闭环控制经编送经系统

王俊科， 夏风林

(江南大学 教育部针织技术工程研究中心， 江苏 无锡 214122)

闭环控制经编送经系统

王俊科， 夏风林

(江南大学 教育部针织技术工程研究中心， 江苏 无锡 214122)

经编机送经控制系统是一个时刻发生变化的非线性系统，针对经编生产，特别是高速经编机生产要求，送经系统应具有快速响应性、高控制精度和稳定性的特性，为此设计了采用闭环控制的经编送经系统。主要介绍该系统的原理、方法和组件构成，以及对系统的测试分析方法。系统采用DSP数字控制器作为送经控制单元的核心部件，通过测速压辊得到经轴盘头的即时外周长和实际送经量，获取下一周期经轴电动机速度，根据送经量的偏差，再通过控制器的智能PID计算、修正，形成全闭环控制来实现送经系统的实时在线调整。对比实验结果表明，设计的经编送经闭环系统合理、可行，并具有高精度、响应性和稳定性。

经编； 送经系统； 闭环控制； 压辊

经编机送经控制系统是一个时变的系统，从传统机械送经到单速电子送经(EBA)，再到多速电子送经(EBC)[1]，如何保证经编机送经控制系统的控制精度、稳定性以及响应的快速性一直是经编送经的难题[2]，在当前经编工业生产中，高速度、高质量、小批量、多品种已经成为经编生产基本要求，这就要求经编电子送经系统能够在高速条件下保证送纱量的稳定，避免出现送经控制不精确，经轴送出的送纱量与横列编织需要的送纱量不一致，造成经纱张力不稳定，引起断纱、布面的疵点、横条等布面问题，影响生产效率，同时导致产品质量下降[3-4]。

本文采用高速的数字信号处理器(DSP)作为主控制器设计了新的控制系统[5]，系统由经轴上的测速压辊测得经轴盘头的即时外周长和实际送经量，获取下一周期经轴电动机速度指令，通过与送经量设定值的比较，再经控制器的模糊PID控制算法进行实时修正，形成全闭环来精确控制经编机的送经量[6-7]。

1 闭环控制系统的设计

基于闭环控制的经编送经系统主要由送经控制单元、送经驱动装置、经轴测速反馈装置和主轴速度信号装置4个部分组成[8]，如图1所示。系统采用DSP作主控制器，送经驱动装置采用交流伺服电动机，利用测速压辊实时测得经轴盘头的即时外周长和实际送经量，获得下一周期送经电动机的指令转速，应用模糊PID控制算法实时修正经轴电动机速度，保证控制的快速性和准确性。

图1 送经系统控制流程图Fig.1 Let-off system control flow

2 控制系统的原理

系统采用DSP作主控制器，DSP主控制器根据设定的送经量、经轴初始外周长和当前主轴转速等数据计算得出当前周期经轴电动机的转速，并向送经伺服驱动器发出速度指令，送经伺服驱动器根据接收的速度指令，控制经轴电动机按照速度指令运动，同时伺服驱动器通过经轴电动机内置编码器的反馈得到经轴电动机的实际运转速度，从而实现伺服驱动装置的内环控制。

图2 测速压辊的结构图Fig.2 Measuring speed of feedback roller

图2示出测速压辊的结构图。经轴电动机按照指令转速传动经轴时，紧压在经轴纱线表面的测速压辊，由于摩擦传动，控制单元通过测速压辊内置的编码器的反馈计算出送经经轴即时外周长和实际送经量，即时外周长用于计算下一周期经轴电动机的速度指令，而获得的实际送经量会与送经量初始设定值进行比较，由主控制器(DSP)根据偏差通过智能模糊PID算法计算得出一个调整补偿量，实时调整控制伺服驱动系统，保证经轴的送经精度和稳定性[9-10]。

2.1 系统的控制算法

在机器以一定速度运行时，运动控制单元会读取跟随主轴运动的主轴编码器的反馈脉冲计算出机器当前速度Wz，再通过读取编织工艺所需的送经量等参数，计算出横列编织时经轴的指令转速

(1)

式中：Wz、Wb分别为主轴转速、经轴电动机的指令转速，r/m；CO为盘头上机时的外周长，mm；Fz为初始设定的送经量，mm/腊克；M为经轴电动机与经轴之间的减速比；480为每腊克的横列数。整理后得到指令转速[11-12]

(2)

在机器运行时，通过测速压辊的速度反馈和经轴电动机的即时速度反馈，获得经轴的即时外周长如式(3)所示。

(3)

式中：Wbi、Wr分别为经轴电动机的即时转速和测速压辊的转速；Ci、Cr分别为经轴的即时外周长和测速压辊的外周长；M为经轴电动机与经轴之间的减速比。整理后得到

(4)

