譚寶成，陳 超，張立廣

（西安工業(yè)大學 電子信息工程學院，西安710021）

室溫下聚酯網(wǎng)特性比較穩(wěn)定，在織物定型過程中一般采用熱風箱（空氣對流加熱系統(tǒng)）對聚酯網(wǎng)表面加熱，來消除纖維分子的內(nèi)應力．由聚酯纖維的性質(zhì)可知，在熱風箱加熱過程中，溫度和張力必須保持恒定，不能出現(xiàn)大的波動，快速達到穩(wěn)定，超調(diào)量?。远ㄐ蜋C對溫度和張力控制器的性能要求很高．

在先前的定型機控制系統(tǒng)中大多數(shù)采用傳統(tǒng)PID控制器，它以其結構簡單、工作可靠、調(diào)整方便廣泛應用于工業(yè)控制中［1-2］．但傳統(tǒng)的PID控制器不能解決無超調(diào)和快速性之間的矛盾．所以近年來國內(nèi)外不少學者和工程研究了PID控制器的參數(shù)自整定方法，其中最典型的是美國FOXBORO公司推出的EXACT家式自整定控制器［3］．相比之下，自整定算法很好地抑制PID的超調(diào)，避免溫度大幅度擺動，快速穩(wěn)定的實現(xiàn)恒溫控制，算法簡單容易操作，并且誤差較?。闹袦囟?、張力控制是整個系統(tǒng)的核心，如果溫度和張力不匹配，溫度過高，會破壞纖維分子結構；過度牽伸，會導致聚酯網(wǎng)撕裂，尺寸過大；張力過小，則聚酯纖維分子內(nèi)部應力不能消除，達不到規(guī)定的尺寸。因此本系統(tǒng)將專家自整定PID應用到溫度張力控制算法中，跟據(jù)溫度和張力的耦合關系，實現(xiàn)對聚酯網(wǎng)的熱定型功能［4］．

1 定型機機械結構

拉幅定型機主要由主框架、懸臂梁、可移動前支架、主動輥、主動輥傳動裝置、拉伸輥、拉伸輥傳動裝置、拉伸架、拉伸架傳動裝置、拉幅架、拉幅架傳動裝置、熱風箱等結構組成［3］，結構示意圖如1所示．

圖1 定型機結構示意圖Fig．1 The schematic of a setting machine

1）主動輥部分．主動輥部分由主動輥、減速箱、變頻器等組成．主動輥傳動環(huán)狀織物，要求可逆運行，主動輥的速度在要求的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，所以采用交流調(diào)速方案．

2）拉伸部分．拉伸部分由拉伸輥、拉伸架、雙螺旋錠軸、減速箱、拉伸電動機、拉伸調(diào)速器以及傳感器等組成．在拉伸過程中要求織物的縱向張力符合工藝要求，拉伸力過大會導致織物被拉斷，拉伸力過小會導致織物過松，起不到拉伸的作用．主要是控制拉伸的位置，當拉伸力的大小達到規(guī)定要求時，停止拉伸．用壓力傳感器測量縱向拉伸張力．

3）拉幅部分．拉幅部分由底板架、導向軌、拉幅架、拉幅架傳動裝置、帶針板的鏈條、鏈條傳動裝置、轉臂、轉臂傳動裝置和控制系統(tǒng)組成．在定型過程中，根據(jù)工藝規(guī)定的橫向張力自動調(diào)節(jié)拉幅架的位置，以保證織物的定型質(zhì)量．用旋轉編碼器測量拉幅的程度，壓力傳感器測量縱向拉幅張力．圖2為拉幅裝置示意圖．

4）加熱部分．加熱部分由電加熱器室、送風機、管道、上熱風箱、下熱風箱、周波控制器、調(diào)功器以及智能調(diào)節(jié)器等組成．對加熱系統(tǒng)的要求是升溫快、超調(diào)小及幅向溫度均勻，以保證織物的定型質(zhì)量．

