梳棉机自调匀整控制建模与仿真研究_刘兴鹏

Ｖｏｌ．２９ Ｎｏ．２ Ｊｕｎ．２ ０ １ ４
梳棉机自调匀整控制建模与仿真研究
刘兴鹏，王正彦
（青岛大学自动化工程学院，山东 青岛 ２６６０７１）
摘要：为了找到更加适合梳棉机自调匀整 装 置 的 控 制 模 型 和 控 制 算 法，本 文 采 用 ＰＩＤ 控
制系统，依据梳棉机的具体工艺，并通过 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对开环控制模型、闭环控制模型和混合
１－喂棉罗拉；２－配有测定器的给棉板； ３－测量杠杆；４－位移传感器；
５－棉层变化量计算；６－控制器； ７－喂棉罗拉交流变频调速系统 图１ 梳棉机机后开环设计示意图
化 ，转 换 为 相 应 的 电 压 信 号 大 小 ，经 过 控 制 器 得 到 变 速 电 压 信 号 ，并 通 过 变 频 系 统 改 变 给 棉 电 机 转 速 ，达 到 匀
１ 梳棉机系统传递函数及 ＰＩＤ 控制
１．１ 传 递 函 数
要 对 梳 棉 机 进 行 仿 真 ，需 要 得 到 梳 棉 机 的 数 学 模 型 ，本 文 通 过 文 献 ［２］得 到 梳 棉 机 系 统 函 数 为 一 阶 惯 性 ，
其表达式为
Ｇ（ｓ）＝１ｅ＋－ττ０ｓｓ
（１）
式中，τ为梳棉机时间常数；τ０ 为给棉罗拉与大亚辊间的时差；ｓ为拉普拉斯变换符号。（参 照 Ａ１８６型机的
环 组 合 方 式 ，得 到 相 应 的 控 制 量 ，通 过 控 制 器 作 用 到 给 棉 罗 拉 交 流 变 频 器 ，进 而 控 制 给 棉 罗 拉 的 转 速 ，保 证 棉
层的均匀输入。
２．３．２ 加 权 求 和 法 求 控 制 量
控 制 系 统 １ 设 计 示 意 图 如 图 ５ 所 示 。 由 图 ５ 可 以 看 出 ，通 过 检 测 棉 层 和 棉 条 的 值 ，分 别 得 到 开 环 和 闭 环
第２９卷 第２期
２ ０ １ ４ 年 ６ 月
青 岛 大 学 学 报 （工 程 技 术 版 ） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＱＩＮＧＤＡＯ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ （Ｅ＆Ｔ）
文 章 编 号 ：１００６－９７９８（２０１４）０２－００８１－０４；ＤＯＩ：１０．１３３０６１．１００６－９７９８．２０１４．０２．０１８
波段的随机信号来模拟棉层信号，为了方便数值计算，将棉层定量设为６００；最大幅值变化为棉层设定值的±２０％。
对输入棉层纵向均匀性记录的７００个数据进行分析，其均匀性概率分 布呈高斯分布，即正态分布［５］。
自 动 控 制 方 式 可 分 开 环 控 制 系 统 、闭 环 控 制 系 统 和 混 合 环 控 制 系统 。 ［６］ 针对梳棉机３种 控 制 模 型，并 依 据 不 同 波 段 的 棉 层，通 过 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ［７］进 行 仿 真 分 析 。
图 ４ 中 的 粉 色 曲 线 为 棉 层 输 入 长 片 段 模 拟 信 号 ，黄 色 曲 线 为 闭 环 匀 整 后 的 棉 层 信 号 。 由 图 ４ 可 以 看 出 ，
长片段在长闭环系统中得到了很好的匀整。
２．３ 混 合 环 控 制 系 统 模 型
２．３．１ 梳 棉 机 混 合 环 控 制 方 案 设 计 混 合 环 控 制 系 统 综 合 了 开 环 系 统 和 闭 环 系 统 的 各 自 优 势 ，达 到 了 更 好 的 控 制 效 果 。 根 据 不 同 的 开 环 、闭
３） 系统仿真。棉层长片段模拟随机信号以２５ ｍ 为 最 小 长 度，总 牵 伸 倍 数 为 １００，在 棉 层 输 出 长 度 至
第２期
刘 兴 鹏 ，等 ：梳 棉 机 自 调 匀 整 控 制 建 模 与 仿 真 研 究
８３源自文库
少２５ｃｍ 后进行检测。根据 Ａ１６８ 型梳棉机工艺为依据，牵伸罗拉转速设为３ ０００ｒ／ｍｉｎ，棉条设定量取值为 ５ｇ／ｍ。 闭 环 控 制 模 型 对 长 片 段 信 号 的 仿 真 结 果 如 图 ４ 所 示 。