通过测速压辊获得的即时外周长，计算下一周期经轴电动机的指令转速

(5)

式中：Wzi、Wbi+1分别为机器的主轴的转速和经轴的指令转数；Fzi表示下一周期的送经量；M为经轴电动机与经轴之间的减速比；480表示每腊克的横列数。将式(3)代入整理后得到Wbi+1为

(6)

2.2 经轴速度的差值调节

为保证经轴送经的精确性，在一个运算周期内，送经控制单元通过测速压辊反馈获得经轴的实际送经量，与送经量的原始设定值进行比较，再根据送经量的差值△Fz，通过控制器计算转化为经轴电动机指令转速的差值△W，再运用智能模糊PID控制算法，将电动机指令速度偏差值转化为速度调整补偿量，得出一个新的速度指令，伺服驱动器接收新的速度指令后，实时控制经轴电动机运动，保证送出的经纱量符合工艺要求[13]。

由于测速压辊和经轴盘头的相对运动，所以压辊和经轴盘头表面的线速度V相同。

再根据：

得到实际的送经量Fzr为

(7)

再根据送经量的差值△Fz，转化为电动机指令转速的偏差值△W，再将速度偏差值转化为速度调整补偿量来调整经轴电动机的转速，实现送经量的在线调整，保证经轴送经的稳定性和准确性。

(8)

3 系统的可行性验证分析

3.1 送经系统的可行性测试

全闭环控制的经编机送经系统，在经编机器运行过程中，紧压在经轴盘头上的压辊(图2)因为摩擦会做相对运动，测速压辊运动过程中，通过压辊的编码器脉冲反馈得到测速压辊的转速，从而计算出经轴电动机的下一周期的速度指令，所以该系统中压辊测速的准确性，对保证系统的合理性和可行性至关重要。

为验证测速压辊测速的准确性，实验采用SCM01型四通道声振分析仪，在经编机运行时，同步采集测速压辊和经轴电动机的运转脉冲信号，实时监测压辊和经辊电动机的速度。因为机器运行时压辊和经轴盘头表面的线速度相同，所以同步采集测速压辊和经轴电动机的速度脉冲信号，可同步测得测速压辊和经轴电动机的实际运行速度，然后再经换算后，可对比分析压辊测速的准确性。

实验在Karl Mayer的HKS4型高速经编机上搭建平台，用固高的运动控制卡(GT2型)为送经的控制单元，用三菱的MR-JE(1.5 kW)型的伺服和电动机作为送经的交流伺服系统，用旋转编码器(RV型)作为测速压辊内置的编码器，Karl Mayer的HKS4型高速经编机幅宽为3 454 mm、机号为E28，最高机速为1 400 r/min。测试经轴为GB3，当前外周长为975 mm、内周长为630 mm、余圈数9 966，压辊外周长为251.2 mm，在HKS4型经编机上，上机编织工艺为：GB3，1-0/1-2//；GB4，1-2/1-0//。

送经量分别为：GB3，1 220 mm/腊克；GB4，1 200 mm/腊克；牵拉密度，21横列/cm。

实验中将压辊的转速信号(A信号)和经轴电动机的转速信号(A信号)分别接入SCM01型四通道声振分析仪的2个转速通道中,运行计算机上的LMSTest.Lab测试与分析软件，按压辊编码器和经轴电动机编码器的分辨率分别设置相应参数，实验中采样周期为5 s、采样频率为1 kHz(经多次实验，寻求较佳的设置)。为保证测速压辊的准确性，避免机械振动等的干扰，实验测试过程中待机器速度稳定后，再分别采集主轴速度为810 r/min时压辊速度和经轴电动机速度的实时动态曲线，结果如图3所示，测试时经轴外周长为975 mm。

图3 测速压辊和经轴电动机速度曲线图Fig.3 Speed of feedback roller and beam motor

在机器正常运行时，经轴电动机的理论速度如式(7)所示，紧压在经轴盘头的测速压辊因为摩擦作用也会做相对运动，所以根据压辊与经轴表面的线速度相同，可得到测速压辊的理论速度如式(8)所示。再根据送经量Fzi(1 220 mm/腊克)，主轴转速Wzi(810 r/min)，盘头的外周长Ci(975 mm)，压辊的外周长Cr(251.2 mm)，可以得到经轴电动机(191 r/min)和测速压辊的理论速度值(8.2 r/min)，再与实际值相比较。

再根据

v=2πrw=cw

整理得到：

(10)

式中：Wbi为经轴电动机的实时速度；Wri为测速压辊的实时转速，r/min；Wzi为机器的实时转速，Fzi为当前周期的送经量,mm/腊克；Ci为经轴盘头的实时外周长，mm；Cr为测速压辊的外周长，mm；M为经轴与电动机之间的传动比。

