，運動控制單元會讀取跟隨主軸運動的主軸編碼器的反饋脈沖計算出機器當前速度Wz，再通過讀取編織工藝所需的送經量等參數，計算出橫列編織時經軸的指令轉速

(1)

式中：Wz、Wb分別為主軸轉速、經軸電動機的指令轉速，r/m；CO為盤頭上機時的外周長，mm；Fz為初始設定的送經量，mm/臘克；M為經軸電動機與經軸之間的減速比；480為每臘克的橫列數。整理后得到指令轉速[11-12]

(2)

在機器運行時，通過測速壓輥的速度反饋和經軸電動機的即時速度反饋，獲得經軸的即時外周長如式(3)所示。

(3)

式中：Wbi、Wr分別為經軸電動機的即時轉速和測速壓輥的轉速；Ci、Cr分別為經軸的即時外周長和測速壓輥的外周長；M為經軸電動機與經軸之間的減速比。整理后得到

(4)

通過測速壓輥獲得的即時外周長，計算下一周期經軸電動機的指令轉速

(5)

式中：Wzi、Wbi+1分別為機器的主軸的轉速和經軸的指令轉數；Fzi表示下一周期的送經量；M為經軸電動機與經軸之間的減速比；480表示每臘克的橫列數。將式(3)代入整理后得到Wbi+1為

(6)

2.2 經軸速度的差值調節

為保證經軸送經的精確性，在一個運算周期內，送經控制單元通過測速壓輥反饋獲得經軸的實際送經量，與送經量的原始設定值進行比較，再根據送經量的差值△Fz，通過控制器計算轉化為經軸電動機指令轉速的差值△W，再運用智能模糊PID控制算法，將電動機指令速度偏差值轉化為速度調整補償量，得出一個新的速度指令，伺服驅動器接收新的速度指令后，實時控制經軸電動機運動，保證送出的經紗量符合工藝要求[13]。

由于測速壓輥和經軸盤頭的相對運動，所以壓輥和經軸盤頭表面的線速度V相同。

再根據：

得到實際的送經量Fzr為

(7)

再根據送經量的差值△Fz，轉化為電動機指令轉速的偏差值△W，再將速度偏差值轉化為速度調整補償量來調整經軸電動機的轉速，實現送經量的在線調整，保證經軸送經的穩定性和準確性。

(8)

3 系統的可行性驗證分析

3.1 送經系統的可行性測試

全閉環控制的經編機送經系統，在經編機器運行過程中，緊壓在經軸盤頭上的壓輥(圖2)因為摩擦會做相對運動，測速壓輥運動過程中，通過壓輥的編碼器脈沖反饋得到測速壓輥的轉速，從而計算出經軸電動機的下一周期的速度指令，所以該系統中壓輥測速的準確性，對保證系統的合理性和可行性至關重要。

為驗證測速壓輥測速的準確性，實驗采用SCM01型四通道聲振分析儀，在經編機運行時，同步采集測速壓輥和經軸電動機的運轉脈沖信號，實時監測壓輥和經輥電動機的速度。因為機器運行時壓輥和經軸盤頭表面的線速度相同，所以同步采集測速壓輥和經軸電動機的速度脈沖信號，可同步測得測速壓輥和經軸電動機的實際運行速度，然后再經換算后，可對比分析壓輥測速的準確性。

實驗在Karl Mayer的HKS4型高速經編機上搭建平臺，用固高的運動控制卡(GT2型)為送經的控制單元，用三菱的MR-JE(1.5 kW)型的伺服和電動機作為送經的交流伺服系統，用旋轉編碼器(RV型)作為測速壓輥內置的編碼器，Karl Mayer的HKS4型高速經編機幅寬為3 454 mm、機號為E28，最高機速為1 400 r/min。測試經軸為GB3，當前外周長為975 mm、內周長為630 mm、余圈數9 966，壓輥外周長為251.2 mm，在HKS4型經編機上，上機編織工藝為：GB3，1-0/1-2//；GB4，1-2/1-0//。

