张力调节系统

2024-07-15

张力调节系统（共4篇）

张力调节系统篇1

1 引言

在镀锌钢板生产过程中,精确的张力控制是提高镀锌钢板质量和产量的关键因素之一,也是防止带钢跑偏的重要手段。本文介绍了连续热镀锌钢板生产线张力调节系统和张力控制实现的方法。

2 生产线的组成

图1是镀锌钢板生产线的流程示意图。图1中A为开卷机;B为1号张力辊;C为清洗段;D为2号张力辊; E为入口活套;F为3号张力辊; G为炉内热张力辊(4号张力辊);H为锌锅、气刀;I为冷却塔;J为5号张力辊;K为光整机;L为6号张力辊;M为拉矫机;N为7号张力辊;O为8号张力辊;P为钝化塔;Q为9号张力辊;R为出口活套;S为10号张力辊;T为卷取机。

生产线由入口段、工艺段和出口段3个工段组成, A开卷机到E入口活套为入口段;入口活套到R出口活套为工艺段;出口活套到T卷取机为出口段。工段之间设置了活套机构,用于检测工段之间的速度差。

3 热镀锌钢板生产线的速度设定

连续热镀锌钢板生产线每个工段的速度应保持匹配,张力控制才能较好的实现,各工段的速度设定是独立的。每个工段中设置有1个速度基准辊,入口段、工艺段和出口段的速度基准辊分别为2号张力辊、6号张力辊和10号张力辊。

3.1 入口段和出口段速度设定

v=v0+Δv (1)

式中:v为入口段或出口段速度;v0为工艺段速度;Δv为人工速度修正量。

入口段或出口段的速度v是在工艺段速度v0上叠加1个人为速度修正量Δv得到的。

3.2 活套电机的速度设定

各工段之间的速度差造成的带量差由活套检测并通过调节活套量保持恒定张力。当生产线需要上下料时,操作工根据生产线状态对Δv进行设定,Δv最小为v0的30%作为活套电机的速度标定,最大为工艺段最大速度与其他工段最大速度之差。

3.3 张力辊的速度给定

以入口段为例,首先规定从开卷到卷取的方向为正方向,活套的重力方向为正方向。入口段由开卷机、1号张力辊、2号张力辊和入口活套组成。其中开卷机和1号张力辊提供负方向的张力,入口活套提供正方向的张力,2号张力辊平衡它们中间的张力差值。2号张力辊作为入口段速度基准辊保持入口段的设定速度,其他张力辊在张力方向上叠加1个饱和速度,见下式:

vQ=v+β×k×vmax (2)

式中:vQ为张力辊的速度给定;v为入口段速度给定;k为速度系数(0.05~0.1);β为张力方向(正方向为1,负方向为-1);vmax为工艺段的最大速度。

4 热镀锌钢板生产线的张力控制方法

4.1 控制系统构成

控制系统硬件是由上位机(人机界面)、PLC、交流变频电气传动系统以及电机构成,操作人员通过上位机对生产线速度以及各个工段的张力参数进行设定,由PLC进行转换同时对各变频器发布指令,实现对各个工段的张力进行控制,如图2所示。

4.2 生产线各段张力控制方式

生产线的张力控制方法包括:间接张力控制方式、直接张力控制方式和速度控制方式。电气传动系统采用加入了转矩限幅的双闭环控制系统,如图3所示。来自PLC的转速给定作为电气传动系统的给定输入。由于有转矩限幅环节的加入,通过对此速度调节器的输出(即转矩给定值)是否饱和的控制,形成速度控制模式运行或者张力控制模式运行,能够满足不同张力辊的张力控制需要。

4.2.1 间接张力控制

间接张力控制多用于一些不需要精确控制张力的工段,例如:入口段、出口段等,采用图3所示速度调节加转矩限幅的双闭环控制系统的间接张力控制模式。

人为地对张力辊速度给定上叠加一个速度饱和给定,目的是为了在系统运行时,让转速调节器的输出始终处于饱和状态,由式(2)得出的速度饱和给定值和速度给定叠加,如下式所示:

