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并条牵伸过程建模及控制研究

作　者: 张敏聪
导　师: 李从心
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 并条机牵伸罗拉并条机仿真模型系统辨识自调匀整控制混合环控制系统
分类号: TS103.224
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

纤维材料加工是材料加工的重要分支,并条又是纤维材料加工中的一道重要工序。并条机自调匀整控制是指对并条过程中输出棉条的重量不匀进行自动调整,它对并条工序及后续工序的产品质量起着关键性作用。这是因为在并条过程中,输出棉条断面粗细不匀的变化是一种随机过程,它包括着各种形式的不匀。如果不对棉条不匀加以控制,所加工棉条的不匀将会被带入后续的各道工序,最终导致纱线品质指标下降,严重影响织物的质量,因此并条机自调匀整研究成为纤维材料加工领域的一个重要研究方向。由于并条机的牵伸机理十分复杂,参数多变,几乎不可能建立精确的数学模型,给并条机自调匀整调节带来很大困难。目前只是少数几家国际企业掌握并条机的自调匀整技术,并且作为保密技术不对外公开。在国内,尽管已有多家企业开发了自己的并条机自调匀整装置,但是匀整效果与国外同类产品相比还有一定差距。所以对并条过程进行建模与仿真,并在此基础上,设计和开发高性能并条机自调匀整控制装置,对我国棉纺织技术的提高具有重要的理论意义和实用价值。针对以上问题,本文作了如下研究:综合运用棉纺工艺学理论、动力学建模技术及计算机仿真技术,在对并条机牵伸机理研究分析的基础上,着重从棉条在牵伸区的变化情况入手,首次将棉条厚度在牵伸过程中的变化情况看成为增益可变的牵伸环节,提出了牵伸增益曲线,并利用Matlab仿真环境,建立了并条机变牵伸模型。为了验证该模型的正确性,将并条机变牵伸模型模拟得到的输出数据与实际采集的并条机输出数据进行了对比分析,并比较了牵伸增益曲线的不同选取形式对并条机变牵伸模型的影响,分析结果表明本文所建立的并条机变牵伸模型能较真实的反映实际并条机的运行情况。针对并条机变牵伸模型精度较差的问题,本文提出采用系统辨识中的线性离散动态模型,用并条机的实际输入和输出棉条信号进行系统辨识,建立并条机的辨识模型。对现场采集的棉条输入和输出数据进行预处理后,采用以信号分析为基础的相关法计算出辨识模型中的延迟时间。根据模型得到的仿真输出数据与实际采集到的棉条输出数据相比较,辨识模型的精度高于理论模型,且结构简单,调试方便,具有良好的通用性。在分析并条机自调匀整控制系统的基础上,从系统辨识的角度将并条机的工作过程分为控制通道和牵伸通道两部分,将伺服系统的控制量和喂入棉条厚度作为系统输入信号,将输出棉条厚度作为系统输出信号,建立了可以应用于并条机自调匀整控制的辨识模型。在所建立的控制系统辨识模型的基础上,对自调匀整开环控制系统进行了仿真研究。比较了加入自调匀整控制后输出棉条的仿真数据和未加入自调匀整控制时输出棉条的仿真数据,分析结果显示自调匀整控制的效果较好,达到了降低棉条片段不匀率的目的。建立了并条机自调匀整混合环控制系统,在混合环控制系统中采用了一种新的差时控制方法。该方法对开环前馈控制和闭环反馈控制采用不同的控制周期。在所建立的并条机自调匀整系统的应用中,取得了非常满意的效果,重点解决了输出棉条定量波动的影响。对并条机自调匀整控制系统的组成进行了深入分析和研究,介绍了并条机自调匀整系统硬件的一些选取原则及选择结果,并对控制系统的软件部分进行了设计分析,重点从软件工程的角度,对软件的构架进行了设计,并深入分析了主程序与中断服务程序各自的功能和实现方法。对所建立的并条机自调匀整控制系统在并条机FA398A上进行实验验证,结果表明输出棉条的质量和匀整效果均有明显提高。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-24
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 并条工艺及并条机概述  11-12
    1.2.1 并条机的发展历程  11
    1.2.2 并条机的在线监测系统  11-12
  1.3 自调匀整概述及研究现状  12-19
    1.3.1 自调匀整概述  12-14
    1.3.2 并条机自调匀整的分类  14-17
    1.3.3 研究现状及存在的问题  17-19
  1.4 本文研究的意义和主要内容  19-20
    1.4.1 本文研究的意义  19