送經量分別為：GB3，1 220 mm/臘克；GB4，1 200 mm/臘克；牽拉密度，21橫列/cm。

實驗中將壓輥的轉速信號(A信號)和經軸電動機的轉速信號(A信號)分別接入SCM01型四通道聲振分析儀的2個轉速通道中,運行計算機上的LMSTest.Lab測試與分析軟件，按壓輥編碼器和經軸電動機編碼器的分辨率分別設置相應參數，實驗中采樣周期為5 s、采樣頻率為1 kHz(經多次實驗，尋求較佳的設置)。為保證測速壓輥的準確性，避免機械振動等的干擾，實驗測試過程中待機器速度穩定后，再分別采集主軸速度為810 r/min時壓輥速度和經軸電動機速度的實時動態曲線，結果如圖3所示，測試時經軸外周長為975 mm。

圖3 測速壓輥和經軸電動機速度曲線圖Fig.3 Speed of feedback roller and beam motor

在機器正常運行時，經軸電動機的理論速度如式(7)所示，緊壓在經軸盤頭的測速壓輥因為摩擦作用也會做相對運動，所以根據壓輥與經軸表面的線速度相同，可得到測速壓輥的理論速度如式(8)所示。再根據送經量Fzi(1 220 mm/臘克)，主軸轉速Wzi(810 r/min)，盤頭的外周長Ci(975 mm)，壓輥的外周長Cr(251.2 mm)，可以得到經軸電動機(191 r/min)和測速壓輥的理論速度值(8.2 r/min)，再與實際值相比較。

再根據

v=2πrw=cw

整理得到：

(10)

式中：Wbi為經軸電動機的實時速度；Wri為測速壓輥的實時轉速，r/min；Wzi為機器的實時轉速，Fzi為當前周期的送經量,mm/臘克；Ci為經軸盤頭的實時外周長，mm；Cr為測速壓輥的外周長，mm；M為經軸與電動機之間的傳動比。

圖3中測速壓輥和經軸電動機的實時速度曲線說明了經編送經控制系統是一個時刻發生變化的非線性系統，而且壓輥和經軸電動機的速度是一個明顯的跟隨曲線，從測速壓輥的速度曲線與經軸電動機速度曲線的波形圖對比可知，測速壓輥的實際速度在8.1～8.3 r/min之間波動，經軸電動機的實際速度在190～192 r/min之間波動，與理論值相符。說明設計的基于閉環控制的經編機控制系統合理，可行，在機器運行過程中測速壓

輥自帶的編碼器可準確地測量出壓輥的轉速，保證了獲得盤頭的即時外周長和實際送經量的準確性。3.2 全閉環與半閉環控制的比較分析

實驗通過SCM01型四通道聲振分析儀采集測速壓輥速度和經軸電動機速度的實時動態曲線，對比分析說明了全閉環控制送經控制系統的合理與可行性，實驗中再采用三菱伺服監測軟件MR-Configurator2，采集帶測速壓輥的閉環控制與不帶測速壓輥的半閉環送經系統的電動機指令速度和電動機的實際反饋速度波形曲線，因為在機器運行過程中，送經驅動裝置的伺服驅動器會根據控制單元下達的速度指令，驅動電動機按照指令速度運動，在運動過程中，伺服電動機內自帶的編碼器會反饋電動機的實際運動速度，所以通過采集電動機的2種曲線，可清晰地從速度曲線圖像上對比分析2種送經系統的優劣。

在執行測量、采集波形前，需要先進行觸發條件的設置、測量對象軸與測量對象監視數據類型的設置。在同一機器、工藝不變的情況下，選定經軸GB3為測量對象軸，測量對象為伺服電動機的指令速度和電動機速度即實際反饋速度，采集周期為200 ms。采集機器主軸轉速在600 r/min和800 r/min時，半閉環和的全閉環控制下，送經電動機的速度指令曲線和電動機速度曲線如圖4、5所示。