$v_{A} = \frac{v_{S E Τ}}{v_{Μ A X}} \times A_{v} + β \times k \times A_{v} (3)$

式中:vA为速度给定;vSET为生产线的速度给定;vMAX为生产线最大速度;Av为变频器速度当量。

又因为转速调节器的输出值是转矩的给定值,所以通过转矩限幅器限制转矩给定的大小,控制电流环的给定值,这样就可以达到对电机出力的控制。操作人员通过上位机设定所需张力,再由PLC将张力转换为转矩限幅器的限幅,这样可以满足运行时实时控制张力的要求,见下式:

$Q_{S 1} = \frac{F_{S E Τ}}{F_{Μ A X}} \times A_{Q} + Q_{k} (4)$

式中:QS1为转矩限幅器的给定;FSET为上位机的张力设定;FMAX为电机最大出力;AQ为变频器转矩当量;Qk为空载转矩。

由设备摩擦力产生的空载转矩也需引入公式中。

当负载为卷取机和开卷机时,需要引入卷径计算以及转动惯量补偿,根据卷径的变化,线性的改变转矩来保证张力恒定,如下式所示:

$G = \frac{π \times ρ \times L}{32 \times (D_{1}^{4} - D_{2}^{4})} (5)$

式中:G为负载的转动惯量;ρ为材料密度;L为材料长度;D1为圆柱直径;D2为卷芯直径。

加入卷径计算的间接张力控制转矩给定为

$Q_{S 2} = (\frac{F_{S E Τ}}{F_{Μ A X}} \times A_{Q} + Q_{k}) \times \frac{r}{R} + α \times G \times k_{c} (6)$

式中:r为当前卷径;R为工艺设计的最大卷径;α为生产线加速度;G为转动惯量;kc为人为测定参数;QS2为加入卷径计算的转矩限幅器的给定。

在式(6)中引入了加速度,这样可以使转动惯量补偿只在加减速时起作用。

4.2.2 直接张力控制方式

直接张力控制方式一般用于需要对张力精确控制的设备,例如:退火炉内张力控制,光整机、拉矫机的张力控制等。需要在生产线的相应位置设置张力检测设备进行张力的检测并与张力的期望值做闭环调节,调节结果根据需要可以叠加到转速环或者转矩环上。

图4中三辊测张仪利用了顶角120°等腰三角形的几何性质,将带钢方向的张力转换至垂直方向上,再通过张力计压头将张力大小传入PLC,通过PI调节器进行张力闭环的控制。

张力调节器如图5所示,采用PLC中自带的PID调节器制作张力调节器,给定值大小是根据工艺要求计算出的,实际值是通过张力检测设备作反馈,根据机械情况适当设定死区宽度可防止PI调节器对机械振动造成的误差进行调节。PI参数的整定可以通过建静张完成。为了防止过快的调节,限幅器限幅的大小一般为被调节量最大值的5%。

图6所示系统的转矩限幅器是完全放开的,并将张力调节量叠加在速度环上,这样调节的实质是通过控制测张仪上游带钢的流量来控制张力大小的,当被控区域内带钢量较多的时候带钢较

松驰,相应的张力就较小,反之被控区域内带量较少的时候带钢较紧相应的张力就较大。这种设备前一般直接与活套相连,方便张力辊从活套中抽出额外的钢带。

图6中张力设定值F=k×h×w,其中k是张力参数经验系数,根据钢带规格的不同,k的大小也不同,h为带钢的厚度,w为带钢的宽度。生产时操作人员根据炉内钢带的规格计算出炉内张力的设定范围。

最终速度—张力环调节系统的速度给定为

$v = \frac{v_{S E Τ}}{v_{Μ A X}} \times A_{v} + Κ_{C} \times v_{A C Τ} (7)$

式中:v为变频器的速度总给定;KC为PI调节器的输出量;vACT为生产线当前速度的当量反馈。

PI调节器输出值KC为对应被调节量最大值的百分数,vACT取自变频器的速度反馈,并对它们的乘积做下限幅,防止调节量过小造成张力失控,KC×vACT可以适应各种速度时的不同调节要求。同样,也可以将调节结果叠加到转矩限幅器如图7所示。

在实际应用中发现,使用转矩环调节时,张力调节响应很快,所以在调节器输出后增加了斜坡和限幅,来抑制调节过快产生的超调。

转矩环调节系统的速度给定公式同式(4)。转矩给定为

Qf=QS+KC×AQ (8)

将式(4)带入式(8),得出:

$Q_{f} = \frac{F_{S E Τ}}{F_{Μ A X}} \times A_{Q} + Q_{k} + Κ_{C} \times A_{Q} (9)$

