智能梳棉機自調(diào)勻整控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

摘 要：為提高棉條均勻度及成紗質(zhì)量、降低生條重量偏差率，對梳棉機自調(diào)勻整系統(tǒng)控制算法進行分析研究，運用模糊自適應(yīng)PID解決傳統(tǒng)PID的非線性及時變性較差的問題。通過對比分析開環(huán)控制模型、閉環(huán)控制模型和混合環(huán)控制模型的優(yōu)缺點，提出智能勻整控制概念，運用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)對原控制系統(tǒng)進行改造升級，實現(xiàn)梳棉機遠(yuǎn)程可視化控制管理。模糊自適應(yīng)PID的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的精確控制，加快了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”技術(shù)的應(yīng)用使企業(yè)管理更加便捷，為企業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供保障。實際測試結(jié)果表明，改進后的控制系統(tǒng)降低了不合格產(chǎn)品的數(shù)量，有效地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：梳棉機;自調(diào)勻整控制系統(tǒng);模糊自適應(yīng)PID;互聯(lián)網(wǎng)+;產(chǎn)品質(zhì)量

Abstract：In order to improve the evenness of sliver and yarn quality， and reduce sliver weight deviation rate， analysis and research are conducted on the control algorithm of self-leveling system of carding machine， and fuzzy adaptive PID is used to solve the problem of poor non-linearity and timeliness of traditional PID. Based on comparison and analysis of the advantages and disadvantages of open loop control model， closed loop control model and hybrid loop control model， the concept of intelligent leveling control is put forward， and the original control system is upgraded by using the “Internet +” technology to realize remote visual control and management of carding machine. The application of fuzzy adaptive PID improves the control accuracy of the system， accelerates the response speed of the control system， and improves product quality. The application of “Internet +” technology makes enterprise management easier， and provides guarantee for enterprise transformation and upgrading. The test results show that the improved control system reduces unqualified products， and largely improves the production efficiency of enterprises.

Key words：carding machine; autolevelling control system; fuzzy adaptivePID; internet +; product quality

國家的“中國制造2025”行動綱要目標(biāo)指出[1]，到2020年，中國制造業(yè)基本實現(xiàn)工業(yè)化，制造業(yè)信息化水平大幅提升。紡織業(yè)是中國制造業(yè)的支柱之一，而梳棉環(huán)節(jié)又是紡織過程中的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)代紡紗系統(tǒng)普遍采用自調(diào)勻整裝置以達到提高棉條均勻度的目的。隨著智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，梳棉自調(diào)勻整裝置的設(shè)計也在不斷革新。隨著科技發(fā)展的不斷進步，智能控制技術(shù)正在逐漸取代控制效果較差的傳統(tǒng)控制方法，其可以更好地解決被控對象的非線性、復(fù)雜性及不確定性。

本研究提出運用模糊自適應(yīng)PID控制算法對系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，滿足自調(diào)勻整裝置常見控制形式中對非線性及實時性要求較高的要求，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，降低不合格產(chǎn)品的出現(xiàn)。提出運用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)實現(xiàn)企業(yè)的智能化管理，繼而實現(xiàn)“中國制造2025”目標(biāo)要求。

1 梳棉機的系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 梳棉機結(jié)構(gòu)

梳棉機用于加工棉纖維和化學(xué)纖維，屬于紡織機械。按照紡紗工藝流程，梳棉是一道重要的工序。梳棉機的前道工序是開清棉聯(lián)合機，后道工序是并條機（普梳工藝流程）或條卷機（精梳工藝流程），梳棉機的簡化機構(gòu)模型如圖1所示。