圖4 主軸速度為600 r/min時送經電動機速度跟隨圖像Fig.4 Speed following of let-off motor at spindle speed of 600 r/min. (a) Semi closed loop control; (b) Closed loop control

圖5 主軸速度為800 r/min時送經電動機速度跟隨圖像Fig.5 Speed following of let-off motor at spindle speed 800 r/min. (a) Semi closed loop control; (b) Closed loop control

從圖4、5中可看出：半閉環的送經控制系統(不帶測速壓輥)的送經電動機指令速度圖像基本是直線，在送經周期內基本沒有出現即時的波動，送經電動機速度曲線時刻在發生變化，然而并沒有跟隨電動機指令速度(142 r/min、189 r/min)正常上下波動，實際速度值要比指令速度值大；全閉環送經系統(帶測速壓輥)的送經電動機指令速度圖像不是直線，而是出現即時波動的曲線，送經電動機速度曲線也時刻在發生變化，并且跟隨電動機指令速度上下波動，速度平均值基本與指令速度值相同。

由于本實驗設計的閉環送經系統，是根據測速壓輥得到經軸盤頭的即時外周長和實際送經量，通過獲得即時的外周長和實際的送經量來計算和調整送經電動機的速度指令和實際速度，所以閉環送經系統的速度指令圖像是會發生變化的，并且能保證電動機速度能很好地跟隨速度指令，避免出現過大的偏差，保證了送經系統的穩定性、精確性和響應性。

通過在不同主軸速度下采集半閉環和全閉環控制下送經電動機的速度指令和送經電動機速度圖像，說明設計的全閉環送經控制系統較半閉環送經系統有更好的穩定性，送經精度以及響應性。

4 結 論

1)本文通過捕捉全閉環經編電子送經系統中測速壓輥和經軸電動機的同步、實時的速度曲線，說明了測速壓輥測速的準確性，以及基于閉環控制的經編控制系統的合理性和可行性。

2)通過送經電動機的速度指令與電動機速度(即實際速度)曲線的對比分析，說明了設計的全閉環控制送經系統較半閉環控制送經系統有更好的穩定性、送經精度、響應性。

3)本文主要介紹了設計的基于閉環控制的經編送經系統的設計原理、方法和硬件的組成，再通過對比實驗，驗證了系統的合理性和可行性，說明了閉環控制的送經系統有更好的穩定性、送經精度、響應性。接下來將進一步研究該系統在高速條件下的系統穩定性、響應特性等。

FZXB

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Application of closed loop control on warp knitting of let-off system

WANG Junke, XIA Fenglin

(EngineeringResearchCenterforKnittingTechnology,MinistryofEducation,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

The warp knitting machine control system is a nonlinear system at a time of change for the warp production. It is required to have fast response, high control accuracy and stability, particularly to high-speed warp knitting machine. The system was designed on the basis of the closed loop control of the let-off system of a warp knitting machine. The principle, method and components were introduced in this paper. The DSP digital controller is created as a warp core component of the control unit. It is showed that the beam motor speed for the next period is obtained by measuring via a feedback roller. Besides to achieve the let-off system of real-time online adjustments, it is calculated and corrected in intelligent PID controller according to the deviation of amount of let-off. When a contrast is made, it is concluded the system possesses the nature of high accuracy, response and stability.

warp knitting; let-off system; closed loop control; feedback roller

10.13475/j.fzxb.20160606806

2016-06-27

2016-11-15

中央高?；究蒲袠I務費專項資金重點項目(JUSRP51404A); 江蘇省產學研聯合創新資金-前瞻性聯合研究項目(BY2015019-20)

王俊科(1990—)，男，碩士生。主要研究方向為數字化紡織技術。夏風林，通信作者，E-mail：xiafl_622@163.com。

TS 184

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