式中:Qf为带调节量的转矩限幅器给定。

4.2.3 速度控制方式

速度控制方式一般用于对速度需要精确控制的地方,例如:速度基准辊,光整机与拉矫机的延伸率控制模式等。通常使用电机编码器反馈、激光测速仪等作为速度检测手段,并且在设计时选用功率较大的电机,使其能够平衡入口段与出口段的张力差,如图8所示。

由于此系统用于控制速度基准辊,为了保证速度,需要将此系统的限幅完全放开,具体出力的大小由张力辊入口侧与出口侧的张力差来决定。速度给定为

$v_{A} = \frac{v_{S E Τ}}{v_{Μ A X}} \times A_{v} (10)$

5 结论

本文对连续热镀锌钢板生产线上各工段多种张力调节系统和控制方法进行了介绍,并针对调试中遇到的问题进行了分析并且予以解决,所介绍的张力调节系统先后在7条生产线上应用,运行稳定,效果良好。

$\bar{收稿日期 ∶ 2011 - 12 - 14}$

修改稿日期:2012-04-09

摘要：针对连续热镀锌生产线的张力系统,论述了张力系统的作用,以及张力形成的方法。介绍了连续热镀锌生产线电控系统的构成,以及4种张力调节系统。根据已有经验,分析了4种张力调节系统的工作原理,给出每个系统中所需要的补偿参数的计算。并说明了如何通过PLC应用这4种张力调节系统,达到对连续热镀锌生产线张力系统调节的目的。

关键词：热镀锌钢板生产线,张力调节系统,张力控制

张力调节系统篇2

冷轧处理线中,冷轧钢卷工艺流程一般是开卷、工艺段处理,最后再卷成钢卷。在整个过程中,带钢从机组一处运行到另一处时需保持一定的稳定张力才能顺利通过生产线。

实现张力控制的方法可分为转矩变量调节和速度变量调节。前者通过控制电机的输出转矩来间接控制负载的张力。后者通过把附加速度强加于两个通过带钢相连的传动点(组)中的一个,使之产生速度给定偏差,即让一个传动点的速度给定大于另一个,由于速度给定不同,因此运行时相应传动点的速度调节器就会按照各自给定的速度值进行调节,两点间的带钢就有互相拉拽的趋势,产生两点间的带钢张力。本文所描述的张力控制就是通过速度变量调节实现的。

1 通过速度变量调节张力的张力控制分析

通过速度变量调节张力的张力控制图如图1所示。张力控制的核心是张力调节器,它输出技术速度VTech。同时,张力控制产生技术张力TTech,它等于张力设定值减去相邻张力段的张力设定值。TTech通过计算转换成TQADD,PRE,然后加上摩擦补偿和转动惯量补偿叠加到传动装置的速度调节器之后。这种控制方法可平稳地渡过控制的过渡阶段。

1.1 控制的优点

通过速度变量调节张力的张力控制有以下优点。

(1)在无法精确地获得包角损失和摩擦转矩的情况下,张力测量装置可通过补偿消除这些不利因素的影响。

(2)通过调节器产生VTech,可很好地消除相邻段张力的影响,而通过转矩变量调节张力的效果较差。

(3)带有张力检测元件的直接张力控制可获得非常高的控制精度。

1.2 控制的缺点

通过速度变量调节张力的张力控制有以下缺点。

(1)该张力控制需要张力检测元件,故比不需要张力检测元件的通过转矩变量调节张力的张力控制工程成本高。

(2)由于该张力控制需要张力检测元件参与控制,因此为了保证检测元件测量精确,需要经常对张力检测元件进行校准(标定)。

(3)如果张力检测元件出现故障,且在张力控制的软件中又没有张力检测值的切换处理(通常可切换到通过电机电流计算出的张力或第二个张力检测元件检测值),那么机组的正常生产将受到严重影响。

(4)在本张力控制的张力段中,只有张力检测元件处的张力是准确可控的,在其它地方,张力会随着摩擦力和包角导致的张力损失而不同。这在工程实践中需充分考虑和进行适当的处理。

1.3 原理分析

胡克定律:

σ=ε×E

式中,σ为屈服力,N/m2;ε为变形量,%;E为杨氏模量,N/m2,钢(20℃)为2×1011 N/m2,钢(800℃)为7×1010 N/m2,铝(20℃)为7×1010 N/m2。

