基于模型預(yù)測的經(jīng)編送經(jīng)動(dòng)態(tài)張力補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭寶平，蔣高明，夏風(fēng)林，張愛軍

(江南大學(xué) 針織技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 無錫 214122)

送經(jīng)機(jī)構(gòu)是經(jīng)編機(jī)的重要組成部分，產(chǎn)品編織需要的紗線是由送經(jīng)機(jī)構(gòu)完成的。送經(jīng)機(jī)構(gòu)經(jīng)歷了消極式和積極式(其中積極式包括機(jī)械式和電子式)的發(fā)展過程。雖然紗線張力的控制能力隨著送經(jīng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展越來越精確,但是由于經(jīng)編機(jī)在高速運(yùn)動(dòng)過程中，梳櫛除了左右橫移運(yùn)動(dòng)，還進(jìn)行前后擺動(dòng)[1]，同時(shí)織針也在上下運(yùn)動(dòng)，沉降片在前后擺動(dòng)，在編織1個(gè)橫列的不同主軸角度區(qū)域，成圈部件需要的紗線量不同[2]。目前國內(nèi)外的電子送經(jīng)機(jī)構(gòu)還無法控制在1個(gè)橫列過程中改變紗線的送經(jīng)量，1個(gè)橫列內(nèi)紗線張力變化也只是通過彈性張力桿進(jìn)行部分緩沖[3]，但實(shí)際生產(chǎn)過程中，紗線還是存在張力峰值，并不能解決1個(gè)橫列內(nèi)紗線張力大幅波動(dòng)的問題。

張力峰值的存在不僅限制了經(jīng)編機(jī)速度的提升和低強(qiáng)度紗線(如短纖紗)的廣泛應(yīng)用，還降低了產(chǎn)品的品質(zhì),因此，對經(jīng)編機(jī)紗線張力控制的研究具有重要意義。孫帥等[4-5]測試了經(jīng)編機(jī)不同編織速度下紗線張力的波動(dòng)變化，總結(jié)出編織速度與紗線張力的波動(dòng)規(guī)律；同時(shí)通過改變張力彈簧的彈性系數(shù)和安裝密度，分析紗線的張力值與張力彈簧的彈性系數(shù)、安裝密度的關(guān)系。Metzkes等[6]采用動(dòng)態(tài)建模和有限元分析經(jīng)紗從經(jīng)軸到成圈編織過程機(jī)械元件對紗線張力的影響，并進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。Liu等[7]通過建模理論計(jì)算1個(gè)橫列內(nèi)紗線的需求分布，分析紗線張力變化規(guī)律。胡瑜等[8]提出了用概率密度曲線和峰度、偏度來評價(jià)經(jīng)編紗線動(dòng)態(tài)張力的整體波動(dòng)情況?，F(xiàn)有紗線張力的研究主要從工藝參數(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面出發(fā)、計(jì)算及測試紗線張力變化規(guī)律，以分析為主，輔以部分機(jī)械元件的優(yōu)化。這些研究對理解紗線張力變化規(guī)律有一定的指導(dǎo)意義，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，機(jī)器的編織速度、工藝組織、穿紗規(guī)律以及原料種類等不確定因素都會(huì)實(shí)時(shí)影響紗線的動(dòng)態(tài)張力，并不能夠完全適用復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境。

本文提出了基于模型預(yù)測的經(jīng)編送經(jīng)動(dòng)態(tài)張力補(bǔ)償控制系統(tǒng)，并在成圈運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出張力調(diào)控機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)控制算法，對送經(jīng)張力值實(shí)時(shí)采集計(jì)算，從而達(dá)到高效實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制紗線張力目的。

1 紗線動(dòng)態(tài)張力補(bǔ)償系統(tǒng)控制原理

1.1 紗線張力變化規(guī)律

紗線張力變化主要受成圈機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響，成圈機(jī)構(gòu)由3個(gè)部分組成，織針、梳櫛及沉降片，經(jīng)編機(jī)在編織1個(gè)橫列過程中，在部分角度區(qū)域梳櫛帶著紗線高速前后擺動(dòng)和左右橫移運(yùn)動(dòng)，在擺動(dòng)和橫移運(yùn)動(dòng)過程中需要紗線消耗量在實(shí)時(shí)變化。