图3中测速压辊和经轴电动机的实时速度曲线说明了经编送经控制系统是一个时刻发生变化的非线性系统，而且压辊和经轴电动机的速度是一个明显的跟随曲线，从测速压辊的速度曲线与经轴电动机速度曲线的波形图对比可知，测速压辊的实际速度在8.1～8.3 r/min之间波动，经轴电动机的实际速度在190～192 r/min之间波动，与理论值相符。说明设计的基于闭环控制的经编机控制系统合理，可行，在机器运行过程中测速压

辊自带的编码器可准确地测量出压辊的转速，保证了获得盘头的即时外周长和实际送经量的准确性。3.2 全闭环与半闭环控制的比较分析

实验通过SCM01型四通道声振分析仪采集测速压辊速度和经轴电动机速度的实时动态曲线，对比分析说明了全闭环控制送经控制系统的合理与可行性，实验中再采用三菱伺服监测软件MR-Configurator2，采集带测速压辊的闭环控制与不带测速压辊的半闭环送经系统的电动机指令速度和电动机的实际反馈速度波形曲线，因为在机器运行过程中，送经驱动装置的伺服驱动器会根据控制单元下达的速度指令，驱动电动机按照指令速度运动，在运动过程中，伺服电动机内自带的编码器会反馈电动机的实际运动速度，所以通过采集电动机的2种曲线，可清晰地从速度曲线图像上对比分析2种送经系统的优劣。

在执行测量、采集波形前，需要先进行触发条件的设置、测量对象轴与测量对象监视数据类型的设置。在同一机器、工艺不变的情况下，选定经轴GB3为测量对象轴，测量对象为伺服电动机的指令速度和电动机速度即实际反馈速度，采集周期为200 ms。采集机器主轴转速在600 r/min和800 r/min时，半闭环和的全闭环控制下，送经电动机的速度指令曲线和电动机速度曲线如图4、5所示。

图4 主轴速度为600 r/min时送经电动机速度跟随图像Fig.4 Speed following of let-off motor at spindle speed of 600 r/min. (a) Semi closed loop control; (b) Closed loop control

图5 主轴速度为800 r/min时送经电动机速度跟随图像Fig.5 Speed following of let-off motor at spindle speed 800 r/min. (a) Semi closed loop control; (b) Closed loop control

从图4、5中可看出：半闭环的送经控制系统(不带测速压辊)的送经电动机指令速度图像基本是直线，在送经周期内基本没有出现即时的波动，送经电动机速度曲线时刻在发生变化，然而并没有跟随电动机指令速度(142 r/min、189 r/min)正常上下波动，实际速度值要比指令速度值大；全闭环送经系统(带测速压辊)的送经电动机指令速度图像不是直线，而是出现即时波动的曲线，送经电动机速度曲线也时刻在发生变化，并且跟随电动机指令速度上下波动，速度平均值基本与指令速度值相同。

由于本实验设计的闭环送经系统，是根据测速压辊得到经轴盘头的即时外周长和实际送经量，通过获得即时的外周长和实际的送经量来计算和调整送经电动机的速度指令和实际速度，所以闭环送经系统的速度指令图像是会发生变化的，并且能保证电动机速度能很好地跟随速度指令，避免出现过大的偏差，保证了送经系统的稳定性、精确性和响应性。

通过在不同主轴速度下采集半闭环和全闭环控制下送经电动机的速度指令和送经电动机速度图像，说明设计的全闭环送经控制系统较半闭环送经系统有更好的稳定性，送经精度以及响应性。

4 结 论

1)本文通过捕捉全闭环经编电子送经系统中测速压辊和经轴电动机的同步、实时的速度曲线，说明了测速压辊测速的准确性，以及基于闭环控制的经编控制系统的合理性和可行性。

2)通过送经电动机的速度指令与电动机速度(即实际速度)曲线的对比分析，说明了设计的全闭环控制送经系统较半闭环控制送经系统有更好的稳定性、送经精度、响应性。

3)本文主要介绍了设计的基于闭环控制的经编送经系统的设计原理、方法和硬件的组成，再通过对比实验，验证了系统的合理性和可行性，说明了闭环控制的送经系统有更好的稳定性、送经精度、响应性。接下来将进一步研究该系统在高速条件下的系统稳定性、响应特性等。

FZXB

[1] 陈红霞.经编电子送经系统的研究与开发[D].无锡:江南大学，2005：31-39. CHEN Hongxia. The study and development ofelectronic beam control system in warp knitting[D].Wuxi: Jiangnan University,2005:31-39.