在极限情况下,有:

σRE=εLIM×E

式中,σRE为临界屈服力,N/m2,多数钢种的临界屈服力为150～450N/mm2;εLIM为在不产生永久变形情况下的变形量,%。

带钢张力与形变曲线如图2所示。只要带钢的张力小于带钢的临界屈服力,带钢张力和变形量便呈线性关系。其关系可表达为:

或

从物理学可知带钢的变形量(延伸率)也可表达为:

式中,VTcch为技术速度;VL为线速度。

通过式(1)、式(2)可得:

即:

由式(3)可知,技术速度和张力设定值呈线性关系。

通过以上分析可知技术速度可以实现控制,但实际计算得到的技术速度值很小。如:TSET为30kN,截面积为1 000mm2,VL为4m/s,E为200.000N/mm2时,计算得技术速度为0.000 6m/s。

1.4 控制功能描述

1.4.1 数据传送

处理线的基础自动化控制系统一般由PLC和HMI构成。由于处理线工艺复杂导致PLC程序架构较庞大,因此为了减轻PLC的单个CPU负荷,一般把程序按功能分配到多个CPU中去完成。实现带钢传送的程序一般分为线协调(LCO)和速度斜坡发生器(MRG)两部分,而张力控制(TCON)属于速度斜坡发生器部分,因此张力控制和线协调有大量数据要交换。通常,线协调发给张力控制的数据是与张力相关的控制字和张力设定值,而张力控制接收到数据后便进行相应的张力调节,并将相关的状态字和结果值发回线协调。

1.4.2 张力设定

从线协调传来的张力设定有绝对张力和相对张力两种,由控制字的一位信号来区分。

若为相对张力,则张力控制的设定值为:

若为绝对张力,则张力控制的设定值为:

张力控制的设定值设定逻辑如图3所示。

1.4.3 张力给定斜坡发生器

为保证调节过程的平滑性,在张力投入时要求张力按一定的斜坡递增,而在撤掉或减小张力时则要求张力按一定的斜坡递减。这个过程由张力给定斜坡发生器实现,同时为了保证生产安全,该发生器还需具有最大值、最小值限幅功能。张力给定斜坡发生器工作原理如图4所示。

1.4.4 张力实际值采集

张力控制过程中,张力实际值既可直接来自张力检测元件,也可通过执行电机的电流计算得到。该张力控制设计了4种张力实际值采集源,也预留了仿真通道。所有采集到的张力实际值都要经过一个一阶滤波器环节。张力实际值采集控制框图(部分)如图5所示。

1.4.5 相邻区域张力设定处理

理想情况下,张力段和张力段间的张力是互不影响的,但工程实践中却往往互相影响。如,碳钢连退机组工业中,工业炉分为多个张力段,而各张力段间又没有有效的设备将其隔开,因此导致各段张力间互相影响。为此,提出了相邻区域张力设定处理方法,即将本张力段张力设定值减去相邻段的张力设定值得到的差值通过适配处理产生TQTech,再加上摩擦和转动惯量的补偿附加到传动的速度调节器之后形成预控,同时进行张力级联。

张力级联是将多个互相影响的张力段的张力调节器输出叠加到本张力调节器的输出,因此,通常将需叠加的张力调节器的输出进行系数化,即给输出乘上一个系数。张力级联的叠加控制框图如图6所示。

1.4.6 张力初始投入

带钢从无张力状态到有张力控制状态时,一般要求张力不能变化太快,而是渐进地增加的。虽然在张力给定后有斜坡发生器来缓解张力的梯度变化,但张力的变化有时仍不能满足要求。为此通过速度变量调节张力的张力控制设置了一个张力控制的启动环节:张力投入最初时刻,设置一个VTech,Start值,一旦带钢绷紧便取消该值,投入正常张力设定值进行正常的张力控制。张力初始值投入的控制图如图7所示。

1.4.7 张力调节器

一旦张力控制投入,张力调节器便被激活,使张力实际值在张力设定值附近小幅波动,直至设定值。张力调节器的核心是一个PI调节器,为了使调节更加精确,设置了比例常数KP、积分常数Tn可随某变量作线性调整的通道。当比例常数KP、积分常数Tn与某变量存在一定线性关系时可切换到该通道,否则可不用切换便直接设置比例常数和积分常数。张力调节器的最大值限幅(HiLim)和有最小值限幅(LoLim)输出的设置仍采用类似设置比例常数KP和积分常数T1可调整通道的方法。本张力调节器核心虽然是一个PI调节器,但它也可通过Enabe_P_Action(激活P调节)和Enabe_I_Action(激活I调节)参数设置变成一个单纯的P调节器或I调节器。张力调节器的控制框图如图8所示。