以積極式電子送經(jīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，經(jīng)編機(jī)在編織過程中，經(jīng)軸按照設(shè)置送經(jīng)量連續(xù)地向成圈機(jī)構(gòu)送紗，保證編織順利進(jìn)行。而設(shè)置的送經(jīng)量最小單位只能精確到1橫列，但是在實(shí)際成圈過程中，1個(gè)橫列內(nèi)不同角度區(qū)域紗線需求量也存在很大差異。對于送經(jīng)量的預(yù)測，Zhang等[9]通過對線圈結(jié)構(gòu)建模方法計(jì)算送經(jīng)量，分析影響送經(jīng)量參數(shù)規(guī)律，能夠獲得較精準(zhǔn)的送經(jīng)量。圖1示出采集到的主軸1個(gè)編織周期(360°)紗線張力波動(dòng)曲線(工藝組織：1-0/1-2//，機(jī)器速度1 200 r/min)?？煽闯觯谥鬏S140°～260°左右紗線張力波動(dòng)較大，容易導(dǎo)致編織過程中紗線斷裂，影響織物品質(zhì)。

圖1 主軸1個(gè)編織周期內(nèi)紗線張力波動(dòng)曲線

1.2 系統(tǒng)控制原理

為解決紗線張力波動(dòng)，設(shè)計(jì)了一套紗線動(dòng)態(tài)張力補(bǔ)償控制系統(tǒng)，控制原理如圖2所示。

圖2 紗線動(dòng)態(tài)張力補(bǔ)償系統(tǒng)控制原理

經(jīng)編機(jī)編織過程中，運(yùn)動(dòng)控制器通過張力傳感器實(shí)時(shí)采集紗線的張力值，得出1個(gè)橫列內(nèi)不同角度區(qū)域紗線張力變化值。運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)核為數(shù)字信號(hào)處理(DSP)器，內(nèi)置執(zhí)行調(diào)節(jié)控制(PID)調(diào)節(jié)器，結(jié)合設(shè)計(jì)的控制算法，能快速精準(zhǔn)計(jì)算出實(shí)際張力值與整個(gè)橫列平均張力值的偏差，進(jìn)而向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送偏差指令信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)正反運(yùn)轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)與動(dòng)態(tài)張力調(diào)控桿通過聯(lián)軸器連接，控制張力調(diào)控桿的松紗和緊紗動(dòng)作，以達(dá)到紗線動(dòng)態(tài)張力補(bǔ)償要求。在整個(gè)控制過程中，送經(jīng)經(jīng)軸的運(yùn)動(dòng)按照設(shè)置送經(jīng)量進(jìn)行送紗，不參與1個(gè)橫列內(nèi)紗線張力控制。

2 紗線動(dòng)態(tài)張力補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

若要保持紗線張力穩(wěn)定，系統(tǒng)需要在1個(gè)橫列內(nèi)不同角度區(qū)域?qū)崟r(shí)調(diào)整紗線松緊狀態(tài)，傳統(tǒng)送經(jīng)機(jī)構(gòu)為送經(jīng)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)經(jīng)軸進(jìn)行單向連續(xù)送紗，在實(shí)際編織過程中，由于盤頭質(zhì)量很大，按照每根經(jīng)軸10個(gè)盤頭，每個(gè)盤頭120 kg計(jì)算，傳動(dòng)負(fù)載質(zhì)量達(dá)到1.2 t，電動(dòng)機(jī)無法在短時(shí)間內(nèi)有效地控制大慣量經(jīng)軸快速啟停和加減速運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)實(shí)際情況，硬件系統(tǒng)采用雙電動(dòng)機(jī)控制方案，即通過2組電動(dòng)機(jī)同時(shí)協(xié)同控制，第1組電動(dòng)機(jī)按照傳統(tǒng)送經(jīng)機(jī)構(gòu)工作原理，進(jìn)行單向連續(xù)送經(jīng)，但送紗精度只能精確到1個(gè)橫列。第2組電動(dòng)機(jī)對第1組電動(dòng)機(jī)送出的紗線進(jìn)行微調(diào)分配，控制張力調(diào)控桿的上下運(yùn)動(dòng)，對1個(gè)橫列內(nèi)不同角度區(qū)域的紗線松緊進(jìn)行控制。

圖3示出張力補(bǔ)償系統(tǒng)紗線路徑圖。紗線從第1組電動(dòng)機(jī)控制的經(jīng)軸上退繞出來，經(jīng)導(dǎo)紗桿調(diào)整紗路方向，張力傳感器用于采集紗線的實(shí)時(shí)張力，安裝在導(dǎo)紗桿和分紗筘之間，可減緩機(jī)器開機(jī)過程由于振動(dòng)產(chǎn)生的擾動(dòng)，第2組電動(dòng)機(jī)控制的張力調(diào)控桿安裝在紗線進(jìn)導(dǎo)紗針前，有利于對紗線張力的快速調(diào)整。

