定型机温度张力控制系统研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ ： Ｃｏｐｐｅｒ ｎｅｔｗ ｏｒｋ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｒｅｐｌａｃｅｄ ｂｙ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ ｎｅｔｗ ｏｒｋ ，ｗ ｈｉｃｈ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｗ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ，ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｓｅｔｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｓ ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗ ｅｅｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｏｎ ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｔ ｓｅｌｆ桘ｔｕｎｉｎｇ ＰＩＤ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗ ａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｏｎ ．Ｉｔ ｉｓ ｓｅｅｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｔｅｓｔｓ ｔｈａｔ ，ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗ ｈｉｃｈ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｎｅｗ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ，ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ｉｓ ｓａｔｉｓｆｉｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｂｒｉｃ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｉｓｅｓ ｑｕｉｃｋｌｙ ，ｔｈｅ ｏｖｅｒｓｈｏｏｔ ｖｏｌｕｍｅ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ２ ℃ ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｓ ｗ ｉｔｈｉｎ ± １ ℃ ， ｔｈｕｓ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｆａｂｒｉｃ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ： ｓｅｔｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ；ＰＬＣ ；ｓｅｌｆ桘ｔｕｎｉｎｇ ＰＩＤ
表 １ 纤维热收缩模量和热拉伸模量
Ｔａｂ ．１ Ｔ ｈｅ ｃｏｎｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｓ ａｎｄ
ｔｅｎｓｉｌｅ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｆｉｂｅｒ
名 称 未处理
１３０ ℃ １５ ｍｍ
１６０ ℃ １５ ｍｍ
１９０ ℃ ２２０ ℃ １５ ｍｍ １５ ｍｍ
收缩率 ０ ．３４４
Hale Waihona Puke Baidu０ ．３
０ ．３
第 １ 期 谭宝成 ，等 ：定型机温度张力控制系统研究
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下的形态和尺寸会更加的稳定 ．不同的纤维分子有 不同的最高烫熨温度 、可塑性开始温度 、软化点温 度 、热定型最适温度 、热强度等于零温度和熔融温 度 ．若温度过低 ，则达不到定型的目的 ；若温度大于 热强度为零温度 ，则织物形态会更不稳定 ，织物定 型的效果会大打折扣 ．所以热定型温度必须在规定 范围内 ．这样定型出来的织物效果最好 ，使用时间 最长 ．在定型过程中温度的连续稳定是非常有必要 的 ，不能有大的跳变 ，否则影响织物定型效果 ．图 ３ 为热定型温度示意图 ．