2 速度变量调节张力的张力控制应用范围

通过速度变量调节张力的张力控制有以下应用范围。

(1)工业炉段的张力一般分为多段,且每段的张力互相影响,同时控制精度要求较高,因此工业炉段的张力控制使用该张力控制较合适。

(2)很难通过计算获得张力实际值的(如处理线的活套,由于转动惯量、摩擦、包角导致的张力损失难以计算,因此很难算出张力实际值)适合采用该张力调节。

3 结束语

在冷轧处理线中,通过速度变量调节张力的张力控制已应用于武钢三冷轧碳钢连退机组和热镀锌机组,取得满意的效果。

参考文献

[1]周国盈.带钢卷取设备[M].北京:冶金工业出版社,1982

张力调节系统篇3

中国石油股份有限公司大庆石化分公司腈纶厂成品车间QD-1A型切断机是安达乾翰机械厂生产的设备, 2000年投产使用。原切断机组由捕结器、曳引机、张力机、切断机组成, 机组工艺流程如图1所示。

张力机的主要作用是使要切断的丝束产生一定的张力, 此张力是通过导丝辊的自重和配重产生, 当张力过大时可以向另侧增加配重, 当张力小时可以减少配重。此张力架升降辊沿着滑道上下带动链轮, 链轮带动变阻器转动改变阻值来控制曳引机的速度保证张力恒定不变 (图2) 。

2. 存在问题

张力机原调速系统中的滑动变阻器的炭刷经常脱落、接触不良, 造成回馈信号电压波动, 使曳引机、切断机的速度不稳定, 速度忽高忽低, 从而经常造成丝束缠辊。由于滑动电阻器中的炭刷与电阻本体采取机械接触, 炭刷的磨损较大, 刷窝的弹簧弹性变小, 严重时炭刷与电阻接触不上, 调速信号中断, 造成切断机速度过大, 失去控制, 将张力辊的机械连杆损坏, 张力辊出轨, 滑轮损坏, 导致曳引机与切断机的速度不匹配, 使曳引机和张力架不能同时使用, 影响了短纤质量, 超倍长增加, 故对其进行更新改造。

3. 改造措施

张力机改造采用日本三菱公司生产的压力传感器代替原装置中的滑动变阻器。压力传感器测定丝束的张力, 当张力偏大或偏小时把张力数据变成信号传给张力控制器, 从而自动调整曳引机的速度来控制丝束的张力达到要求 (图3) 。

原张力调节部件主要由机架、升降辊、立柱、重锤、链轮变阻器构成, 此次改造全部拆除。更新后的张力调节部件主要由机架、导丝辊、张力检测器 (压力传感器) 构成。

压力传感器技术的应用提高了调节辊张力控制的精度, 张力信号在±3N范围内波动, 克服了原装置中存在的问题。改造前后的张力机对比见表1。

4. 效益

改造前每年消耗的张力辊连杆、张力辊滑轮、链条、链节、轴承、变阻器炭刷等备件费用共计1.63万元, 改造后张力系统只有轴承为易损件, 平均每年消耗备件费用仅0.18万元, 故改造后节省的备件维修费用为1.63-0.18=1.45万元。根据2006年统计因张力不稳定平均每月有2包超、倍长短纤, 每包重350kg, 每吨超、倍长短纤出售损失按3000元计算, 每年损失的费用为3000×350×2×12÷1000=2.52万元, 经济效益合计1.45+2.52=3.97万元。

5. 结论

织机张力测控系统的研究篇4

目前,国内大部分关于织机送经卷取测控系统的研究停留在传统的PID控制水平上。在织机系统中,控制部件送经卷取电机和机械部件织轴、卷取轴之间存在着复杂的传动机构,而经纱的拉伸总是带着不确定性,要建立精确的系统数学模型几乎不可能。由于模型的非线性,用系统辨识的方法也只能找到近似的系统数学模型,这种情况下采用PID控制的效果必然受到影响。改进送经卷取控制策略,特别是经纱张力控制策略,提高高档织机控制系统的性能,具有重要的理论意义和现实意义。