圖3 動(dòng)態(tài)張力補(bǔ)償系統(tǒng)紗線路徑圖

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)控制模式優(yōu)化

在進(jìn)行編織之前，按照工藝組織計(jì)算出相應(yīng)的送經(jīng)量輸入系統(tǒng)，由第1組送經(jīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行送紗控制。第1組電動(dòng)機(jī)控制只是單向控制經(jīng)軸連續(xù)運(yùn)動(dòng)，不涉及快速啟停和正反加減速運(yùn)動(dòng)，對系統(tǒng)響應(yīng)要求較低，系統(tǒng)可采用位置控制模式，即運(yùn)動(dòng)控制器向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖指令，由伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

第2組電動(dòng)機(jī)直接控制張力調(diào)控桿的上下運(yùn)動(dòng)，其控制紗線張力原理為放紗和儲(chǔ)紗，當(dāng)張力調(diào)控桿向上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)在第1組電動(dòng)機(jī)送紗基礎(chǔ)上儲(chǔ)存部分紗線，減小向成圈機(jī)構(gòu)輸紗量，當(dāng)張力調(diào)控桿向下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)將釋放部分儲(chǔ)存紗線，增加向成圈機(jī)構(gòu)輸紗量，以保證紗線張力均衡。

張力調(diào)控桿的上下運(yùn)動(dòng)是根據(jù)張力傳感器采集到的張力值進(jìn)行運(yùn)算調(diào)控，因此，在主軸1個(gè)周期內(nèi)，系統(tǒng)需要采集到紗線的張力，并進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，控制張力調(diào)控桿快速加減速運(yùn)動(dòng)，對系統(tǒng)響應(yīng)要求高。另外，張力調(diào)控桿直接與紗線接觸，在高速運(yùn)動(dòng)過程中，要確保張力均衡，需要使張力調(diào)控桿持續(xù)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，不能出現(xiàn)抖動(dòng)和階躍震蕩。

通過對系統(tǒng)優(yōu)化，采用速度控制模式，可達(dá)到高動(dòng)態(tài)柔性運(yùn)動(dòng)的目的[10]，即運(yùn)動(dòng)控制器對位置環(huán)進(jìn)行調(diào)控，規(guī)劃出柔性速度曲線，改善系統(tǒng)的階躍震蕩，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

2.2.2 控制系統(tǒng)上位程序設(shè)計(jì)

在對控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中，主要分為前臺(tái)程序和后臺(tái)程序，前臺(tái)程序主要是進(jìn)行人機(jī)交互，后臺(tái)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)快速處理和運(yùn)算。圖4示出送經(jīng)動(dòng)態(tài)張力補(bǔ)償控制系統(tǒng)上位人機(jī)交互信息圖。

圖4 送經(jīng)動(dòng)態(tài)張力補(bǔ)償控制系統(tǒng)上位人機(jī)交互界面

由圖可知，通過前臺(tái)程序設(shè)計(jì)，可對張力傳感器張力偏差進(jìn)行校正，并獲取各軸實(shí)時(shí)張力值和實(shí)時(shí)反饋電壓，更加直觀評估張力控制性能?？娠@示運(yùn)動(dòng)控制器計(jì)算出的每把梳櫛1個(gè)橫列內(nèi)平均紗線張力值。同時(shí)亦可手動(dòng)調(diào)整張力調(diào)控桿所處位置，以調(diào)整紗路角度，使實(shí)際操作更加靈活。后臺(tái)程序主要是對采集到紗線實(shí)時(shí)張力信息進(jìn)行處理和運(yùn)算，為了能進(jìn)行實(shí)時(shí)快速運(yùn)算，對程序設(shè)計(jì)時(shí)采用了單獨(dú)線程控制，另外開辟的線程可進(jìn)行快速響應(yīng)運(yùn)算，同時(shí)可避免因大量數(shù)據(jù)運(yùn)算導(dǎo)致程序卡頓現(xiàn)象。

