摘 要：本文介紹特寬幅織機計算機控制系統的分析與設計方法。主要介紹經軸退繞過程數學模型、送經伺服控制系統、張力控制系統、卷取控制系統以及送經－卷取同步控制系統。基于數學模型，完成了控制系統組態。在控制算法方面，除了常規的張力閉環和速度閉環控制外，還應用了自整定、信號自適應、變增益以及多模態等先進控制策略。織機已投入生產使用，用戶取得了良好的經濟效益和社會效益。
關鍵詞 ：特寬幅織機　退繞過程數學模型　自整定　信號自適應　變增益 多模態控制
1.引 言
（1） 應用行業
產業用織物包括機織土工布、工業用呢和工業用網。這類織機具有特寬幅、超重型的特點，一般幅寬在4至18米之間，最寬可達30米。國外只有少數幾家公司能夠生產特寬幅織機。因此，研究特寬幅織機控制系統具有重要意義。研制的控制系統也適用于通用織機。
（2）使用的產品
特寬幅織機控制系統如圖1所示。使用歐姆龍公司中大型——CS1系列PLC，包括PA209R（電源單元）、CS1H-CPU65H（CPU單元）、CP114（凸輪定位器單元）、CT041（高速計數器單元）、AD081-V1（模擬量輸入單元）、DA08V（模擬量輸出
單元）、ID231（DC輸入單元）、OD231（晶體管輸出單元）、OC211（繼電器輸出單元）、INT01（中斷輸入單元）、ENT21（Ethernet單元）、CPU底板以及擴展底板等。
2.應用的主要工藝點及要解決的主要問題
特寬幅織機控制系統框圖如圖1所示。系統由送經伺服控制系統、 卷取控制系統、送經與卷取同步控制系統、織機啟動/制動控制系統、測長及定長控制系統、液壓投梭控制系統、引緯控制系統、單動多臂機構控制系統及自動潤滑系統等組成。主要工藝點是特寬幅織機五大運動的協調運行和最佳匹配。織機在織造過程中，對張力（包括經紗張力、織物張力、緯紗張力等）、速度（包括送經速度、卷取速度、提綜速度、打梭棒打梭速度、引緯速度等）和各執行機構開始動作與結束動作的時間配合等要求很嚴格，若控制不當或彼此之間配合不好，將會影響產品的質量和生產效率，甚至會發生嚴重的生產事故，影響人身安全。
要解決的主要問題是實現各個部分在動態過程中的高精度協調運行，保證經紗張力、緯紗張力及織物張力符合工藝規定的數值。

3.應用方案簡介
織機的控制系統包括10個控制子系統：
（1） 送經控制系統；
（2） 卷取控制系統；
（3） 送經與卷取同步控制系統；
（4） 織機的啟動控制系統（包括正常啟動、點動、投一梭、前心、后心、上軸）；
（5） 織機的制動控制系統（包括正常關車、斷經自停、斷緯自停、滿匹停車、護經檢測自停、緊急制動）；
（6）測長及定長控制系統；
（7）液壓投梭控制系統；
（8） 引緯控制系統；
（9） 單動多臂機構計算機控制系統；
（10）自動潤滑系統。
計算機控制系統由IPC610H型工控機、CS1型可編程控制器（PLC）、SR93型智能調節器及觸摸屏等組成。織機的運動控制、順序控制和邏輯控制任務由CS1型可編程控制器來完成；溫度和壓力控制任務由SR93型智能調節器來完成。采用PWS6800C-P型觸摸屏，用于工藝參數設定、變量數值顯示、織機的開車、停車以及報警等。
4.應用方案詳細介紹
4.1 送經伺服控制系統（電子送經:ELO）
（1） 送經伺服控制系統組成
送經伺服控制系統由經軸、減速器1、伺服電機1、伺服驅動器1、導輥、后梁、經紗張力檢測、編碼器、可編程控制器、工控機以及觸摸屏等組成。其作用是：織機每引一緯，經軸送出定量的經紗，并給經紗以一定的張力，以滿足開清梭口、打緊緯紗的要求，獲得一定緊度和結構的織物。
（2） 經軸退繞過程數學模型
為了有效地對經軸退繞過程進行控制,首先要建立退繞過程的數學模型。
經軸上經紗的轉動慣量Jb為：