1 织机张力测控系统结构

织机张力测控系统研究的主要对象是其中的送经卷取模块。该模块承担了经纱张力控制的主要任务,包括三方面的工作,即织机经纱张力数据的采集、送经电机和卷取电机控制量的计算、控制量的输出。

系统结构如图1所示。送经系统接收主轴编码器的脉冲信号和织机后梁的经纱张力传感器信号,在控制器内部进行计算并控制送经电机运转,以保持张力稳定。卷取系统不断接收编码器的脉冲信号,然后根据设定纬密、卷取辊的直径,在控制器内部进行计算以控制卷取电机转动,保证纬密的精确。送经和卷取协作,保证经纱张力的平稳和纬密的精确。

2 织机张力分析及处理

整个控制系统的控制目标是经纱张力值。经纱的张力值呈周期性变化,它受开口高度、打纬动作、织轴直径和织轴回转不匀率等因素的影响。为了使经纱张力能够在设定值附近范围内达到动态稳定,对经纱张力的分析与处理至关重要。

2.1 经纱张力分析

对织机的工作过程分析,可以将其划分为停止、启动、稳定运行3个工作阶段,如图2所示。

从图中可以看出,在停止阶段(t0~t1),织机未开,经纱张力变化非常缓慢,时间不长的话可以认为近似不变。启动阶段(t1~t2),经纱张力与动态张力目标值有偏差,需要快速进行调节,为了保证织物的质量和产量,尽可能缩短这一阶段的时间,快速性是这一阶段的控制要求。在稳定运行阶段(t2以后),织轴的缓慢变化、织物组织结构周期性变化是主要控制任务,稳定性是这一阶段的控制要求,抗干扰是首要工作。

2.2 引起张力波动因素

2.2.1 开口机构引起的张力波动

织机的开口机构是经纱运动最为频繁的位置,经纱和纬纱就在此处反复交织,从而决定了织物组织。经纱在此处受到反复拉伸、摩擦和弯曲,因此开口运动影响到织物品种、质量和织造效率。

织机上的开口机构几何形状如图3所示。经纱从织轴引出,绕过后梁E和导棒D,经综眼C和钢筘,在织口B处形成织物,再经胸梁A卷绕到卷布辊上。BCD为经纱的综平位置,经纱分为上下两层形成一个菱形通道BC1DC2,即为织机的梭口。

图3中,H为开口高度,l1为前部开口长度,l2为后部开口长度,l3为综眼与后梁握纱点距离,而l1与l2比值则称为梭口的对称度,用m表示,当m等于1时为对称梭口,否则为不对称梭口。

梭口满口时上、下层经纱的伸长变形为:

由于开口过程中经纱所受拉伸负荷的作用时间极其短暂,在工程中,可以认为拉伸变形与经纱张力的大小成正比。所以由上式可以确定开口过程中影响经纱张力的因素。

由于a、b、c、d和H为固定的值,开口时经纱路径长度的改变引起经纱张力的波动公式如下:

式中,ΔT表示经纱的动态张力,k1、k2分别表示长度值(b-a)和(b+d)与开口高度H的比值。

上式说明ΔT与H2成正比。开口随着织机主轴电机每旋转一周就相应地闭合一次,在高速运转时,这一扰动就会引起经纱周期性的张力波动,是张力波动中的高频分量。

2.2.2 送经机构引起的张力波动

织造过程中,卷取电机以恒定的速度从织口引离织物,而送经电机则需要不断地送出经纱以作补充,卷曲速度与送经速度相等才能保证织物质量。

卷取电机的转速为:

式中,ν为织机车速,Rd为卷取轴半径,id为卷取电机与卷取辊传动比,Pw为织物纬密。

送经电机的转速为:

式中,Rs为织轴半径,is为送经电机与织轴传动比。

随着织轴上经纱不断送出,织轴半径Rs逐渐减小,必然要求送经电机转速随之变化。

织轴半径对经纱张力的影响:织造过程织轴退绕时,若要保证送经量的恒定,织轴的转动角度准与半径Rs必须满足Rs×准=常数。整个织造过程Rs在不断减小,故织轴转角准必须随着Rs的减小逐渐增大,才能得到恒定的送经量;否则,就会产生送经不匀,经纱张力也会随之产生波动(低频分量)。