梳棉機的結(jié)構(gòu)分為3個部分：

a）預(yù)梳部分，包括刺輥、給棉羅拉、給棉板、除塵刀和小漏底等部件。

b）主梳部分，包括錫林、蓋板、道夫和大漏底等部件。

c）成條部分，包括剝棉羅拉、嗽叭口、大壓輥和圈條器等部件。

給棉羅拉表面有軸向直型溝槽，兩端設(shè)有加壓裝置。給棉板前端的弧面與給棉羅拉配合，形成壓力拑口，以利于握持給棉。刺輥是預(yù)梳部分的主要部件，為中空滾筒，表面包嵌鋸齒條，轉(zhuǎn)速較高。刺輥下方的除塵刀和帶有網(wǎng)眼或塵棒的弧形漏底，用以托持纖維并排除雜質(zhì)和短絨。錫林和道夫均為中空滾筒，表面包覆針布。蓋板外形狹長，截面呈T字形。蓋板工作面包覆針布，同錫林相互作用的各蓋板的進口隔距大，出口隔距小，使分梳作用逐漸增強。所有蓋板通過鏈條連結(jié)傳動，緩慢地自后向前回轉(zhuǎn)循環(huán)，輪流起分梳作用。錫林、刺輥、蓋板、道夫和剝棉羅拉表面包覆的針布或鋸條的種類、針齒的密度和角度，以及針面之間的隔距則根據(jù)工藝要求決定。

1.2 自調(diào)勻整裝置現(xiàn)狀

目前，自調(diào)勻整裝置有兩個發(fā)展方向，一是并條機自調(diào)勻整裝置，二是梳棉機自調(diào)勻整裝置。隨著高速并條機的發(fā)展，前羅拉的表面速度可達400 m/min以上。從控制原理和機械響應(yīng)角度看，在這樣高速下的頻繁變速，機件振動必然很大，傳動件磨損加重，使用壽命降低，因此，并條機自調(diào)勻整裝置很難達到設(shè)定的目標(biāo)。而梳棉機的給棉羅拉表面速度僅每分鐘幾米，所以梳棉機自調(diào)勻整裝置的控制效果要優(yōu)于并條機自調(diào)勻整裝置。

2 自調(diào)勻整控制系統(tǒng)分析

常見的自調(diào)勻整裝置控制形式有3種：開環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)及混合環(huán)系統(tǒng)[2]。

2.1 梳棉機控制系統(tǒng)模型分析

梳棉機單位時間喂入纖維質(zhì)量（g/s）用qin表示，梳棉機單位時間輸出纖維質(zhì)量（g/s）用qout表示，Q為錫林-蓋板工作區(qū)內(nèi)的纖維量（g）。當(dāng)α=1-η1（η1為刺棍落棉率）和β=1-η2（η2為蓋板落棉率）時，單位時間輸入與輸出纖維量之差等于Q的變化，即：

2.2 開環(huán)式自調(diào)勻整系統(tǒng)分析

開環(huán)自調(diào)勻整系統(tǒng)檢測梳棉機給棉羅拉處棉層厚度，根據(jù)棉層厚度調(diào)整給棉羅拉給棉速度。通過改變牽伸倍數(shù)實現(xiàn)輸出棉條的定量調(diào)節(jié)[3]。圖2為開環(huán)勻整控制系統(tǒng)原理[4]，由于系統(tǒng)是先檢測后勻整，加之檢測點與控制點距離較近，所以僅適用于短片段勻整控制。

此控制系統(tǒng)為使梳棉機單位時間內(nèi)纖維輸入和輸出量相等，在保證輸入量總量恒定的前提下，根據(jù)輸入棉層質(zhì)量（厚度）的變化控制其輸入速度，原理如式（7）：

由式（8）可知，開環(huán)控制系統(tǒng)為雙曲線控制，屬于非線性系統(tǒng)。采用Xin（t）代替gin（t），兩者之間存在一定函數(shù)關(guān)系，非線性誤差會引起總流量計算誤差，繼而使gout（t）發(fā)生變化，所以非線性是開環(huán)控制最大弊端。

本控制方案可以對喂入棉層的波動進行無滯后的控制，由于沒有對輸出棉條進行檢測，無法對系統(tǒng)內(nèi)所有的擾動進行校正，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致輸出棉條的質(zhì)量偏差較大，影響控制質(zhì)量。目前，單純的開環(huán)式自調(diào)勻整裝置已很少應(yīng)用。

2.3 閉環(huán)式自調(diào)勻整系統(tǒng)分析

閉環(huán)自調(diào)勻整系統(tǒng)檢測輸出棉條的質(zhì)量，再根據(jù)輸出棉條的質(zhì)量調(diào)整給棉羅拉速度。圖3為閉環(huán)勻整控制系統(tǒng)原理，由于系統(tǒng)是先勻整后檢測，加之檢測點與控制點距離較大，所以適用于長片段勻整控制。