轉矩平衡方程式為：

以上，式（1）～（13）描述了經軸退繞過程的動力學特征，為非線性、時變數學模型。
（3） 經軸退繞伺服控制系統
針對退繞過程的數學模型來設計退繞伺服控制系統。控制策略包括經紗張力閉環控制、變增益（增益調度）、變積分時間常數控制、信號自適應控制和多模態控制。
•張力閉環控制
根據式（10）、式（11）和式（13），經軸半徑r1在退繞過程中是逐漸減小的，如果經軸角速度不變，則線速度V1也逐漸減小，導致每織一緯的送經量逐漸減少，造成經紗張力F逐漸增大，這是不允許的。為了使經紗張力穩定在設定值上，首先實現基礎控制即張力閉環控制。
•變增益、變積分時間常數控制
根據誤差的大小自動改變增益值和積分時間常數，達到響應快、抑制超調和無穩態誤差的目的，這就是智能控制的思路。由PLC實現變增益、變時間常數控制。為實現這種控制，在控制程序中應用BCMP（68）指令，將誤差劃分為16級，即16個范圍，當誤差落在某個范圍內時，相應的位變為ON，則調出相應的增益值和積分時間常數。共有16個增益和16個積分時間常數可供自動調用，根據誤差大小自動改變控制器的參數，從而穩定了經紗張力。
• 信號自適應控制
根據經軸的實際半徑，即每當經軸退繞一層紗線，控制器就自動地改變控制輸出，通過傳動鏈使送經量保持在設定值上，這就是信號自適應控制。經軸半徑信息由式（10）求得，退繞層數n1由編碼器PG1的脈沖數經計算得到。在張力閉環控制的基礎上，采用變增益、變積分時間常數和信號自適應控制，有效地減輕了張力閉環控制的負擔，改善了系統的動態性能，穩定了經紗張力。
4.2 卷取伺服控制系統（電子卷取:ETU）
卷取伺服控制系統由工控機、PLC、觸摸屏、伺服驅動器2、伺服電機2、減速機2卷取輥、導輥、胸梁、張力傳感器2以及編碼器等組成，其任務是與主機旋轉保持同步，變緯密自適應，卷取輥應提供足夠的握持力，保證穩定地傳送織物。
4.3 送經與卷取同步控制
送經與卷取同步控制裝置的作用是在織機運轉過程中，保持最精確的緯密和恒定的經紗張力，也就是保證送經與卷取完全同步，并且與織機的主傳動系統同步。
PLC讀取經紗張力傳感器信號、送經量編碼器PG2信號、織物緯密傳感器信號、織物張力傳感器信號、主軸編碼器PG3信號和卷取量編碼器PG4信號，根據式（13），協調送經、開口和卷取伺服系統，保證經紗張力恒定和緯密精確，并防止停車檔產生。
4.4 伺服系統的自整定
（1） 常規自動增益整定（nominal gain auto-tuning）
按照預設定（內部設定）的模式使電機加速和減速，可從所需轉矩計算負載的慣量，然后根據慣量自動地決定適當的增益。
（2） 實時自動增益整定（real time gain auto-tuning）
在實際運行期間，實時地計算當時的負載慣量，自動地確定適當的增益，并根據負載的起伏及時地整定增益。在整定前要選擇機械剛性。還要根據負載情況選擇實時自動整定模式，分為負載慣量幾乎不變化、負載慣量變化小和負載慣量變化快三種。實踐證明，增益自整定顯著地改善了伺服驅動器、伺服電機以及機械裝置之間的匹配性能，縮短了系統的調試時間。
5.應用方案取得的效果
本項目已完成，特寬幅織機已投入生產運行，用戶取得了明顯的經濟效益和社會效益。
6.應用方案的示范性
本文介紹的特寬幅織機控制系統的分析、設計及調整方法也適用于普通織機。
參考文獻
[1] 歐姆龍（中國）有限公司.可編程控制器CS1系列編程手冊.上海：OMRON
[2] 歐姆龍（中國）有限公司.CS/CJ系列可編程控制器指令參考手冊. 上海：OMRON
[3] Panasonic. 交流伺服電機驅動器MINAS A系列使用說明書.Japan：Matsushita Electric Industrial Co.,Ltd,2002
作者簡介
楊公源 教授 現任天津工業大學計算機技術與自動化學院智能控制研究室主任 曾任日本東京都立大學客座研究員，主要從事自動化和機電一體化的教學、科研、實驗等工作。