圖2 拉幅裝置示意圖Fig．2 The stracture of a tentering device

2 熱定型理論及溫度張力耦合關系

2．1 纖維的熱定型理論

為了深刻了解定型機所起的作用，有必要對纖維分子的性能和結構做深入研究，化工廠只是對聚酯纖維進行了纖維的延伸熱加工，簡單的把纖維拉伸到一定的直徑，分子的化學形態(tài)和晶體鏈取向很不穩(wěn)定，如果溫度升高或者有外力拉伸，纖維分子運動變快，當拉伸力大于分子之間的應力時，分子便會被激活，使纖維分子做不規(guī)則運動，從而引起織物收縮尺寸和外形變化．在織物的定型過程中，由于受到大小不均勻的外界作用力，使織物內(nèi)部的各個單元發(fā)生移動．纖維分子間作用力影響位移大小，當大分子的剛性越強或者分子間作用力越大時，由原始狀態(tài)進入新的狀態(tài)所跨越的能峰越高，而在新狀態(tài)下建立新的分子間結合，又會降低新的位谷能峰，使體系難以逆轉穩(wěn)定在新的狀態(tài)．這也加劇了纖維內(nèi)部應力的不均［4］．在熱定型過程中熱風箱的主要目的是通過對聚酯網(wǎng)的熱處理來消除分子內(nèi)應力不均勻?qū)е碌目椢镄巫?，使纖維分子內(nèi)部應力達到平衡狀態(tài)．織物的能級更低，在新狀態(tài)下的形態(tài)和尺寸會更加的穩(wěn)定．不同的纖維分子有不同的最高燙熨溫度、可塑性開始溫度、軟化點溫度、熱定型最適溫度、熱強度等于零溫度和熔融溫度．若溫度過低，則達不到定型的目的；若溫度大于熱強度為零溫度，則織物形態(tài)會更不穩(wěn)定，織物定型的效果會大打折扣．所以熱定型溫度必須在規(guī)定范圍內(nèi)．這樣定型出來的織物效果最好，使用時間最長．在定型過程中溫度的連續(xù)穩(wěn)定是非常有必要的，不能有大的跳變，否則影響織物定型效果．圖3為熱定型溫度示意圖．

圖3 熱定型溫度示意圖Fig．3 The diagram of heat setting temperature

2．2 溫度和張力的耦合關系

熱收縮應力和熱拉伸模量采用XRF-2型纖維熱機械分析儀測定．

纖維分子在受熱情況下，分子間的相互作用力即熱收縮應力．圖4為溫度-熱收縮曲線．通過提高升溫速率，來避免松弛對熱收縮應力測試的影響，收縮應力即為熱定型纖維分子的內(nèi)應力［5］．從實際測得的熱收縮應力可以得出結論：隨著定型溫度的升高，纖維分子內(nèi)應力減小．

圖4 內(nèi)應力（收縮）Fig．4 Stress（Shrinkage）

在定型過程中，纖維分子在受熱情況下，會產(chǎn)生熱收縮應力，拉幅張力的作用是通過外力來消除纖維分子的熱收縮應力．拉伸除了需要克服收縮應力外，還需要克服大分子鏈糾纏等動力學阻力，所以拉伸模量要大于熱收縮模量，熱拉伸模量即為拉幅張力．表1為不同溫度下纖維熱收縮模量和熱拉伸模量的對應關系，此關系近似為定型過程中溫度和張力的耦合關系，即不同溫度下對應的拉幅張力不同．

表1 纖維熱收縮模量和熱拉伸模量Tab．1 The contraction modulas and tensile modulus of fiber

3 溫度控制系統(tǒng)設計

溫控系統(tǒng)框圖如圖5所示，它主要是由電加熱管、鼓風機、進風管、可移動上下風箱、溫度控制器、傳感器組成［6］．

1）溫控器．采用16位A／D轉換．自動溫漂、修正零漂移保證儀表具有0．2%的測量精確度．配有熱電偶冷端補償輸入端子．采用T，K，熱電偶，PT100熱電阻，遠傳壓力電阻信號采用電流輸入，輸出模塊可采用繼電器、邏輯電平．通信協(xié)議支持RS-232、RS-485．可與PLC直接通信．

2）周波控制器，晶閘管．周波控制器可以將晶閘管過零觸發(fā)信號均勻化．常規(guī)的過零觸發(fā)由于波形集中，容易產(chǎn)生打表針、設備老化快、局部電流過大等毛病，周波控制器將觸發(fā)信號均勻分布在控制周期中，使得電流比較平均，避免了這些問題．

3）溫度采集．溫度采集元件采用 WRNT-202型熱電偶．

圖5 溫度控制系統(tǒng)框圖Fig．5 Block diagram of the temperature control system

4 專家自整定PID張力控制器研究

4．1 專家智能自整定PID算法

當前多數(shù)拉幅熱定型采用結構簡單、線性組合方法的控制器，但是隨著工藝的提升，控制方式的改變，舊的控制器很難解決無超調(diào)性和快速性之間的矛盾．為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，本系統(tǒng)采用專家自整定PID控制算法．專家智能控制是指將專家系統(tǒng)的理論和技術同控制理論方法與技術相結合，在未知環(huán)境下，仿效專家的智能，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制．把基于專家控制的原理所設計的系統(tǒng)或控制器，分別稱為專家控制系統(tǒng)或?qū)＜铱刂破鳎鼘Νh(huán)境的變化有很強的自適應能力和自學習功能，具有高可靠性及長期運行的連續(xù)性、在線控制的實時性等特點．因此在工業(yè)控制中的應用越來越為人們所重視，它是智能控制發(fā)展中一個極有應用前途的方向［7］．如圖6所示為專家系統(tǒng)自整定圖．

圖6 專家智能系統(tǒng)自整定原理圖Fig．6 The diagram of self-tuning of the expert intelligent system

（1）由Cohn-Coon公式計算出受控對象的特征參數(shù)K、TP、τ．

Cohn-Coon公式為

式中：ΔR為系統(tǒng)階躍輸入；Δy為系統(tǒng)輸出響應；t0．28為對象飛升曲線中對應0．28Δy時的時間；t0．632為對象飛升曲線中對應0．632y時的時間；