整 作 用 。 由 于 开 环 先 检 测 并 进 行 几 乎 无 滞 后 的 调 节 ，所 以 对 抑 制 输 入 棉 层 的 短 片 段 有 很 好 的 效 果 。
１） 控 制 系 统 匀 整 方 程 。 根 据 单 位 时 间 内 棉 层 输 入 量 保 持 恒 定 ，得 到 控 制 系 统 匀 整 方 程 为
信号。由图２可知，输入 的 短 片 段 棉 层 信 号 得 到 较 好 匀 整，与
浮 动 变 化 为 ±２０％ 的 输 入 棉 层 相 比 ，棉 层 均 匀 度 显 著 提 高 。
图 ２ 开 环 控 制 模 型 仿 真 结 果
２．２ 闭 环 控 制 系 统 模 型 及 仿 真 １） 梳棉机闭环控制系统方案设计。闭环系统是先匀整后检测，通过调节 结 果 的 反 馈 得 到 更 好 的 匀 整
给 棉 电 机 的 控 制 电 压 进 行 有 效 控 制 ，保 证 喂 棉 的 均 匀 性 。
收 稿 日 期 ：２０１３－０９－２２；修 回 日 期 ：２０１４－１２－３０ 作 者 简 介 ：刘 兴 鹏 （１９８７－），男 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 研 究 方 向 为 信 号 与 信 息 处 理 。 通讯作者：王正彦（１９６５－），女，教授，主要研究方向为 ＥＤＡ 技术与集成电路设计。Ｅｍａｉｌ：ｗｚｙｗｅｂ＠１６３．ｃｏｍ
实测数据，τ＝１．８，τ０ ＝２．７）得梳棉机传递函数为
Ｇ
（ｓ）＝
１ ｅ－２．７ｓ １＋１．８ｓ
（２）
１．２ ＰＩＤ 控制
在实际工程中，应用最 广 泛 的 调 节 器 控 制 规 律 为 比 例、积 分 和 微 分 控 制，简 称 ＰＩＤ 控 制，也 称 ＰＩＤ 调
节［３］。ＰＩＤ 的输出控制量使被控对象按照最接近设定 值 的 结 果 进 行 输 出 。本 控 制 系 统 中 通 过 ＰＩＤ 调 节，对
１— 测 量 棉 条 粗 细 的 喇 叭 口 （凹 凸 罗 拉 ）； ２— 位 移 传 感 器 ；３— 控 制 器 ；
４— 给 棉 罗 拉 交 流 变 频 调 控 系 统 图 ３ 梳 棉 机 片 段 闭 环 控 制 系 统 设 计 图
图 ４ 闭 环 控 制 模 型 对 长 片 段 信 号 仿 真 结 果
而 采 用 棉 层 、棉 条 ２ 点 的 检 测 量 同 时 作 为 控 制 量 决 定 因 子 的 混 合 环 仿 真 ，使 棉 层 的 厚 度 变
化范围由±２０％匀整到了±２％，棉条变化 在 ±１％ 以 内。 该 研 究 使 棉 层 的 波 动 达 到 了 更
加理想的控制效果。
关 键 词 ：自 调 匀 整 仪 ；控 制 模 型 ；ＰＩＤ；Ｓｉｍｕｌｉｎｋ；混 合 环
２．１ 梳 棉 机 开 环 控 制 系 统 模 型 及 仿 真 梳 棉 机 开 环 系 统 是 先 检 测 后 控 制 ，系 统 的 控 制 回 路 是 非 闭 合 状
态，只能调节，无法确定 调 节 后 的 结 果。 但 开 环 系 统 清 除 不 匀 针 对 性强 ，控制反应 速 度 快 ，容 易 维 修 、简 单 经 济 。 梳 棉 机 机 后 开 环 系 统 设计如 图 １ 所 示 。 梳 棉 机 机 后 开 环 控 制 系 统 设 计 ：检 测 点 在 给 棉 面 板处，变速点在 给 棉 罗 拉 处。 通 过 位 移 传 感 器 检 测 棉 层 厚 度 的 变
环控制模型进行了分析和仿真。仿真结果表 明，开 环 控 制 模 型 对 短 片 段 棉 层 控 制 效 果 较
好，但对中长片段抑制效果欠佳；闭环控制模 型 对 长 片 段 棉 层 匀 整 效 果 较 好，但 由 于 匀 整
死区的存在，对短片段抑制效欠佳；混合环控 制 模 型 综 合 了 开 环 和 闭 环 两 种 模 型 的 优 点；
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青 岛 大 学 学 报 （工 程 技 术 版 ）
第 ２９ 卷
２ 控制模型建立及仿真
实际生产中，棉层喂入是随机过程。所以有厚有薄，不同的控制模型所匀整棉条的有效长度不同，长短片段混
