专利名称：一种电脑横机的牵拉控制系统及其数学模型的建模方法
技术领域：
本发明涉及一种纺织的方法及设备，特别涉及一种电脑横机的牵拉控制系统及其数学模型的建模方法。
背景技术：
牵拉是利用牵拉机构将旧线圈拉向针背，达到紧张的目的，不得脱出针勾，同时将已成形的织物引出成形线圈区域，以进行下一横列编织的成圈工作。卷取牵拉控制系统是高性能电脑横机系统中的一个重要组成部分，对成形织物的均匀度和平整度影响较大。恒张力牵拉是生产羊绒类高档毛衫织物必须具备的控制机构。目前国内的大多数电脑横机往往都忽略了驱动部件尤其是牵拉卷取部件的改进和完善，从而制约了高档毛衫类产品的生产技术水平，影响了此类产品的市场竞争力。
发明内容
本发明针对以上缺点，提供了一种电脑横机的牵拉控制系统及其数学模型的建模方法。为实现上述目的，本发明采取下述技术方案来实现一种电脑横机的牵拉控制系统数学模型的建模方法，所述牵拉控制系统分别连接牵拉机构和牵拉电动机，牵拉机构包括辅助牵拉辊和主牵拉辊，其特征在于，所述方法包括以下步骤电动机和牵拉机构的力矩平衡式为TD(t) = F0R(t)+J(t) ω (t)，其中TD(t)为电动机输出转矩，H)为牵拉张力，R(t)为牵拉辊半径，J(t)为牵拉辊的转动惯量，ω (t)为牵拉辊的角速度；假设纱片在牵拉辊入口处的速度V为恒线速度时，可得
ω = (-—)■—
.dtdtR2' dtJ(t)非常复杂，J · ω (t)这一项很难计算。在实际处理时，可由转动物体惯量补偿措施来补偿因转速变化引起的附加转矩。因此可得到Td (t) = R0R ⑴由上式可知，要保持牵拉张力H)恒定，只要控制TD(t)/R(t)恒定。本发明还提供了一种电脑横机的牵拉控制系统，所述控制系统包括转矩控制环、速度控制环和张力控制环，其中张力控制环位于最外层，中环为速度控制环，内环为转矩控制环。进一步的，所述控制系统还包括模糊处理器，张力调节器，牵引力控制系统和逆变器。所述张力控制环和速度控制环之间设置有一个模糊控制器，速度控制环与转矩控制环之间设置有牵引力控制系统，转矩控制环与电机之间，设置有另一个模糊控制器和逆变器，此模糊控制器与转矩控制环直接连接，逆变器分别连接模糊控制器和电机。优选的，所述模糊控制器采用二维输入结构。进一步的，模糊控制器的控制系统包括，模糊化单元，模糊推理单元和清晰化单元，其中模糊推理单元分别与模糊化单元和清晰化单元相连接。所述模糊控制器的控制方法包括以下步骤首先取误差e及误差变化率d e/dt为模糊控制器的输入量，进入模糊化处理单元，经过模糊化处理，然后E及EC分别对应为模糊化的二维输入，进入模糊推理单元进行模糊推理，输出Un，最后通过清晰化单元处理后得到去模糊化的输出Uo。本发明还提供一种电脑横机牵拉系统张力控制的方法，包括以下步骤a.设定张力Fg和张力反馈Ff输入张力控制环，再经过模糊控制器，得到精确量，输出到速度控制环；b.速度控制环输出恒定的线速度，通过牵引力控制系统，输入到转矩控制环； c.转矩控制环输出值通过模糊控制器，接着通过逆变器，反馈到电动机。与现有技术相比，本发明具有以下优点建立了电脑横机的牵拉控制系统数学模型，有效稳定电机的运转速度，进而保证编织张力的恒定。将模糊控制引入异步电动机的直接转矩控制，改善张力控制性能。经过非模糊化处理后的精确量输出到速度环，再通过变频装置控制电机转速，实现了织物的恒张力控制，提高了成形织物的均匀度和平整度。
图I是本发明电脑横机的卷取牵拉系统的示意图。图2是本发明的一个实施例中电脑横机牵拉控制系统的示意图。图3是本发明的一个实施例中模糊控制器控制系统的示意图。
具体实施例方式本发明根据电脑横机的工作原理，建立了一个完整的牵拉卷取控制系统的数学模型。建立该数学模型的方法包括以下步骤首先，确立用于传动的电动机和牵拉机构的力矩平衡式为Td (t) = F0R (t)+J ⑴ ω (t),其中TD(t)为电动机输出转矩，F。为牵拉张力，R(t)为主牵拉辊半径，J(t)为主牵拉辊的转动惯量，ω (t)为主牵拉辊的角速度；然后，假设纱片在主牵拉辊入口处的速度V为恒线速度时，可得
>,、da) r, d(M R) 1 . I、c/R
\ ^ \ ZZZ ——— ΖΣΖ ψ ———————— !ZZ · -—— \ ·——
dtdtR2' dt