閉環(huán)控制由于具有反饋回路，所以可以很好地解決系統(tǒng)靜態(tài)偏差。但是，由于閉環(huán)控制系統(tǒng)中監(jiān)測點與控制點較遠(yuǎn)，控制系統(tǒng)存在滯后性，即使優(yōu)化控制參數(shù)，也無法完全消除滯后影響。

從勻整控制點到監(jiān)測點之間的距離稱為勻整死區(qū)，所需時間稱為勻整死時[2]。由于勻整死區(qū)的存在，對長片段不勻控制系統(tǒng)而言，采用單純的閉環(huán)控制效果較好，而對于小于死區(qū)長度的短片段控制效果較差。由于閉環(huán)控制系統(tǒng)可以抑制參數(shù)變化及環(huán)境干擾影響，穩(wěn)定性較好，所以仍得到廣泛使用。

2.4 混合環(huán)自調(diào)勻整系統(tǒng)分析

混合環(huán)自調(diào)勻整系統(tǒng)是開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)相結(jié)合的勻整系統(tǒng)，此系統(tǒng)既能保持勻整效果，又能自動修正外界波動帶來的系統(tǒng)偏差，從而提高勻整效果。它不僅能勻整中、短片段不勻，也能勻整長片段不勻，現(xiàn)在已成為新型梳棉機最常用控制裝置。

混合環(huán)自調(diào)勻整系統(tǒng)多采用“兩檢兩控”控制方式，系統(tǒng)原理如圖4所示。此方式在給棉羅拉和棉條出口兩處進行檢測并控制給棉羅拉的速度和道夫的速度。增加了機前短閉環(huán)控制點，進一步降低了勻整死區(qū)并提高了響應(yīng)速度，實現(xiàn)了棉條短、中、長片段自調(diào)勻整，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。

式中：Vb為閉環(huán)控制計算給棉電動機控制電壓;Vk為開環(huán)控制計算給棉電動機變頻器控制電壓;V為給棉電動機變頻器控制電壓;k為分配系數(shù)，k=0～1。

根據(jù)控制要求和實際情況，可以對分配系數(shù)k進行自由選擇，如FT021型自調(diào)勻整裝置上k取0.8，在FT025型自調(diào)勻整裝置上k取0.6[2]?；旌檄h(huán)自調(diào)勻整系統(tǒng)的應(yīng)用，使清梳聯(lián)棉條的質(zhì)量得到控制。

2.5 智能自調(diào)勻整系統(tǒng)控制系統(tǒng)構(gòu)成

“互聯(lián)網(wǎng)+”構(gòu)成的遠(yuǎn)程可視化智能管理結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

為實現(xiàn)企業(yè)的智能化控制管理要求，首先要將控制系統(tǒng)硬件組建在一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，因此PLC和變頻器等控制設(shè)備必須具備網(wǎng)絡(luò)通訊接口，不同廠家的控制設(shè)備不同，所選用的軟件系統(tǒng)也有所不同。本系統(tǒng)選用的硬件設(shè)備為羅克韋爾Micro850系列PLC及PowerFlex525變頻器。PLC、變頻器及工控機通過以太網(wǎng)口接入路由器，組成一個局域網(wǎng)。這樣生產(chǎn)現(xiàn)場的所有生產(chǎn)信息及控制信號便可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，管理者通過手機APP訪問工控機，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控操作，從而實現(xiàn)“企業(yè)互聯(lián)”。

在網(wǎng)絡(luò)地址分配過程中需要注意，所有的控制設(shè)備地址不能重疊，必須在同一個網(wǎng)段中。以圖4為例，硬件設(shè)備的具體分配地址如下：路由器的IP地址為192.168.1.1;PLC的IP地址為192.168.1.12;變頻器的IP地址為192.168.1.13（第一臺），192.168.1.23（第二臺）;工控機的IP地址為192.168.1.14。其中變頻器的具體參數(shù)如表1所示。

