基于OPC和增量式PID控制的地毯簇绒机优化设计

基于OPC和增量式PID控制的地毯簇绒机优化设计
师鑫;苏柳元;徐洋;刘艾琳;孙以泽
【摘要】介绍OPC技术和步进电动机速度控制在地毯簇绒机优化设计中的应用,实现基于OPC技术和步进电动机的地毯簇绒机绒圈织造性能优化.采用OPC技术传递地毯簇绒机绒圈高控制信息,以步进电动机驱动控制为核心,运用增量式PID控制方式控制步进电动机的速度,进而控制提花轮送纱量的准确性,以此提高簇绒机簇绒成圈稳定性和绒圈圈高精度.仿真结果表明,地毯簇绒机中步进电动机增量式PID 速度控制算法的运用在整个簇绒地毯机提花系统中有明显优化作用,具有实际意义.【期刊名称】《毛纺科技》
【年(卷),期】2016(044)009
【总页数】5页(P51-55)
【关键词】地毯簇绒机;绒圈织造;OPC;增量式PID算法;步进电动机
【作者】师鑫;苏柳元;徐洋;刘艾琳;孙以泽
【作者单位】东华大学机械工程学院,上海201620;东华大学机械工程学院,上海201620;东华大学机械工程学院,上海201620;东华大学机械工程学院,上海201620;东华大学机械工程学院,上海201620
【正文语种】中文
【中图分类】TS103.336.3
织造大型复杂花型地毯是地毯织机的发展趋势，国内自主开发的多圈高簇绒地毯织机系列成套装备，可织造大型的复杂花型[1]。

随着企业提出的高效率和高织造精
度要求，在机械结构难以优化的前提下，地毯簇绒机控制系统必须随之更新，达到较高的织造标准，提升数据传输效率，以满足需求。

地毯簇绒机能够在同一毯面上织造出多种圈高绒圈，最核心的是地毯簇绒机提花系统[2]。

提花系统工艺流程，由绒纱传输、纱线喂给、簇绒成圈3部分组成。

作为纱线喂给装置的提花轮，由步进电动机驱动。

绒圈成圈高低由纱线张力和提花轮转速决定，因此提花轮转速控制准确性和稳定性至关重要。

为满足不同圈高要求，运用增量式PID速度控制算法精准控制每个步进电动机转速，增加地毯簇绒机工作的高效性和准确性。

提花控制系统由基于.NET开发的上位机和PLC等控制设备组成，上位机对数据的管理主要针对大量的生产工艺参数传输，以及对生产工艺过程的控制。

上位机与下位机之间存在大量的数据交换需求，而采用OPC通讯技术可满足上位机与PLC大容量数据交互，提高传输效率，增强数据交互准确性。

地毯簇绒机机械部分主要包括主轴驱动系统和提花系统2大部分，花型织造依靠2大系统良好的协同完成。

地毯簇绒的基本原理是：通过主轴驱动系统驱动簇绒针上下往复运动，将绒纱线植入底布上，同时往复运动的成圈钩准确协作配合，在底布的背面织出绒圈。

地毯簇绒机生产工艺流程示意图见图1[3]。

由图1可以看出，在簇绒过程中，成圈钩“12”始终绕摇轴作摆动，簇绒针“7”作纵向植绒运动，将绒纱线植入地毯底布“10”，再通过成圈钩的摆动形成绒圈。

绒圈的高低控制是通过提花系统中步进电动机驱动控制图1中的提花轮“3”输送的纱量来实现的。

喂给装置由步进电动机和提花轮组成。

纱线喂给装置如图2所示。

步进电动机与提花轮之间由齿轮副紧密配合，步进电动机带动提花轮旋转，改变步进电动机的转速，继而改变提花轮的转速，转速大，喂纱量大，成圈高，转速小则相反。

从而，将张力影响高度计算在内后，改变纱线喂给量，生产出不同圈高的簇绒地毯。

地毯簇绒机控制系统如图3所示。

由电源、上位机、PLC、步进电动机系统(驱动
器和步进电动机)和提花装置组成。

一台簇绒机有几百根簇绒针。

上位机通过OPC 通讯技术，将圈高控制信息传递给PLC，PLC控制主轴电动机驱动和步进电动机
驱动提花轮运行。

提花控制系统中上位机的作用是将各种控制指令通过OPC发送给PLC。

OPC是OLE for Process Control 的缩写，即对象链接和嵌入技术应用于过程控制领域，它通过软件编程，来实现设备间通讯[4]。

OPC技术是工业软件中被广泛采用的数据交换协议，采用OPC技术，提高了大容量数据传输的效率，地毯簇绒机控制系统基于NET开发的全新的上位机，上位机与PLC的通讯采用OPC技术，及以太
网通讯接口，较串口通讯速率有较大提高，以太网口的速率为100 Mbps，而串
口的通讯速率最高只有几十kbps[5]，方便了系统参数在线读取，数据分析，对整个控制系统工作效率的提升起到重要作用。

由于步进电动机自身的特性，在实际运行过程中，如果转速过低会出现失步、振动等问题，会使提花轮在工作时出现相应抖动、送纱量不均匀、圈高高度不准确的问题[6]。

为了克服这些问题，需要精确控制步进电动机的速度，为此要对步进电动
机数学模型和控制算法进行研究。

该控制系统建立提花轮步进电动机的转速与送纱量的数学关系模型，该模型采用增量式PID算法控制提花轮转速，实施对提花轮
转速的控制，以达到送纱平稳、减少圈高不准确的目的。