４） 加热部分 ．加热部分由电加热器室 、送风 机 、管道 、上热风箱 、下热风箱 、周波控制器 、调功器 以及智能调节器等组成 ．对加热系统的要求是升温 快 、超调小及幅向温度均匀 ，以保证织物的定型 质量 ．
图 ２ 拉幅装置示意图 Ｆｉｇ ．２ Ｔ ｈｅ ｓｔｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ａ ｔｅｎｔｅｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ
定型机温度张力控制系统研究 倡
谭宝成 ，陈 超 ，张立广
（西安工业大学 电子信息工程学院 ，西安 ７１００２１）
摘 要 ： 定型原材料铜网逐渐被聚酯网取代而导致生产工艺也随之改变 ，为了保证新生产工 艺的产品质量和生产效率 ，通过改进定型机的控制策略 ，完善其控制能力 ．通过研究温度和张 力的耦合关系 ，将专家自整定 ＰＩＤ 算法应用在定型系统中 ，对温度和张力进行控制 ．通过测试 表明 ：采用该算法的新型定型系统 ，在满足温度对张力要求的同时使织物温度上升速度快 ，超 调量小于 ２ ℃ ，且温度控制精度在 ± １ ℃ 范围内 ，从而提高了织物定型质量和生产效率 ． 关键词 ： 定型机 ；温度张力控制 ；ＰＬＣ ；自整定 ＰＩＤ 中图号 ： Ｔ Ｐ２７３ ＋ ．２ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １６７３‐９９６５（２０１５）０１‐００３３‐０６
室温下聚酯网特性比较稳定 ，在织物定型过程 中一般采用热风箱 （空气对流加热系统）对聚酯网 表面加热 ，来消除纤维分子的内应力 ．由聚酯纤维 的性质可知 ，在热风箱加热过程中 ，温度和张力必 须保持恒定 ，不能出现大的波动 ，快速达到稳定 ，超
调量小 ．所以定型机对温度和张力控制器的性能要 求很高 ．
０ ．２２７ ０ ．１４５
收缩模量 １ ．１５ × １０９ １ ．４ × １０８ １ ．０６ × １０８ ９ ．５６ × １０７ ８ ．９７ × １０７
拉伸模量 １０ ．４ × １０９ ８ ．５２ × １０９ ６ ．３４ × １０９ ４ ．０２ × １０９ ３ ．２１ × １０９
定型后纤维模量
１ ．０９ × １０１１ （室温）
２） 周波控制器 ，晶闸管 ．周波控制器可以将晶 闸管过零触发信号均匀化 ．常规的过零触发由于波 形集中 ，容易产生打表针 、设备老化快 、局部电流过 大等毛病 ，周波控制器将触发信号均匀分布在控制 周期中 ，使得电流比较平均 ，避免了这些问题 ．
图 ３ 热定型温度示意图 Ｆｉｇ ．３ Ｔ ｈｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｈｅａｔ ｓｅｔｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
２ ．２ 温度和张力的耦合关系 热收缩应力和热拉伸模量采用 ＸＲＦ桘２ 型纤维
热机械分析仪测定 ． 纤维分子在受热情况下 ，分子间的相互作用力
即热收缩应力 ．图 ４ 为温度桘热收缩曲线 ．通过提高 升温速率 ，来避免松弛对热收缩应力测试的影响 ， 收缩应力即为热定型纤维分子的内应力［５］ ．从实际 测得的热收缩应力可以得出结论 ：随着定型温度的 升高 ，纤维分子内应力减小 ．
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西 安 工 业 大 学 学 报 第 ３５ 卷
不能解决无超调和快速性之间的矛盾 ．所以近年来 国内外不少学者和工程研究了 ＰＩＤ 控制器的参数 自整定方法 ，其中最典型的是美国 ＦＯＸＢＯＲＯ 公 司推出的 ＥＸＡＣ Ｔ 家式自整定控制器［３］ ．相比之 下 ，自整定算法很好地抑制 ＰＩＤ 的超调 ，避免温度 大幅度摆动 ，快速稳定的实现恒温控制 ，算法简单 容易操作 ，并且误差较小 ．文中温度 、张力控制是整 个系统的核心 ，如果温度和张力不匹配 ，温度过高 ， 会破坏纤维分子结构 ；过度牵伸 ，会导致聚酯网撕 裂 ，尺寸过大 ；张力过小 ，则聚酯纤维分子内部应力 不能消除 ，达不到规定的尺寸 。 因此本系统将专家 自整定 ＰＩＤ 应用到温度张力控制算法中 ，跟据温 度和 张 力 的 耦 合 关 系 ，实 现 对 聚 酯 网 的 热 定 型 功能［４］ ．
２ 热定型理论及温度张力耦合关系
图 １ 定型机结构示意图
Ｆｉｇ ．１ Ｔ ｈｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ａ ｓｅｔｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ
１） 主动辊部分 ．主动辊部分由主动辊 、减速 箱 、变频器等组成 ．主动辊传动环状织物 ，要求可逆 运行 ，主动辊的速度在要求的范围内连续可调 ，所 以采用交流调速方案 ．