2.3 張力傳感器優(yōu)化選型

張力傳感器是恒張力控制系統(tǒng)重要組成部分，紗線張力檢測水平的高低對織造產(chǎn)品質(zhì)量起決定性作用，直接決定產(chǎn)品的等級。傳感器要在極短的時(shí)間內(nèi)完成處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的紗線的張力數(shù)據(jù)采集，并將相應(yīng)采集數(shù)據(jù)傳送給控制系統(tǒng)完成紗線恒張力控制，傳感器必須要具備很好的頻率響應(yīng)和極快的數(shù)據(jù)處理速率。對張力傳感器精確選型及應(yīng)用需要綜合考慮傳感器的各項(xiàng)指標(biāo)，包括線性度、靈敏度、零點(diǎn)漂移及溫漂等[11]。

1)線性度。線性度是指實(shí)際數(shù)據(jù)與最小二乘法擬合直線之間最大差值與滿刻度輸出值的百分比(ξ)：

式中：ΔTmax為實(shí)際數(shù)據(jù)與擬合直線之間的最大差值，N；Tf為張力傳感器滿刻度輸出，N。

一般非線性誤差都是通過擬合直線計(jì)算而得，因此，即使針對同一傳感器在相同外界環(huán)境下所做的校準(zhǔn)測試，得出的線性度也不一定完全相同。

2)靈敏度。靈敏度是指在一定的外界條件下，設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，輸出電壓變化ΔU與張力變化ΔF比值(i)：

3)零點(diǎn)漂移。即使傳感器在不受紗線作用時(shí)，因?yàn)槭艿酵饨绛h(huán)境的噪聲干擾也會(huì)發(fā)生輸入信號(hào)變化，稱為零點(diǎn)漂移(δ)：

式中,ΔT0為張力傳感器最大零點(diǎn)偏差，N。

4)溫漂。當(dāng)張力傳感器受到溫度噪聲影響時(shí)，傳感器的輸出變化值為溫漂τ,計(jì)算公式為

式中：Δpmax為受溫度影響輸出最大偏差，N；Δt為溫度變化范圍，℃。

張力傳感器測量范圍的選型亦至關(guān)重要，一般張力傳感器量程越大，其測量精度會(huì)相應(yīng)降低，因此，要合理選擇量程。通過對張力傳感器各項(xiàng)指標(biāo)和實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行了綜合考慮，最終確定了其JZHL-0-1 N，張力檢測范圍為0～1 N。

本文使用張力傳感器由3個(gè)滾輪組成，每個(gè)滾輪材質(zhì)為陶瓷，左右兩個(gè)滾輪為導(dǎo)向輪，中間的滾輪為檢測張力，采集數(shù)據(jù)時(shí)穩(wěn)定性好。

為使測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，測量紗線張力之前需要對張力傳感器進(jìn)行輸出標(biāo)定及非線性誤差校驗(yàn)。表1所示為所選張力傳感器標(biāo)定及精度指標(biāo)。具體標(biāo)定步驟如下。

表1 張力傳感器標(biāo)定及精度指標(biāo)

1)安裝好張力傳感器，使其在自由狀態(tài)測量輸出電壓，該電壓為零位標(biāo)定(1.68 V)。

2)在張力傳感器測量滾輪上依次放置不同質(zhì)量規(guī)格砝碼，依次記錄輸出電壓值，電壓值精確到0.01 V，測量誤差不超過0.22%，測量精度高。

3)將輸出電壓值與零位標(biāo)定電壓做差值，并與砝碼質(zhì)量(m)做比值，以檢測張力傳感器非線性誤差。由表中數(shù)據(jù)可知，該張力傳感器非線性誤差最大不超過0.9%，具有很好的測量線性，保證了測量數(shù)據(jù)的可靠性。

3 控制算法設(shè)計(jì)

3.1 電子凸輪算法設(shè)計(jì)

在動(dòng)態(tài)張力控制系統(tǒng)中，對張力調(diào)控桿的控制屬于復(fù)雜的主從耦合控制，在經(jīng)編機(jī)編織過程中，主軸位置通過外部編碼器(增量值編碼器)實(shí)時(shí)采集，從軸(張力調(diào)控桿)根據(jù)主軸反饋的脈沖位置按照一定的規(guī)劃曲線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，電子凸輪的設(shè)計(jì)即是對張力調(diào)控桿運(yùn)動(dòng)規(guī)劃曲線的設(shè)計(jì)[12]。電子凸輪設(shè)計(jì)的基本原則是在1個(gè)橫列循環(huán)周期中張力調(diào)控桿轉(zhuǎn)動(dòng)的位置、速度、加速度必須平滑過渡，不引起電動(dòng)機(jī)抖動(dòng)，以確保紗線張力不產(chǎn)生二次波動(dòng)。