[2] 张琦，汤友章.经编机电子送经反馈控制及误差分析[J].针织工业，2008(8)：34-36. ZHANG Qi, TANG Youzhang. Feedback control and error analysis on warp knitting machine electronic sys-tem[J]. Knitting Industry,2008(8):34-36.

[3] 任雯，胥布工.基于FI-SNAPID算法的经编机多速电子送经系统开发[J].浙江大学学报，2013，47(10)：1715-1718. REN Wen, XU Bugong. Development of multi-speed electric let-off system for warp knitting machine based on FI-SNAPID algorithm[J].Journal of Zhejiang University,2013,47(10):1715-1718.

[4] KARL Mayer. New mechatronic solutions on lace rachel manchines[J]. Kettenwirk Praxis,2004(1):6-8.

[5] 刘和平.DSP原理及电动机控制应用：基于TMS320LF240X系列[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006：47-58；181-229. LIU Heping. DSP Principle and Motor Control Applications: Based TMS320LF240X series [M].Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,2006:47-58;181-229.

[6] 胡玉汞.基于DSP的经编电子送经控制系统研究[J].河南工程学院学报(自然科学版)，2008，20(1)：15-17. HU Yugong. Research on the electronic let-off control of warp knitting based on DSP[J]. Journal of Henan Institute of Engineering(Natural Science Eidition),2008,20(1):15-17.

[7] 张海旺，潘松峰，于鸿征.基于DSP的电子送经卷取控制系统研究[J].青岛大学学报工程技术,2006(1)：59-61. ZHANG Haiwang, PAN Songfeng, YU Zhenghong. The study of DSP-based electronics and take up control system[J]. Qingdao University Engineering and Technology, 2006(1):59-61.

[8] 夏风林.伺服控制电子送经测速压辊的作用分析[J].纺织学报，2008，29(7)：95-99. XIA Fenglin. Function analysis of feedback roller on electrical beam control based on servo control[J]. Journal of Textile Research,2008,29(7):95-99.

[9] 汤红诚，李著信.Matlab在模糊PID伺服系统控制中的应用[J].仪器仪表学报，2003，24(2)：595-596. TANG Hongcheng, LI Zhuxin. The use of MatLab in fuzzy PID servo system control[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument,2003,24(2):595-596.

[10] 刘苏，夏风林，张琦，等.经编电子送经的模糊PID控制设计[J].纺织学报，2013，34(8)：128-132.

LIU Su, XIA Fenglin, ZHANG Qi, et al. Fuzzy PID control design of electronic yarn let-off system on warp knitting machine[J].Journal of Textile Research,2013,34(8):128-132.

[11] 王道兴.电子送经系统经轴线速度计算公式的探讨[J].纺织学报，2007，28(12)：110-112. WANG Daoxing. A probe to the calculation model of the warp beam linear speed of electronic let-off system[J]. Journal of Textile Research,2007,28(12):110-112.

[12] 王文进，蒋高明.经编多速电子送经系统控制过程与控制算法[J].纺织学报，2007，28(9)：110-113. WANG Wenjin, JIANG Gaoming. Control process and algorithm on warp knitting multi-speed electronic let-off system[J]. Journal of Textile Research,2007,28(9):110-113.

[13] 夏风林.全闭环经编送经系统PID控制算法设计[J].针织工业，2012(7):56-59. XIA Fenglin. The control algorithm design of the closed loop warp let-off system PID[J]. Knitting Industries,2012(7),56-59.

Application of closed loop control on warp knitting of let-off system

WANG Junke, XIA Fenglin

(EngineeringResearchCenterforKnittingTechnology,MinistryofEducation,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

The warp knitting machine control system is a nonlinear system at a time of change for the warp production. It is required to have fast response, high control accuracy and stability, particularly to high-speed warp knitting machine. The system was designed on the basis of the closed loop control of the let-off system of a warp knitting machine. The principle, method and components were introduced in this paper. The DSP digital controller is created as a warp core component of the control unit. It is showed that the beam motor speed for the next period is obtained by measuring via a feedback roller. Besides to achieve the let-off system of real-time online adjustments, it is calculated and corrected in intelligent PID controller according to the deviation of amount of let-off. When a contrast is made, it is concluded the system possesses the nature of high accuracy, response and stability.

warp knitting; let-off system; closed loop control; feedback roller

10.13475/j.fzxb.20160606806

2016-06-27

2016-11-15

中央高校基本科研业务费专项资金重点项目(JUSRP51404A); 江苏省产学研联合创新资金-前瞻性联合研究项目(BY2015019-20)

王俊科(1990—)，男，硕士生。主要研究方向为数字化纺织技术。夏风林，通信作者，E-mail：xiafl_622@163.com。

TS 184

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