根据实际送纱研究情况，步进电动机需要达到转矩2 N·m，转速90 r/min，根据
要求选用步进电动机的型号为24HD320D8，其性能参数如表1所示。

步进电动机涉及电气和机械2个部分，以这2部分建立数学模型，其中假设电气
部分的磁路不饱和且线性化，将其等效为具有混合式步进电动机拓扑特性的电路；机械部分由阻尼系数和惯性力矩的状态矢量模型来描述。

依据上述理论建立2相混合式步进电动机的数学模型。

考虑绕组电气部分的影响，步进电动机在工作时会产生反电动势，步进电动机绕组的反电动势与转子角速度、
转子产生的磁场和定子绕组的匝数有关，忽略匝数的影响，磁场的大小可以反映转子产生扭矩的大小，根据磁路的法拉第电磁感应定律得出混合式步进电动机A、B 相反电动势为
式中:Km为电动机转矩常数;θ为转子的机械角度;ω为转子角速度;Zr为每一个转
子级齿数。

绕组A、B的电阻和自感相同，忽略高次谐波，根据欧姆定律得出A、B相电压为：式中:R为A、B 2相电阻;L为A、B的自感;iA和iB分别为电动机2相电流;LM为电动机相绕组之间的互感分别为A、B相电流的变化率。

假设电动机转矩恒定，电动机转矩对于电动机内部表现为A、B相电磁转矩相加再减去电动机本身的定位转矩，即：
式中：Te为电动机转矩即电动机内部输出的转矩。

根据物理学公式得出电动机与负载之间的运动方程为：
式中:J为转动惯量;B为制动阻尼常量;TL为负载转矩。

将式(2)～(6)代入(7)，可得：
步进电动机的数学模型比较复杂，涉及参数众多，根据所需要研究的对象不同可以得到不同的传递函数[7]。

给步进电动机输入脉冲信号使其执行相应的工作，假设
希望步进电动机转过的角度θ1，但是它却转过了θ2，则可知步进电动机的传递函数为：
假设步进电动机单相励磁，无负载，由式(4)、(5)、(7)可得步进电动机运动方程为：假设转子达到平衡位置时，θ=0，转子由于惯性产生了细微的振荡，则：
因为单相励磁，所以电流不变，增量σθ=θ2-θ1，将式(10)线性化可得：
经过拉式变换可得：
由于系统响应的时间没有差别，式(12)可以作为步进电动机速度的传递函数[8]。

根据电动机参数计算其传递函数为：
图4为步进电动机速度响应图，是根据步进电动机转速要求进行实验所得出的速
度阶跃响应曲线。

从图4可以看出，提花轮电动机在运行过程中速度会出现波动，会使簇绒过程出现抖动等现象，影响圈高准确。

运用增量式PID控制算法对步进
电动机转速进行控制，可以克服上述问题。

图4中，B、D、F为90 r/min，C为110 r/min，E为80 r/min，G为95 r/min。

增量式PID控制的实质是：基于受控对象和控制规律的各种知识，无须知道被控
对象的精确模型，利用专家经验来设计PID参数。

增量式PID控制是一种直接型
专家控制器[9]。

令error(k)表示离散化的当前采样时刻的误差值，在这里所指的是转速的误差，即实际转速与期望转速的差值。

根据递推原理可得：
增量式PID控制算法:
式中：u(k)为第k次控制器输出；kp、ki、kd为PID控制器参数。

圈高控制要求转速值达到规定转速，响应过程平稳、快速，使簇绒过程更加平稳、高效，减少圈高不匀的情况。

采用增量式PID速度控制步进电动机，可以用来实
现这个目的。

进行增量式PID转速控制算法的实验，得出转速阶跃响应图[10-11]。

试验方法是先用常规的PID控制方法，进行步进电动机的实验，P、I、D的值根据所要求的
转矩为2 N·m及所要达到的转速为90 r/min，设kp=8、ki=0.10、kd=10。

运
用Matlab仿真软件进行算法的编写，将PID的参数输入，得到步进电动机转速
的跟踪响应曲线和跟踪误差曲线。

图5为增量式PID跟踪响应曲线图，图6为增
量式PID跟踪误差曲线图。

达到目标转速时间为0.2 s左右，转速能平稳地过渡到要求的转速，这之后不会出现波动，控制精确、高效。

由转速和送纱量的关系可以看出，使用增量式PID速度控制算法可以减少地毯簇
绒机在运行中出现步进电动机抖动、圈高不匀的现象，实现簇绒机簇绒成圈稳定性
优化，此控制方法是有效的。

在簇绒地毯生产中，簇绒成圈是一个重要环节，所以能够实现簇绒成圈稳定，圈高精准是今后的趋势。

把增量式PID步进电动机速度控制系统应用于地毯簇绒机上，为开发先进可行的、实用的、低成本的地毯织造装备奠定基础和提供相关技术支持，从而推动和促进精准簇绒装备技术的发展。

簇绒地毯机以PLC为控制核心，将步进电动机系统和簇绒机构结合，达到控制步
进电动机的速度实现多圈高簇绒的目的。

OPC通讯技术的运用，使圈高控制信息
传达准确高效，并使簇绒机构工作协同性提高，步进电动机的增量式PID速度控
制算法在这个系统中可以实现簇绒机簇绒工作的稳定性和准确性优化，是一种可行的控制方法。

从而在簇绒过程中提高质量，节约成本，仿真实验证明其可行性。

【相关文献】
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2014, 42(5):50-52.
[6] 张成俊, 左小艳, 张弛,等. 电脑提花圆纬机旋转位置检测研究[J]. 毛纺科技, 2013, 41(1):47-50.
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