3 模糊自適應(yīng)PID控制算法設(shè)計

3.1 自調(diào)勻整控制算法分析

在生產(chǎn)過程中，由于棉條線密度實時變化及輸出檢測點與勻整點之間的時間延遲原因，自調(diào)勻整控制系統(tǒng)可以看作大延遲、強擾動的定值（輸出棉條線密度為一定值）控制系統(tǒng)[6]。傳統(tǒng)PID控制算法對這種隨機性、大滯后的系統(tǒng)控制效果較差。經(jīng)典控制理論中對控制模型依賴性加大，梳棉系統(tǒng)生產(chǎn)對象的變化存在不確定性，如棉纖品種、長短不均、直徑距離等參數(shù)的變化都會造成模型失真，所以需要引入自適應(yīng)控制系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)PID對時變性、非線性控制效果不佳的問題。文獻[6]提出運用專家控制、智能分段PID，控制原理如圖6所示。此方案專家知識庫的建立較為復(fù)雜，因為采用單片機作為核心控制器，抗干性相對較差，程序采用的是中斷控制，雖然能提高響應(yīng)速度，但精確度不夠。

傳統(tǒng)PID傳遞函數(shù)如式（13）所示。其單位階躍響應(yīng)曲線如圖7所示[7]。

在PID調(diào)節(jié)過程中需要注意：比例參數(shù)的設(shè)定值需要合適，數(shù)值過小偏差問題不能及時響應(yīng)，較大則會產(chǎn)生超調(diào)，使系統(tǒng)更加不穩(wěn)定。 積分時間太小，速度越快，但可能會引起超調(diào)。參數(shù)設(shè)置過大，會降低系統(tǒng)響應(yīng)速度，使調(diào)節(jié)時間變長。圖8為PID控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中系統(tǒng)變化曲線[8]。

3.2 模糊自適應(yīng)PID算法設(shè)計

PID控制與模糊控制理論相集合，能解決傳統(tǒng)PID控制器不能在線參數(shù)整定及對模型依賴較大的問題。模糊自適應(yīng)PID控制運用模糊推理，把計算機中知識庫存入的知識（用模糊集表示的規(guī)則條件及操作信息）進行響應(yīng)分析，從而實現(xiàn)PID參數(shù)的自動優(yōu)化調(diào)整。

自適應(yīng)模糊PID控制器根據(jù)模糊控制規(guī)則可以對PID參數(shù)進行在線修改，其結(jié)構(gòu)框如圖9所示[9]。為實現(xiàn)不同在線自整定的要求，控制器以誤差e和誤差變化ec作為輸入。

根據(jù)各參數(shù)模糊控制模型和模糊控制規(guī)則表，合成推理設(shè)計PID參數(shù)模糊矩陣表，與查出的修正參數(shù)代入式（14）-式（16），從而實現(xiàn)PID參數(shù)的自適應(yīng)校正，具體控制流程如圖11所示[9]。

模糊自適應(yīng)PID對時變性及大滯后性的被控對象單位階躍響應(yīng)如圖12所示。在線實時運行中，控制系統(tǒng)運用模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運算，實現(xiàn)PID參數(shù)的在線自校正。

從仿真設(shè)計過程分析，自適應(yīng)校正過程的關(guān)鍵是建立誤差e和誤差變化率ec與PID參數(shù)模糊子集的隸屬度及各參數(shù)模糊控制模型。對比圖7與圖12的單位階躍仿真曲線，傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)響應(yīng)時間長，波動大;而模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)響應(yīng)時間短，速度快、波動小，系統(tǒng)穩(wěn)定程度高。模糊自適應(yīng)PID控制策略取代傳統(tǒng)PID的控制方法勢在必行，智能控制技術(shù)在解決時變性，非線性及大滯后的系統(tǒng)具有更可靠的穩(wěn)定性，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié)果與分析

4.1 仿真結(jié)果分析

由式（7）可知，梳棉機的傳遞函數(shù)為帶滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。根據(jù)文獻[10]提出選取一個均值模擬喂入棉量的隨機變化量，波動變化范圍為±20%以內(nèi)，如圖12所示。設(shè)定棉條標(biāo)準(zhǔn)值為2.80 mm，對混合環(huán)勻整控制系統(tǒng)進行試驗，仿真曲線如圖16所示，根據(jù)圖形分析得，數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)顯示，模糊自適應(yīng)控制的上升時間、超調(diào)量及調(diào)節(jié)時間明顯優(yōu)于普通PID控制。系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定可靠。