通過對多種規(guī)劃曲線的應(yīng)用與分析，得出下式所示的五次多項(xiàng)式具有很好的平滑過渡性[13]

θ(t)=a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5

式中：θ(t)為電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的角位移，rad；a0，a1，a2，a3，a4，a5為常數(shù)；t為電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)間,ms。其角位移、角速度、角加速度曲線都沒有階躍震蕩，且該規(guī)劃曲線計(jì)算復(fù)雜度不高，有利于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的提高,如圖5所示。

圖5 五次多項(xiàng)式角位移、角速度、角加速度規(guī)劃曲線

3.2 模型預(yù)測控制算法設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)張力補(bǔ)償控制系統(tǒng)的核心為運(yùn)動(dòng)控制算法的設(shè)計(jì)，算法的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的性能。

3.2.1 預(yù)測模型的建立

經(jīng)編機(jī)編織過程中，第1組經(jīng)軸電動(dòng)機(jī)按照設(shè)置的送經(jīng)量在勻速運(yùn)動(dòng)，相對于每個(gè)橫列，紗線張力變化規(guī)律基本一致，因此，在建立張力預(yù)測模型時(shí)，只需要考慮1個(gè)周期內(nèi)紗線張力的變化規(guī)律。

式中：V為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；經(jīng)編機(jī)編織1個(gè)橫列周期為T，ms。

張力傳感器在經(jīng)編機(jī)編織1個(gè)橫列內(nèi)采樣次數(shù)(n)為

式中,τ為張力傳感器采樣周期，ms。

通過張力傳感器，采集到1個(gè)橫列內(nèi)不同角度區(qū)域的張力值fi。在1個(gè)編織橫列內(nèi)，紗線張力平均值fm為

得出每個(gè)采樣點(diǎn)的張力差值Δfi為

Δfi=fi-fm

通過量綱轉(zhuǎn)換，將張力差值轉(zhuǎn)換為張力調(diào)控桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度Δθi(°)：

Δfi→Δθi

式中：當(dāng)Δθi為正，表示張力調(diào)控桿電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，張力調(diào)控桿為松紗過程；當(dāng)Δθi為負(fù)，表示張力調(diào)控桿電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，張力調(diào)控桿為緊紗過程。

3.2.2 運(yùn)動(dòng)控制算法的實(shí)現(xiàn)

通過上述建立的預(yù)測模型，得到了1個(gè)橫列不同角度區(qū)域張力調(diào)控桿應(yīng)處的位置θi：

θi=θm+Δθi

式中,θm為張力調(diào)控桿擺動(dòng)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)處的中間位置。

將位置信息對應(yīng)主軸角度寫入運(yùn)動(dòng)控制卡緩存中，運(yùn)動(dòng)控制卡具有快速運(yùn)算和處理能力，運(yùn)算周期為125 μs。

采用速度控制模式，運(yùn)動(dòng)控制卡將緩存的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成位置環(huán)運(yùn)算，并以五次多項(xiàng)式速度規(guī)劃曲線方式向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送速度指令，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，完成紗線恒張力系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制。

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，張力傳感器仍在實(shí)時(shí)反饋紗線張力值，上位機(jī)程序?qū)⒉杉膹埩χ祵?shí)時(shí)更新顯示于電腦人機(jī)界面，方便實(shí)時(shí)監(jiān)測，防止異常原因產(chǎn)生的張力變化，同時(shí)后臺(tái)程序也在實(shí)時(shí)運(yùn)用采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行張力偏差優(yōu)化。

4 系統(tǒng)性能測試與分析

通過對基于模型預(yù)測的送經(jīng)動(dòng)態(tài)張力補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從理論上分析了符合紗線動(dòng)態(tài)張力補(bǔ)償控制的要求[14]，為了驗(yàn)證該創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)在控制算法上的優(yōu)越性，對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，通過對編織過程中采集到的紗線動(dòng)態(tài)張力曲線對比分析得出系統(tǒng)的控制性能。

4.1 紗線動(dòng)態(tài)張力系統(tǒng)測試

4.1.1 測試平臺(tái)搭建及測試原理

測試平臺(tái)硬件組成及系統(tǒng)功能如表2所示。

表2 測試平臺(tái)硬件名稱及功能

將表2中硬件結(jié)構(gòu)按照各自工作性能進(jìn)行連接，搭建好測試平臺(tái)。

本文測試的目的是展示該控制系統(tǒng)對紗線張力值控制的優(yōu)化程度，在相同硬件條件下，分別測試使用張力補(bǔ)償系統(tǒng)和不使用張力補(bǔ)償系統(tǒng)情況下紗線張力變化狀態(tài)，并分析對于實(shí)際編織過程的性能影響。