织机的回转不匀率对经纱张力的影响:回转不匀率会间接影响经纱张力,尤其不利于系统静态性能的改善。相对于有梭织机,尽管无梭织机的回转不匀率已经小得多了,但是仍然不可忽视。

2.2.3 打纬机构引起的张力波动

打纬过程中,在把钢筘推至前心时,强力压迫使得经纱的拉伸程度达到最大,造成的经纱张力波动也达到最大值。在综平时间、经纱数量、织物组织结构和密度等系统参数都相同的情况下,打纬时所造成的张力波动幅值大小与上机张力的大小成反比。织机主轴每旋转一周打纬一次,在无梭织机织造过程中,这一扰动也会引起经纱张力的周期性波动,是经纱张力波动中的高频分量。

2.3 信号数字处理

无梭织机的经纱张力波动是由开口机构、送经机构、打纬机构共同造成的。织轴退绕过程中缓慢的经纱上机张力变化和送经不匀所造成的张力波动是低频分量,可通过对送经电机转速微调来平衡。开口、打纬所造成的张力波动则属于高频分量,通过摆动后梁系统能起到一定的抑制效果,但是需要作适当的数字处理才能提高张力数据的准确性。

2.3.1 张力的力学模型

经纱在动态张力作用下,其力学模型如图4所示(voigt模型)。张力增量Δti与伸长Δli之间的关系:

式中,K为经纱刚度系数,η为经纱粘滞系数。

根据织造原理和voigt模型得到纱线伸长:

式中,id为卷取电机与卷取毛刺辊的传动比,0

由于卷取电机角位移θd保持不变,经轴半径Rs变化缓慢,所以上式可简化为:

可以得到经纱张力增量估计值Δti的最终公式:

2.3.2 织物组织机构的识别

在织造过程中,织物组织机构剧变会引起张力的波动,产生虚假的张力峰值、谷值,对经纱张力的调节极为不利。但经纱张力的变化是不可避免的,即使是在送经线速度等于卷取线速度时,一个控制周期内的平均张力也不会恒定,但张力变化符合上述力学模型,据此可以估计出合理的送经轴半径。每一纬都可以得出一个送经轴半径的估计值,分析得到多个估计值,可以从中分离出合理估计值和不合理估计值,从而判定出不合理估计值对应的组织机构发生了剧变。

3 基于目标送经量的PID控制

经纱张力控制系统是快速非线性系统,对张力控制的快速性和平稳性要求很高。应用传统的PID控制器不能达到理想控制效果,故提出应用基于目标送经量的PID控制方法。经纱张力稳定这一控制目标,被分解为2个子控制目标:经纱张力达到目标值、送经线速度等于卷取线速度。

对张力曲线分析可知,曲线定点处的张力变化率为0,即送经线速度等于卷取线速度,正好与第二个子目标相吻合。通过实验分析,此时的送经电机控制量就等于张力稳定时的送经电机控制量。

为了求得目标送经量,设计了如图5所示的控制系统模型。把目标送经量的求取分为两部分:

(1)织纱组织结构的判定。

根据纱线voigt模型对经纱张力作出估计。当出现复杂花型织造这种影响定点判断的情况时,估计张力值与实测张力值就会出现大的偏差,此时的张力不作为参考数据。

(2)最小二乘法。

通过离散张力曲线的顶点取得的目标送经量,如果难以保证所得值的准确性,可通过最小二乘法拟合出离散的顶点附近的连续张力曲线,从中找到连续张力曲线的顶点,并据此得到较为精确的目标送经量,使系统误差减小到最小,有效地保证系统的精度。

4 控制程序及实验结果

基于目标送经量的PID控制程序如图6所示。

仿真结果如图7、图8所示。图7中,每点张力值为一纬周期的平均张力,曲线中出现的无序张力波动是由复杂花型织造引起的,无法滤出。图8中,将织机送经控制量赋值为目标控制量后,经纱张力已经比较平稳,说明所求得的目标控制量比较准确,控制方法可行。

比较图7、图8,可以看出,常规PID控制器张力输出曲线超调量为34.6%,调节时间为0.034千纬;基于目标送经量的PID控制器张力输出曲线超调量为15.4%,调节时间为0.018千纬。而且在出现强干扰时,常规PID控制器出现了误调,稳定性不能满足要求;而基于目标送经量的PID控制器稳定性仍较好。