３） 拉幅部分 ．拉幅部分由底板架 、导向轨 、拉
２ ．１ 纤维的热定型理论
为了深刻了解定型机所起的作用 ，有必要对纤 维分子的性能和结构做深入研究 ，化工厂只是对聚 酯纤维进行了纤维的延伸热加工 ，简单的把纤维拉 伸到一定的直径 ，分子的化学形态和晶体链取向很 不稳定 ，如果温度升高或者有外力拉伸 ，纤维分子 运动变快 ，当拉伸力大于分子之间的应力时 ，分子 便会被激活 ，使纤维分子做不规则运动 ，从而引起 织物收缩尺寸和外形变化 ．在织物的定型过程中 ， 由于受到大小不均匀的外界作用力 ，使织物内部的 各个单元发生移动 ．纤维分子间作用力影响位移大 小 ，当大分子的刚性越强或者分子间作用力越大 时 ，由原始状态进入新的状态所跨越的能峰越高 ， 而在新状态下建立新的分子间结合 ，又会降低新的 位谷能峰 ，使体系难以逆转稳定在新的状态 ．这也 加剧了纤维内部应力的不均［４］ ．在热定型过程中热 风箱的主要目的是通过对聚酯网的热处理来消除 分子内应力不均匀导致的织物形变 ，使纤维分子内 部应力达到平衡状态 ．织物的能级更低 ，在新状态
２） 拉伸部分 ．拉伸部分由拉伸辊 、拉伸架 、双 螺旋锭轴 、减速箱 、拉伸电动机 、拉伸调速器以及传 感器等组成 ．在拉伸过程中要求织物的纵向张力符 合工艺要求 ，拉伸力过大会导致织物被拉断 ，拉伸 力过小会导致织物过松 ，起不到拉伸的作用 ．主要 是控制拉伸的位置 ，当拉伸力的大小达到规定要求 时 ，停止拉伸 ．用压力传感器测量纵向拉伸张力 ．
第 ３５ 卷第 １ ２０１５ 年 １ 月
期
西 Ｊｏｕｒｎａｌ
安 ｏｆ
工 Ｘｉ’ａｎ
业 大 学 Ｔ ｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ
学 报 Ｕ ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖｏｌ
．３５ Ｊａｎ
Ｎｏ ．１ ．２０１５
ＤＯＩ ：１０ ．１６１８５／ｊ ．ｊｘａｔｕ ．ｅｄｕ ．ｃｎ ．２０１５ ．０１ ．００６
３ 温度控制系统设计
温控系统框图如图 ５ 所示 ，它主要是由电加热 管 、鼓风机 、进风管 、可移动上下风箱 、温度控制器 、 传感器组成［６］ ．
１） 温控器 ．采用 １６ 位 Ａ ／Ｄ 转换 ．自动温漂 、 修正零漂移保证仪表具有 ０ ．２％ 的测量精确度 ．配 有热电偶冷端补偿输入端子 ．采用 Ｔ ，Ｋ ，热电偶 ， ＰＴ１００ 热电阻 ，远传压力电阻信号采用电流输入 ， 输出模块可采用继电器 、逻辑电平 ．通信协议支持 ＲＳ桘２３２ 、ＲＳ桘４８５ ．可与 ＰＬＣ 直接通信 ．
纤维分子的热收缩应力 ．拉伸除了需要克服收缩应 力外 ，还需要克服大分子链纠缠等动力学阻力 ，所 以拉伸模量要大于热收缩模量 ，热拉伸模量即为拉 幅张力 ．表 １ 为不同温度下纤维热收缩模量和热拉 伸模量的对应关系 ，此关系近似为定型过程中温度 和张力的耦合关系 ，即不同温度下对应的拉幅张力 不同 ．
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｓｅｔｔｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ
Ｔ Ａ Ｎ Ｂ ａｏ桘ｃｈｅｎｇ ，Ｃ Ｈ Ｅ Ｎ Ｃｈａｏ ，Ｚ Ｈ Ａ ＮＧ Ｌ ｉ桘ｇｕａｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ，Ｘｉ’ａｎ Ｔ ｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｕ ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ，Ｘｉ’ａｎ ７１００２１ ，Ｃｈｉｎａ）
在先前的定型机控制系统中大多数采用传统 ＰＩＤ 控制器 ，它以其结构简单 、工作可靠 、调整方便 广泛应用于工业控制中［１桘２］ ．但传统的 ＰＩＤ 控制器
倡 收稿日期 ：２０１４‐０６‐０３ 作者简介 ：谭宝成 （１９５５‐） ，男 ，西安工业大学教授 ，主要研究方向为计算机控制系统 、复杂控制系统和远程控制 ． Ｅ桘ｍａｉｌ ：ｘａｉｔｄｚｘ ＠ １６３ ．ｃｏｍ ．
１ 定型机机械结构
拉幅定型机主要由主框架 、悬臂梁 、可移动前 支架 、主动辊 、主动辊传动装置 、拉伸辊 、拉伸辊传 动装置 、拉伸架 、拉伸架传动装置 、拉幅架 、拉幅架 传动装置 、热风箱等结构组成［３］ ，结构示意图如 １ 所示 ．
幅架 、拉幅架传动装置 、带针板的链条 、链条传动装 置 、转臂 、转臂传动装置和控制系统组成 ．在定型过 程中 ，根据工艺规定的横向张力自动调节拉幅架的 位置 ，以保证织物的定型质量 ．用旋转编码器测量 拉幅的程度 ，压力传感器测量纵向拉幅张力 ．图 ２ 为拉幅装置示意图 ．