摘 要：為提高棉條均勻度及成紗質(zhì)量、降低生條重量偏差率，對(duì)梳棉機(jī)自調(diào)勻整系統(tǒng)控制算法進(jìn)行分析研究，運(yùn)用模糊自適應(yīng)PID解決傳統(tǒng)PID的非線性及時(shí)變性較差的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比分析開(kāi)環(huán)控制模型、閉環(huán)控制模型和混合環(huán)控制模型的優(yōu)缺點(diǎn)，提出智能勻整控制概念，運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)對(duì)原控制系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)梳棉機(jī)遠(yuǎn)程可視化控制管理。模糊自適應(yīng)PID的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的精確控制，加快了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”技術(shù)的應(yīng)用使企業(yè)管理更加便捷，為企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供保障。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)后的控制系統(tǒng)降低了不合格產(chǎn)品的數(shù)量，有效地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：梳棉機(jī);自調(diào)勻整控制系統(tǒng);模糊自適應(yīng)PID;互聯(lián)網(wǎng)+;產(chǎn)品質(zhì)量

Abstract：In order to improve the evenness of sliver and yarn quality， and reduce sliver weight deviation rate， analysis and research are conducted on the control algorithm of self-leveling system of carding machine， and fuzzy adaptive PID is used to solve the problem of poor non-linearity and timeliness of traditional PID. Based on comparison and analysis of the advantages and disadvantages of open loop control model， closed loop control model and hybrid loop control model， the concept of intelligent leveling control is put forward， and the original control system is upgraded by using the “Internet +” technology to realize remote visual control and management of carding machine. The application of fuzzy adaptive PID improves the control accuracy of the system， accelerates the response speed of the control system， and improves product quality. The application of “Internet +” technology makes enterprise management easier， and provides guarantee for enterprise transformation and upgrading. The test results show that the improved control system reduces unqualified products， and largely improves the production efficiency of enterprises.

Key words：carding machine; autolevelling control system; fuzzy adaptivePID; internet +; product quality

國(guó)家的“中國(guó)制造2025”行動(dòng)綱要目標(biāo)指出[1]，到2020年，中國(guó)制造業(yè)基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，制造業(yè)信息化水平大幅提升。紡織業(yè)是中國(guó)制造業(yè)的支柱之一，而梳棉環(huán)節(jié)又是紡織過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)代紡紗系統(tǒng)普遍采用自調(diào)勻整裝置以達(dá)到提高棉條均勻度的目的。隨著智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，梳棉自調(diào)勻整裝置的設(shè)計(jì)也在不斷革新。隨著科技發(fā)展的不斷進(jìn)步，智能控制技術(shù)正在逐漸取代控制效果較差的傳統(tǒng)控制方法，其可以更好地解決被控對(duì)象的非線性、復(fù)雜性及不確定性。

本研究提出運(yùn)用模糊自適應(yīng)PID控制算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足自調(diào)勻整裝置常見(jiàn)控制形式中對(duì)非線性及實(shí)時(shí)性要求較高的要求，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，降低不合格產(chǎn)品的出現(xiàn)。提出運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)的智能化管理，繼而實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”目標(biāo)要求。

1 梳棉機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 梳棉機(jī)結(jié)構(gòu)

梳棉機(jī)用于加工棉纖維和化學(xué)纖維，屬于紡織機(jī)械。按照紡紗工藝流程，梳棉是一道重要的工序。梳棉機(jī)的前道工序是開(kāi)清棉聯(lián)合機(jī)，后道工序是并條機(jī)（普梳工藝流程）或條卷機(jī)（精梳工藝流程），梳棉機(jī)的簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)模型如圖1所示。