4.1.2 測試內(nèi)容與步驟

經(jīng)編機(jī)編織過程中，由于成圈機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律導(dǎo)致不同角度區(qū)域消耗紗線量不同，同時(shí)由于經(jīng)軸恒速送經(jīng)的特點(diǎn)，以致紗線張力值會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)波動(dòng)，因此，可對采集到的張力值信號(hào)進(jìn)行分析。

1)準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)所需硬件，配置好運(yùn)動(dòng)控制卡與伺服驅(qū)動(dòng)參數(shù)，并安裝好數(shù)據(jù)采集軟件，搭建好測試平臺(tái)，編織墊紗數(shù)碼為1-0/1-2//。

2)將張力傳感器安裝到送紗路徑中，張力傳感器采集紗線張力具有方向性，需按照張力輪受力標(biāo)注方向墊入紗線。

3)在傳統(tǒng)送經(jīng)控制系統(tǒng)狀態(tài)下，測出紗線張力變化曲線，同時(shí)將張力值變化規(guī)律按照模型預(yù)測控制算法進(jìn)行計(jì)算，得出控制參數(shù)。

4)在上位機(jī)程序界面設(shè)置好所需參數(shù)，將計(jì)算出的控制參數(shù)載入運(yùn)動(dòng)控制器中，運(yùn)動(dòng)控制器以五次多項(xiàng)式速度曲線向伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令。

5)對采集的張力值進(jìn)行對比分析，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

4.2 系統(tǒng)性能分析

控制系統(tǒng)最主要過程為對紗線張力值的采集，數(shù)據(jù)的處理與分析。紗線張力采集由張力傳感器實(shí)現(xiàn)，而數(shù)據(jù)處理與分析采用了比利時(shí)LMS公司研發(fā)的LMS SCADAS Mobile SCM01型采集前端和LMS Test.lab分析軟件通過硬件與軟件的相互配合，可實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)采集、在線分析及信號(hào)處理等功能，確保數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性與精確性。

表3示出不同轉(zhuǎn)速下無動(dòng)態(tài)張力補(bǔ)償和有動(dòng)態(tài)張力補(bǔ)償紗線張力峰值對比情況。由此可知，有張力補(bǔ)償張力峰值比無張力補(bǔ)償峰值降低56%以上，紗線整體張力值趨于平穩(wěn)，有利于減少紗線編織過程的損傷，減少斷紗率，提高織物的品質(zhì)。

表3 不同轉(zhuǎn)速無動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償紗線張力峰值對比

在不同轉(zhuǎn)速情況下可看出，傳統(tǒng)單經(jīng)軸控制方式(無動(dòng)態(tài)張力補(bǔ)償)紗線張力波動(dòng)大，有動(dòng)態(tài)張力補(bǔ)償控制方式紗線張力波動(dòng)明顯相對較平穩(wěn)，如圖6所示。

圖6 不同主軸轉(zhuǎn)速下紗線張力值曲線

5 結(jié) 論

采用模型預(yù)測控制算法對經(jīng)編機(jī)紗線動(dòng)態(tài)張力控制已得到成功應(yīng)用，且提高了經(jīng)編機(jī)生產(chǎn)過程中紗線編織性能，編織穩(wěn)定性好，織物品質(zhì)得到提高。在編織低強(qiáng)度的短纖紗(棉)過程中可使經(jīng)編機(jī)編織速度大幅提高，很大程度上提高了織造的生產(chǎn)效率。

1)通過對系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，成功搭建了控制系統(tǒng)平臺(tái)，并優(yōu)化了系統(tǒng)控制模式，通過分析紗線張力要求，選擇最優(yōu)張力傳感器型號(hào)。

2)采用了五次多項(xiàng)式速度規(guī)劃曲線，實(shí)現(xiàn)電子凸輪算法設(shè)計(jì)，使張力調(diào)控桿運(yùn)動(dòng)平滑穩(wěn)定，不出現(xiàn)階躍震蕩。

3)通過對模型預(yù)測控制算法設(shè)計(jì)，計(jì)算出紗線動(dòng)態(tài)編織過程中張力變化值，并在運(yùn)動(dòng)控制器中得以實(shí)現(xiàn)，使紗線張力峰值降低了至少56%以上，動(dòng)態(tài)張力補(bǔ)償系統(tǒng)紗線張力波動(dòng)較平穩(wěn)。

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