IJ(t)非常复杂，J · ω (t)这一项很难计算。在实际处理时，可由转动物体惯量补偿措施来补偿因转速变化引起的附加转矩。因此可得到Td (t) = F0R (t),由上式可知，要保持牵拉张力F。恒定，只要控制TD(t)/R(t)恒定。本发明的一个实施例中，如图I所示的电脑横机卷取牵拉系统，包括卷绕罗拉1，牵拉机构2，牵拉控制系统3，卷轴4，电动机5，卷径计算装置6和传感器7。其中牵拉机构2包括辅助牵拉辊21和主牵拉辊22，主牵拉辊22起主要的牵拉作用，由电动机5控制，通过程序控制改变电动机5的转动速度进而改变牵拉力的大小。织物丝线通过卷绕罗拉1，和牵拉机构2进行卷绕，再导入卷轴4，在设置的路线来回走丝卷绕成形。卷径计算装置6输出数据分别传输到牵拉控制系统3和传感器7中，牵拉控制系统3和传感器7的输出共同作用控制电动机5，再由电动机5控制牵拉机构2的牵拉张力和织物的线速度。本发明中，牵拉控制系统主要包括张力设定、张力检测和张力控制。其中张力设定的给定值可根据所要生产的各种衣片的不同伸长率的需要来设定。张力检测可以采用张力调节辊带动电位计方式或者张力传感器完成。张力控制实质上是电动机的转速控制或者转矩控制。根据实际生产需要，所述张力控制为基于模糊控制的恒张力控制系统图2所示的是上述实施例中牵拉控制系统。该控制系统包括张力控制环31，速度控制环32和转矩控制环33，其中张力控制环31位于最外层，速度控制环32位于中层，内层为转矩控制环33。·如图2所示，该控制系统还包括模糊控制器34，牵引力控制系统35，逆变器36。其中张力控制环31和速度控制环32之间设置有一个模糊控制器34，速度控制环32与转矩控制环33之间设置有牵引力控制系统35，转矩控制环33与电动机5之间，设置有模糊控制器34和逆变器36，其中此处的模糊控制器34与转矩控制环33直接连接，逆变器36分别连接模糊控制器34和电动机5。本发明中模糊控制器的设计可根据实际应用情况进行多种设计。本发明的一个较好实施例中，模糊控制器采用二维输入结构，具体结合图3进行描述。如图3所示，模糊控制器的控制系统包括，模糊化单元341，模糊推理单元342和清晰化单元343，其中模糊推理单元342分别与模糊化单元341和清晰化单元343相连接。所述模糊控制器的控制方法包括以下步骤首先取误差e及误差变化率de/dt为模糊控制器的输入量，进入模糊化处理单元341，经过模糊化处理，然后E及EC分别对应为模糊化的二维输入，进入模糊推理单元342进行模糊推理，输出Un，最后通过清晰化单元343处理后得到去模糊化的输出Uo。E模糊集含8个语言变量{NB,匪，NS, NZ, PZ, PS, PM，PB}，14级量化等级，其论域为{_6，-5，-4，-3，-2，-I, -O, +0，I，2，3，4，5，6} ;Ec 模糊集合含 7 个语言变量组成{NB，NM, NS，ZE, PS, PM，PB}，13 级量化等级，其论域为{_6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，模糊推理输UN也为7个语言变量组成{NB,匪，NS, ZE, PS, PM，PB}，15级量化等级，其论域为{_7，-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6,7} ο考虑到卷绕过程中，为使织物张力F和线速度恒定，设计出模糊控制规则库。利用极大极小推理和离散加权平均法，求得模糊控制表，控制过程为E = PM 且 EC = PS，则 Un = NB即ifE=PM and EM=PS then UN=NB综合各种控制参数，制定控制规则为，当误差大或较大时选择控制量以尽快消除误差，而当误差较小时选择控制量要防止超调，以系统的稳定为主。与本实施例相对应的，一种电脑横机牵拉系统张力控制的方法，包括以下步骤a.设定张力Fg和张力反馈Ff输入张力控制环31，再经过模糊控制器34，得到精确量，输出到速度控制环32 ；卷绕张力的波动主要是织物牵拉线速度的波动引起的，根据公式V = JiDn，其中，V为线速度，D为卷绕直径，η为电动机转速，因此要使V恒定，必须使电动机转速n a I/O,即n oc it, T为电动机转矩。因卷绕过程是一个动态时变过程，加上纱片伸长特性不一、卷绕张力有锥度变化等因素，张力与电动机的转速之间难于建立直接的数学模型，所以本发明中张力控制采用模糊控制策略。