棉層經(jīng)梳棉機的梳理、牽伸及轉(zhuǎn)移后輸出棉條，根據(jù)開環(huán)控制方式的傳遞函數(shù)，建立仿真模型，得到圖13的仿真曲線數(shù)據(jù)，均值為2.854，方差為0.18，則輸出值得波動系數(shù)為6.4%。根據(jù)閉環(huán)控制方式的傳遞函數(shù)，建立仿真模型，得到圖14的仿真曲線數(shù)據(jù)，均值為2.811，方差為0.12，則輸出值得波動系數(shù)為4.3%。根據(jù)混合環(huán)控制方式的傳遞函數(shù)，建立仿真模型，得到圖15的仿真曲線數(shù)據(jù)，均值為2.796，方差為0.06，則輸出值得波動系數(shù)為2.3%。

通過對比分析3種自調(diào)勻整仿真曲線，結(jié)合圖16的PID試驗仿真曲線對比，得到運用混合環(huán)控制方式優(yōu)于其他控制方式，運用模糊自適應(yīng)PID可以得到平滑曲線，控制效果較為理想。

4.2 測試數(shù)據(jù)分析

FA224型梳棉機運用智能自勻整控制系統(tǒng)進行系統(tǒng)測試。FA224型梳棉機主要工藝參數(shù)為[11]：生條定量20.50 g/5 m，出條速度130 m/min，生產(chǎn)普梳棉14.6、18.5 tex 集聚紡品種。對CJ14.6 tex連續(xù)一周進行跟蹤測試，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3的數(shù)據(jù)可以看出5 m片段平均不勻CV<1.90%，25 m片段平均不勻CV<1.23%，100長片段平均不勻CV<1.00%，生產(chǎn)合格率>98%。

5 結(jié) 語

對梳棉機自調(diào)勻整控制系統(tǒng)進行智能化的開發(fā)設(shè)計，將先進的控制理論應(yīng)用到控制系統(tǒng)中，解決原有系統(tǒng)控制精度不高，響應(yīng)時間過慢等問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前，智能控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用，其正逐步取代人工操作，本系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)不但降低了人為因素帶來的系統(tǒng)誤差，同時可有效降低企業(yè)勞動力成本。文中提出“互聯(lián)網(wǎng)+”智能控制，符合企業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展方向，系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時交換與互聯(lián)，被控參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)管，極大地提高了企業(yè)生產(chǎn)效率和辦公效率。智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)符合國家2025的發(fā)展戰(zhàn)略，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供路徑。

參考文獻：

[1] 中國制造2025.國務(wù)院關(guān)于印發(fā)《中國制造2025》的通知[EB/OL].[2015-05-19].http：//www.miit.gov.cn/n973401/n1234620/n1234622/index.html.

[2] 呂漢明.紡織機電一體化[M].北京：中國紡織出版社，2016：112-113.

[3] 張圣忠.梳棉自調(diào)勻整裝置在紡紗質(zhì)量控制中的作用[J].棉紡織技術(shù)，2017（1）：8-9.

[4] 李新龍.數(shù)字式梳棉機自調(diào)勻整控制系統(tǒng)開發(fā)[J].紡織學(xué)報，2015（8）：139-140.

[5] 劉興鵬，王正彥.梳棉機自調(diào)勻整控制建模與仿真研究[J].青島大學(xué)學(xué)報（工程技術(shù)版），2014（6）：81-82.

[6] 從順章.梳棉機智能型自調(diào)勻整裝置低層控制系統(tǒng)的研究[J].紡織機械，2007（3）：27-30.

[7] 徐燕成.基于Cortex-M3的梳棉機自調(diào)勻整控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].青島：青島大學(xué)，2011：6-10.

[8] 姜磊.卷染機的自動控制系統(tǒng)改造設(shè)計[J].紡織學(xué)報，2015（3）：129-130.

[9] 姜磊.基于模糊自適應(yīng)PID的防喘振控制系統(tǒng)研究[J].機床與液壓，2009（2）：190-191.

[10] 徐燕成.梳棉機混合環(huán)自調(diào)勻整系統(tǒng)的PID控制與仿真[J].工業(yè)控制計算機，2014（2）：87-88.

[11] 盛慶石.FA224型梳棉機錫刺比優(yōu)化試驗[J].棉紡織技術(shù)，2018（2）：80.