    1.4.2 本文研究的主要内容  19-20
  本章参考文献  20-24
第二章并条机变牵伸模型与Matlab仿真  24-46
  2.1 引言  24
  2.2 并条机的结构与原理  24-27
    2.2.1 并条机的工序概述  24-26
    2.2.2 并条机的牵伸机理  26
    2.2.3 并条机特征分析  26-27
  2.3 并条机牵伸模型分析  27-31
    2.3.1 并条机系统分析  27-28
    2.3.2 现有的并条机牵伸模型  28-30
    2.3.3 并条机变牵伸模型机理  30-31
  2.4 并条机变牵伸模型的建立与仿真  31-35
    2.4.1 Matlab/Simulink仿真环境简介  31-32
    2.4.2 基于Matlab的并条机仿真模型  32-35
  2.5 并条机变牵伸模型仿真结果分析  35-44
  2.6 本章小结  44
  本章参考文献  44-46
第三章并条机系统辨识模型与Matlab仿真  46-64
  3.1 引言  46-47
  3.2 系统辨识建模方法概述  47-53
    3.2.1 系统辨识的基本概念  47
    3.2.2 动态系统的差分方程描述方法  47-49
    3.2.3 最小二乘辨识法概述  49-53
  3.3 并条机模型辨识及Matlab仿真  53-63
    3.3.1 棉条输入输出数据预处理  53
    3.3.2 系统辨识延迟时间的确定  53-55
    3.3.3 一阶模型辨识及仿真  55-59
    3.3.4 二阶模型辨识及仿真  59-63
  3.4 本章小结  63
  本章参考文献  63-64
第四章基于系统辨识的并条机自调匀整控制  64-90
  4.1 引言  64-65
  4.2 并条机自调匀整系统结构分析  65-66
  4.3 并条机自调匀整系统的控制方式  66-67
    4.3.1 自调匀整控制方式  66
    4.3.2 自调匀整牵伸调节方式  66-67
  4.4 并条机自调匀整控制系统辨识模型  67-76
    4.4.1 并条机自调匀整控制系统的建模方案  67-68
    4.4.2 并条机控制系统模型辨识  68-76
  4.5 并条机自调匀整开环控制系统分析  76-81
    4.5.1 开环控制系统原理图  76-77
    4.5.2 控制算法  77-79
    4.5.3 仿真实验及结果分析  79-81
  4.6 并条机自调匀整混合环控制系统分析  81-87
    4.6.1 混合环控制系统原理图  81-82
    4.6.2 混合环差时控制算法研究  82-85
    4.6.3 仿真实验及结果分析  85-87
  4.7 本章小结  87-88
  本章参考文献  88-90
第五章并条机自调匀整系统的设计  90-108
  5.1 引言  90
  5.2 自调匀整系统的硬件设计  90-98
    5.2.1 硬件系统结构与控制方法  90-91
    5.2.2 自调匀整控制计算机  91-92
    5.2.3 伺服驱动器和伺服电机  92-93
    5.2.4 主电机（变频电机）  93-94
    5.2.5 信号检测系统  94-97
    5.2.6 触摸屏  97-98
  5.3 自调匀整系统的软件设计  98-106
    5.3.1 软件功能描述  98
    5.3.2 软件开发方法  98-99
    5.3.3 主程序  99-102
    5.3.4 中断服务程序  102-105
    5.3.5 人机界面  105-106
  5.4 本章小结  106-107
  本章参考文献  107-108
第六章并条机自调匀整系统的试验验证  108-114
  6.1 引言  108
  6.2 并条机数据采集  108-109
  6.3 试验验证  109-113
    6.3.1 匀整效果评估原则  109-110
    6.3.2 试验验证  110-113
  6.4 本章小结  113
  本章参考文献  113-114
第七章结论与展望  114-116
  7.1 全文总结  114-115
  7.2 工作展望  115-116
致谢  116-117
作者在攻读博士学位期间完成的论文  117-119

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