梳棉機(jī)的結(jié)構(gòu)分為3個(gè)部分：

a）預(yù)梳部分，包括刺輥、給棉羅拉、給棉板、除塵刀和小漏底等部件。

b）主梳部分，包括錫林、蓋板、道夫和大漏底等部件。

c）成條部分，包括剝棉羅拉、嗽叭口、大壓輥和圈條器等部件。

給棉羅拉表面有軸向直型溝槽，兩端設(shè)有加壓裝置。給棉板前端的弧面與給棉羅拉配合，形成壓力拑口，以利于握持給棉。刺輥是預(yù)梳部分的主要部件，為中空滾筒，表面包嵌鋸齒條，轉(zhuǎn)速較高。刺輥下方的除塵刀和帶有網(wǎng)眼或塵棒的弧形漏底，用以托持纖維并排除雜質(zhì)和短絨。錫林和道夫均為中空滾筒，表面包覆針布。蓋板外形狹長(zhǎng)，截面呈T字形。蓋板工作面包覆針布，同錫林相互作用的各蓋板的進(jìn)口隔距大，出口隔距小，使分梳作用逐漸增強(qiáng)。所有蓋板通過(guò)鏈條連結(jié)傳動(dòng)，緩慢地自后向前回轉(zhuǎn)循環(huán)，輪流起分梳作用。錫林、刺輥、蓋板、道夫和剝棉羅拉表面包覆的針布或鋸條的種類、針齒的密度和角度，以及針面之間的隔距則根據(jù)工藝要求決定。

1.2 自調(diào)勻整裝置現(xiàn)狀

目前，自調(diào)勻整裝置有兩個(gè)發(fā)展方向，一是并條機(jī)自調(diào)勻整裝置，二是梳棉機(jī)自調(diào)勻整裝置。隨著高速并條機(jī)的發(fā)展，前羅拉的表面速度可達(dá)400 m/min以上。從控制原理和機(jī)械響應(yīng)角度看，在這樣高速下的頻繁變速，機(jī)件振動(dòng)必然很大，傳動(dòng)件磨損加重，使用壽命降低，因此，并條機(jī)自調(diào)勻整裝置很難達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)。而梳棉機(jī)的給棉羅拉表面速度僅每分鐘幾米，所以梳棉機(jī)自調(diào)勻整裝置的控制效果要優(yōu)于并條機(jī)自調(diào)勻整裝置。

2 自調(diào)勻整控制系統(tǒng)分析

常見(jiàn)的自調(diào)勻整裝置控制形式有3種：開(kāi)環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)及混合環(huán)系統(tǒng)[2]。

2.1 梳棉機(jī)控制系統(tǒng)模型分析

梳棉機(jī)單位時(shí)間喂入纖維質(zhì)量（g/s）用qin表示，梳棉機(jī)單位時(shí)間輸出纖維質(zhì)量（g/s）用qout表示，Q為錫林-蓋板工作區(qū)內(nèi)的纖維量（g）。當(dāng)α=1-η1（η1為刺棍落棉率）和β=1-η2（η2為蓋板落棉率）時(shí)，單位時(shí)間輸入與輸出纖維量之差等于Q的變化，即：

2.2 開(kāi)環(huán)式自調(diào)勻整系統(tǒng)分析

開(kāi)環(huán)自調(diào)勻整系統(tǒng)檢測(cè)梳棉機(jī)給棉羅拉處棉層厚度，根據(jù)棉層厚度調(diào)整給棉羅拉給棉速度。通過(guò)改變牽伸倍數(shù)實(shí)現(xiàn)輸出棉條的定量調(diào)節(jié)[3]。圖2為開(kāi)環(huán)勻整控制系統(tǒng)原理[4]，由于系統(tǒng)是先檢測(cè)后勻整，加之檢測(cè)點(diǎn)與控制點(diǎn)距離較近，所以僅適用于短片段勻整控制。

此控制系統(tǒng)為使梳棉機(jī)單位時(shí)間內(nèi)纖維輸入和輸出量相等，在保證輸入量總量恒定的前提下，根據(jù)輸入棉層質(zhì)量（厚度）的變化控制其輸入速度，原理如式（7）：

由式（8）可知，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)為雙曲線控制，屬于非線性系統(tǒng)。采用Xin（t）代替gin（t），兩者之間存在一定函數(shù)關(guān)系，非線性誤差會(huì)引起總流量計(jì)算誤差，繼而使gout（t）發(fā)生變化，所以非線性是開(kāi)環(huán)控制最大弊端。

