經(jīng)編機啟停過程中的閉環(huán)送經(jīng)控制特性

王俊科+夏風林+張琦

摘要：在闡述基于閉環(huán)控制的經(jīng)編電子送經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，文章主要研究了閉環(huán)送經(jīng)控制系統(tǒng)在經(jīng)編機啟停過程中主軸轉(zhuǎn)速的變化對經(jīng)軸送經(jīng)的影響，并對送經(jīng)系統(tǒng)在啟停過程中的經(jīng)軸滯后于主軸運動和經(jīng)紗張力變化進行了測試與分析。根據(jù)測得的經(jīng)編機啟停過程中經(jīng)軸電機響應(yīng)性能和送經(jīng)張力變化規(guī)律，設(shè)計了一種經(jīng)編機啟停過程中的送經(jīng)補償方法，可顯著提高經(jīng)編機啟停過程中送經(jīng)張力的平穩(wěn)性，進而改善經(jīng)編產(chǎn)品品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：經(jīng)編；電子送經(jīng)系統(tǒng)；閉環(huán)控制；送經(jīng)張力；響應(yīng)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(jīng)編送經(jīng)系統(tǒng)是經(jīng)編機的重要組成部分，經(jīng)編機在正常運轉(zhuǎn)時經(jīng)紗從經(jīng)軸上退繞下來，按照一定的送經(jīng)量送入成圈系統(tǒng)，供成圈機件進行編織。在整個送經(jīng)過程中，送經(jīng)量應(yīng)始終保持精確，否則易造成經(jīng)紗斷頭，甚至崩紗，不能正常成圈，影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)編送經(jīng)從簡單的機械式送經(jīng)發(fā)展到電子式送經(jīng)，從恒速送經(jīng)發(fā)展到多速送經(jīng)，從開環(huán)控制到閉環(huán)控制，這些都是為了保證在經(jīng)編織造過程中經(jīng)軸送出的經(jīng)紗能準確、一致。但送經(jīng)控制并非一個靜態(tài)的控制過程，存在著經(jīng)軸運轉(zhuǎn)慣性、信號傳輸滯后等造成經(jīng)軸運動滯后于主軸運動的現(xiàn)象，而這在經(jīng)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(shè)計的基于閉環(huán)控制的經(jīng)編電子送經(jīng)系統(tǒng)在啟停過程中經(jīng)軸滯后于主軸的運動特性和經(jīng)紗張力變化，并提出了啟停過程中的送經(jīng)補償方法。

1 經(jīng)編機閉環(huán)送經(jīng)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于閉環(huán)控制的經(jīng)編送經(jīng)系統(tǒng)主要由送經(jīng)控制單元、送經(jīng)驅(qū)動裝置、經(jīng)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(tǒng)采用DSP作主控制器，送經(jīng)驅(qū)動裝置采用交流伺服電機，利用測速壓輥實時測得經(jīng)軸盤頭的即時外周長和實際送經(jīng)量，獲得下一周期送經(jīng)用經(jīng)軸電機的指令轉(zhuǎn)速，應(yīng)用模糊PID控制算法實時修正經(jīng)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(jīng)編機上搭建基于閉環(huán)控制的經(jīng)編電子送經(jīng)系統(tǒng)，以固高科技（深圳）有限公司的GTS-400運動控制器為送經(jīng)主控制單元，日本三菱MR-JE-200A型伺服系統(tǒng)為送經(jīng)驅(qū)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(zhuǎn)速信號。HKS4型特里科經(jīng)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(shè)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(jīng)軸參數(shù)為：GB3當前外周長910 mm、內(nèi)周長630 mm、余圈數(shù)8 200；GB4當前外周長1 300 mm、內(nèi)周長630 mm、余圈數(shù)13 520。壓輥反饋裝置僅安裝在GB3的經(jīng)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(jīng)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(zhuǎn)速信號（A信號）、經(jīng)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(zhuǎn)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(jīng)軸電動機編碼器信號和張力信號接入的通道分別設(shè)置相應(yīng)測試參數(shù)。實驗中采樣周期15 s、采樣頻率 1 kHz（測試的最佳設(shè)置），測試最高速度970 r/min（保證經(jīng)編機正常穩(wěn)定工作）。采集經(jīng)編機從停車到正常運轉(zhuǎn)（970 r/min）以及從正常運轉(zhuǎn)到停車過程中主軸、經(jīng)軸電機的速度變化曲線和張力波動曲線。

2.2 經(jīng)軸滯后于主軸的特性分析

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

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

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

式（2）中：φ為經(jīng)軸滯后于主軸的角度，t為經(jīng)軸滯后于主軸的時間。

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

2.3 經(jīng)紗張力分析

在經(jīng)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(xiàn)斷紗甚至崩紗，張力過小又會容易出現(xiàn)漏針和跑紗，對織造造成影響。在經(jīng)編機啟停變速過程中，由于經(jīng)軸滯后于主軸運動，會對經(jīng)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(nèi)經(jīng)紗張力的變化曲線（圖 2、圖 3），分析啟停過程中經(jīng)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(jīng)紗張力變化曲線可以看出，紗線張力在一個成圈周期內(nèi)會隨著成圈機件的運動而發(fā)生周期性的變化，所以保持紗線平均張力和張力峰值的穩(wěn)定是保證經(jīng)編機正常編織的先決條件。表 2中，啟動 6 s是經(jīng)編機加速完成到達穩(wěn)定速度時經(jīng)編機正常編織所需的紗線張力均值和峰值，停機 0 s是經(jīng)編機開始減速之前經(jīng)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(jīng)編機速度從零開始加速，由于經(jīng)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??；在停機減速過程中，經(jīng)編機速度從穩(wěn)定值開始減速，由于經(jīng)軸滯后于主軸運動和減速過程時間短，隨著經(jīng)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(jīng)軸的滯后對經(jīng)紗張力的峰值角度變化有影響。

3 送經(jīng)補償設(shè)計

3.1 設(shè)計原理

通過對啟停過程中送經(jīng)特性的研究，針對在啟停時經(jīng)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(shè)計了一種啟停過程中送經(jīng)補償方法（圖 4）。針對啟停過程中經(jīng)軸出現(xiàn)滯后主軸的運動特性，在送經(jīng)主控制器接收到經(jīng)編機的啟停信號后，送經(jīng)主控制單元會將主控制器根據(jù)設(shè)定的送經(jīng)補償量和補償時間，轉(zhuǎn)化為經(jīng)軸電機指令速度調(diào)整補償量，得出一個新的速度指令傳達給伺服驅(qū)動器，再由送經(jīng)伺服驅(qū)動器根據(jù)速度指令驅(qū)動經(jīng)軸電機運動，保證在設(shè)定的補償時間內(nèi)送經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3.2 界面設(shè)計

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

4 結(jié)論

基于閉環(huán)控制的經(jīng)編送經(jīng)系統(tǒng)在啟動變速過程中，經(jīng)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(jīng)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(xiàn)先增大后減小的情況?；陂]環(huán)控制的經(jīng)編送經(jīng)系統(tǒng)在啟動變速過程中，紗線張力的均值和峰值先增大后減?。煌C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(jīng)編閉環(huán)送經(jīng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種啟停過程中送經(jīng)補償方法，可有效保證經(jīng)編機啟停過程中經(jīng)紗張力的平穩(wěn)性，提高經(jīng)編機的產(chǎn)品品質(zhì)。

參考文獻（略）