合环式自调匀整系统（如 ＤＫ７４０型梳棉机），其闭环系统能自动调节生条长片段（约１００ｍ）的轻重偏差，而开环部 分则能自动调节喂入棉层短片段均匀，使输出生条短片段（约５ｍ）轻重不匀降低［４］。在仿真过程中，通过产生不同
各 自 对 给 棉 罗 拉 交 流 变 频 器 的 控 制 电 压 ，通 过 加 权 求 和 得 到 最 终 的 控 制 电 压 。 给 棉 罗 拉 电 机 转 速 电 压 为
ν＝ （１－ｋ）ν闭 ＋ｋν开
（５）
式中，ν开 为开环控制计算给棉罗拉电机转速电压；ν闭 为闭环控制计算给棉罗拉电机转速电压；ｋ为分配系数，ｋ＝０～
２） 长闭环控制系统数学模型。控制原理：给棉罗拉电压设定值和由波动 引 起 的 给 棉 罗 拉 电 压 调 节 量 共同得到最终的控制电压。长闭环控制系统数学模型为
ｖ１（ｔ）＝ Δｖ＋ｖ０ ＝ｓｖ（ｔ０）Δｓ＋ｖ０
（４）
式中，ｖ１（ｔ）为整定后给棉电机电压；ｓ（ｔ）为棉条设定值；ｖ０ 为给棉罗拉电压设定值；Δｓ为棉条粗细差值。
中图分类号：ＴＳ１０３；ＴＰ２７３＋ ．２
文 献 标 识 码 ：Ａ
纺 织 行 业 是 国 民 经 济 重 要 支 柱 之 一 ，梳 棉 环 节 在 纺 织 中 受 到 越 来 越 多 的 重 视 ，并 且 随 着 电 子 技 术 及 控 制 技术的不断进步，梳棉自调匀整装置 的 设 计 也 有 了 更 深 入 的 研 究。 从 控 制 模 型 来 讲，开 环 控 制 方 式 有 法 国 ＳＡＣＭ ＨＰ－７型梳棉机和美国 ＳＴ 型自匀器等；闭环控制模型有无锡 ＹＺ－１型，青机 ＦＴ０２１等［１］；混合环控制 模型可以通过开环与闭环的不同组合构成，在 ＦＴ０２１和 ＦＴ０２５型梳棉机中，可以通过加权平均值法求得给 棉罗拉转速，并通过开环和闭环控制作用的大小设定相应的比例系数 ，通过加权平均得到最终的控制量。然 而 这 种 控 制 策 略 对 比 例 系 数 的 选 取 并 无 确 切 规 律 可 循 ，而 且 容 易 产 生 矛 盾 。 为 此 ，本 文 依 据 梳 棉 机 的 具 体 工 艺，采用 ＰＩＤ 控制系统，通过 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对开环控制模型、闭环 控 制 模 型 和 混 合 环 控 制 模 型 进 行 分 析 和 仿 真， 仿 真 结 果 表 明 ，棉 层 的 均 匀 度 有 了 显 著 提 高 ，该 研 究 达 到 了 理 想 的 控 制 效 果 。
效果。由于梳棉机物理结构的特点，检测点和匀整点之间存在一定的间距，即 匀 整 死 区 的 存 在，所 以 长 闭 环
匀整波长不能等于或小于匀整死区的片段。但闭环系统通过调节结果的反馈可以抑制各环节参数的变化及
环 境 干 扰 的 影 响 ，稳 定 性 好 。 梳 棉 机 闭 环 控 制 系 统 设 计 如 图 ３ 所 示 。 当 棉 条 经 过 机 前 的 喇 叭 口 时 ，喇 叭 口 会 产 生 一 定 的 位 移 变 化 ，经 过 位 移 传 感 器 ，将 位 移 变 化 量 转 化 成 电 信 号，经过控制器得到相应的控制量，从而控制给棉罗拉变频器来控制给棉罗拉电机转速，达到匀整棉层的目的。
下为标准，取总牵 伸 倍 数 为 １００，则 检 测 棉 层 厚 度 时 间 间 隔 不
可超过长度５ｃｍ 的 棉 层 传 动 时 间。 根 据 恒 鑫 ＦＡ２０４Ｋ 型 梳
棉机工艺，牵 伸 罗 拉 转 速 设 为 ２ ６５０ｒ／ｍｉｎ，棉 条 定 量 值 设 为 ３．７８ｇ／ｍ。开环控制模型仿真结 果 如 图 ２ 所 示，图 ２ 中，粉 色 曲 线 为 棉 层 短 片 断 模 拟 随 机 信 号 ，黄 色 曲 线 为 开 环 匀 整 后 棉 层
ｖ１（ｔ）＝ｈｃ（ｔ）ｖ１（ｔ）＝ｈ
ｃ ＋Δｈ
＝
ｖ０ １＋Δｈ／ｈ
（３）
式中，ｃ为输出 面 重 量，为 一 常 数；ｈ（ｔ）为 棉 层 厚 度；ｖ１（ｔ）为 给 棉 罗 拉 转 速；ｖ０ 为 给 棉 罗 拉 设 定 值；ｈ 为 棉 层
厚度设定值；Δｈ 为棉层变化量（可正可负）。
２） 系统仿真。棉层短片段 模 拟 随 机 信 号 以 棉 条 ５ ｍ 以