（2）把相關的計算參數(shù)輸入到專家系統(tǒng)整定后，系統(tǒng)將自動的搜尋知識庫中的相關參數(shù)，再根據(jù)實際情況做出推理，重新整定PID參數(shù)，與此同時系統(tǒng)還必須保證控制條件，這樣才能保證系統(tǒng)的魯棒性．

（3）監(jiān)督級的主要作用是保證微機測試對象特性和專家系統(tǒng)整定PID參數(shù)的正常進行，并用來確?？刂葡到y(tǒng)的安全可靠運行，在系統(tǒng)整定完畢后可以投入正常運行，不需再整定．

4．2 張力控制器

在對聚酯網(wǎng)定型過程中，張力的控制至關重要，在拉伸架和拉伸輥上安裝張力傳感器，張力傳感器采集張力大小，傳感器反饋回來的張力與給定張力進行比較，根據(jù)比較的結果向變頻器發(fā)出控制信號，控制電機帶動拉幅架和拉伸架移動．張力閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖7所示．

定型過程中，必須以恒定張力進行拉伸．主要有兩個目的：①為了達到預定的定型尺寸，包括幅寬和網(wǎng)的長度．②使造紙網(wǎng)熱定型效果最佳，不會產(chǎn)生回縮．張力控制系統(tǒng)實質(zhì)是控制縱向或橫幅的拉伸速度，也就是只要控制拉幅器以特定速度運行即可達到張力控制目的［8］．

圖7 專家自整定PID張力控制系統(tǒng)框圖Fig．7 Block diagram of expert self-tuning PID tension control system

為研究簡便，可以作一個近似計算，張力控制系統(tǒng)可以近似為帶滯后一階慣性環(huán)節(jié)．其傳遞函數(shù)

PID連續(xù)調(diào)節(jié)器為

PID調(diào)節(jié)器離散增量型算法為

在控制系統(tǒng)中，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定中，采樣周期T的大小對系統(tǒng)穩(wěn)定性起關鍵因素．純滯后受控對象，T＝ （0．1-0．4）τ

由a＝τ／TP，總結PID參數(shù)規(guī)則．

規(guī)則一 調(diào)整KP，按a從小到大，逐漸減小KP，既提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，又不至于影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度．

規(guī)則二 調(diào)整TI，按a從小到大，由于a的對象不好控制，TI逐漸增大一些，使得積分增益KPT／2TI減弱一些，這樣既保證穩(wěn)態(tài)精度，又避免積分保護和積分作用太強使得動態(tài)性能變差．規(guī)則三 調(diào)整TD按a從小到大，TD逐漸增大，在不影響系統(tǒng)抗干擾前提下，增大微分控制作用可以改善系統(tǒng)動態(tài)特性［9］．

根據(jù)上面的計算，PID參數(shù)規(guī)則可轉換成表格查詢．PID各個參數(shù)的關系為

主要能確定受控對象的特征參數(shù)K、TP、τ，就能整定出PID調(diào)節(jié)器參數(shù)．表2是經(jīng)過計算機仿真，確定最佳設定參值．

表2 PID參數(shù)整定表Tab．1 Table of PID parameter tuning

5 仿真及結果分析

不考慮負載干擾的情況下，根據(jù)傳遞函數(shù)，通過計算機繪制了兩個不同張力PID控制方式下的階躍響應曲線．傳統(tǒng)PID在張力控制過程中超調(diào)量較大，進入穩(wěn)態(tài)的時間較長，而系統(tǒng)采用自整定PID之后，超調(diào)量明顯減小，進入穩(wěn)態(tài)時間明顯縮短，張力上升也更加平緩，顯示了很好的控制效果，如圖8所示．

在實際生產(chǎn)過程中會有很多因素影響張力曲線，比如：風箱內(nèi)氣壓的波動，鼓風機產(chǎn)生的氣流強度不穩(wěn)定等等，使實際測試時張力的調(diào)節(jié)時間略大

圖8 傳統(tǒng)PID和專家自整定PID張力控制曲線Fig．8 Tension control curves of conventional PID and self-tuning PID

于計算機仿真，但在規(guī)定范圍內(nèi)．實際控制精度保持在±1N范圍內(nèi)，達到預期效果．

6 結 論

系統(tǒng)通過研究定型機溫度張力關系，得到了不同的溫度對應不同的張力大小，從而改變工藝提高定型效果．

專家自整定參數(shù)PID算法，應用在溫度張力控制中，在滿足溫度對張力要求的同時使織物溫度上升速度快，超調(diào)量小于2℃，且溫度控制精度在±1℃范圍內(nèi)，從而提高了織物定型質(zhì)量和生產(chǎn)效率．同時有效地避免了拉幅過程中拉幅張力超過給定張力而產(chǎn)生的超調(diào)問題，即解決了張力過大對布所造成的過度牽引問題．而且在現(xiàn)場測試過程中，雖有很大干擾，但自整定參數(shù)PID控制方法，依然能將溫度張力控制在允許的誤差范圍內(nèi)．

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