在张力控制系统中，电机驱动采用直接转矩控制技术，由于异步电动机本身的参数和拖动负载的参数等因素变化会影响到直接转矩控制的效果，将模糊控制引入异步电动机的直接转矩控制，将改善其控制性能。b.速度控制环32输出恒定的线速度，通过牵引力控制系统35，输入到转矩控制环33 ；c.转矩控制环33输出通过模糊控制器34，接着通过逆变器36，反馈到电动机5。经过非模糊化处理后的精确量输出到转矩控制环33，然后通过变频装置，本发明实施例中所用的是逆变器36，也可根据实际情况采用其他变频装置。所述逆变器36将直流电转化为交流电，由此控制电动机5转速，进而实现了恒张力控制。综上所述，本发明提供的电脑横机牵拉控制数学模型的建模方法，为电脑横机牵拉机构建立了完整的牵拉卷取控制系统数学模型，根据该模型可以设置合理的参数，保证织物张力F和线速度恒定。此外本发明提供的牵拉控制系统和控制方法，使用了模糊控制器，提高系统的响应速度和对扰动参数的控制能力，实现了恒张力控制，从而保证了织物的均匀度和平整度。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但不受其限定。任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明的技术方案，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
权利要求
1.一种电脑横机的牵拉控制系统数学模型的建模方法，所述牵拉控制系统分别连接牵拉机构和牵拉电动机，牵拉机构包括辅助牵拉辊和主牵拉辊，其特征在于，所述方法包括以下步骤 a.电动机和牵拉机构的力矩平衡式为TD(t)= F0R(t)+J(t) ω (t)，其中TD(t)为电动机输出转矩，Ftl为牵拉张力，R(t)为主牵拉辊半径，J(t)为主牵拉辊的转动惯量，《(t)为主牵拉辊的角速度； b.假设纱片在主牵拉辊入口处的速度V为恒线速度时，可得
2.一种电脑横机的牵拉控制系统，其特征在于，所述控制系统包括转矩控制环、速度控制环和张力控制环，其中张力控制环位于最外层，中环为速度控制环，内环为转矩控制环。
3.根据权利要求3所述的电脑横机的牵拉控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括模糊处理器，张力调节器，牵引力控制系统和逆变器。所述张力控制环和速度控制环之间设置有一个模糊控制器，速度控制环与转矩控制环之间设置有牵引力控制系统，转矩控制环与电机之间，设置有另一个模糊控制器和逆变器，此模糊控制器与转矩控制环直接连接，逆变器分别连接模糊控制器和电机。
4.根据权利要求4所述的电脑横机牵拉控制系统，其特征在于，所述模糊控制器为二维输入结构。
5.根据权利要求5所述的电脑横机牵拉控制系统，其特征在于，所述模糊控制器包括模糊化单元，模糊推理单元和清晰化单元，其中模糊推理单元分别与模糊化单元和清晰化单元相连接。
6.根据权利要求7所述的电脑横机牵拉控制系统，其特征在于，所述模糊控制器的控制系统方法为首先取误差e及误差变化率de/dt为模糊控制器的输入量，进入模糊化处理单元，经过模糊化处理，然后E及EC分别对应为模糊化的二维输入，进入模糊推理单元进行模糊推理，输出UN，最后通过清晰化单元处理后得到去模糊化的输出Uo。
7.一种电脑横机牵拉系统张力控制的方法，其特征在于，包括以下步骤 a.设定张力Fg和张力反馈Ff输入张力控制环，再经过模糊控制器，得到精确量，输出到速度控制环； b.速度控制环输出恒定的线速度，通过牵引力控制系统，输入到转矩控制环； c.转矩控制环输出值通过模糊控制器，再经逆变器，反馈到电动机。
全文摘要
本发明提供了一种电脑横机的牵拉控制系统数学模型的建模方法，建立了一个牵拉控制系统的数学模型；同时提供了电脑横机的牵拉控制系统，通过模糊控制来有效稳定电机的运转速度，从而确保编织时织物张力的恒定，提高成形织物的均匀度和平整度。
文档编号G05B17/02GK102937786SQ20121041715
公开日2013年2月20日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者任沙浦, 施丽莲, 朱烈锋 申请人:绍兴文理学院