本控制方案可以對(duì)喂入棉層的波動(dòng)進(jìn)行無(wú)滯后的控制，由于沒(méi)有對(duì)輸出棉條進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有的擾動(dòng)進(jìn)行校正，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致輸出棉條的質(zhì)量偏差較大，影響控制質(zhì)量。目前，單純的開(kāi)環(huán)式自調(diào)勻整裝置已很少應(yīng)用。

2.3 閉環(huán)式自調(diào)勻整系統(tǒng)分析

閉環(huán)自調(diào)勻整系統(tǒng)檢測(cè)輸出棉條的質(zhì)量，再根據(jù)輸出棉條的質(zhì)量調(diào)整給棉羅拉速度。圖3為閉環(huán)勻整控制系統(tǒng)原理，由于系統(tǒng)是先勻整后檢測(cè)，加之檢測(cè)點(diǎn)與控制點(diǎn)距離較大，所以適用于長(zhǎng)片段勻整控制。

閉環(huán)控制由于具有反饋回路，所以可以很好地解決系統(tǒng)靜態(tài)偏差。但是，由于閉環(huán)控制系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)與控制點(diǎn)較遠(yuǎn)，控制系統(tǒng)存在滯后性，即使優(yōu)化控制參數(shù)，也無(wú)法完全消除滯后影響。

從勻整控制點(diǎn)到監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離稱為勻整死區(qū)，所需時(shí)間稱為勻整死時(shí)[2]。由于勻整死區(qū)的存在，對(duì)長(zhǎng)片段不勻控制系統(tǒng)而言，采用單純的閉環(huán)控制效果較好，而對(duì)于小于死區(qū)長(zhǎng)度的短片段控制效果較差。由于閉環(huán)控制系統(tǒng)可以抑制參數(shù)變化及環(huán)境干擾影響，穩(wěn)定性較好，所以仍得到廣泛使用。

2.4 混合環(huán)自調(diào)勻整系統(tǒng)分析

混合環(huán)自調(diào)勻整系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)相結(jié)合的勻整系統(tǒng)，此系統(tǒng)既能保持勻整效果，又能自動(dòng)修正外界波動(dòng)帶來(lái)的系統(tǒng)偏差，從而提高勻整效果。它不僅能勻整中、短片段不勻，也能勻整長(zhǎng)片段不勻，現(xiàn)在已成為新型梳棉機(jī)最常用控制裝置。

混合環(huán)自調(diào)勻整系統(tǒng)多采用“兩檢兩控”控制方式，系統(tǒng)原理如圖4所示。此方式在給棉羅拉和棉條出口兩處進(jìn)行檢測(cè)并控制給棉羅拉的速度和道夫的速度。增加了機(jī)前短閉環(huán)控制點(diǎn)，進(jìn)一步降低了勻整死區(qū)并提高了響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)了棉條短、中、長(zhǎng)片段自調(diào)勻整，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。

式中：Vb為閉環(huán)控制計(jì)算給棉電動(dòng)機(jī)控制電壓;Vk為開(kāi)環(huán)控制計(jì)算給棉電動(dòng)機(jī)變頻器控制電壓;V為給棉電動(dòng)機(jī)變頻器控制電壓;k為分配系數(shù)，k=0～1。

根據(jù)控制要求和實(shí)際情況，可以對(duì)分配系數(shù)k進(jìn)行自由選擇，如FT021型自調(diào)勻整裝置上k取0.8，在FT025型自調(diào)勻整裝置上k取0.6[2]?；旌檄h(huán)自調(diào)勻整系統(tǒng)的應(yīng)用，使清梳聯(lián)棉條的質(zhì)量得到控制。

2.5 智能自調(diào)勻整系統(tǒng)控制系統(tǒng)構(gòu)成

“互聯(lián)網(wǎng)+”構(gòu)成的遠(yuǎn)程可視化智能管理結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

為實(shí)現(xiàn)企業(yè)的智能化控制管理要求，首先要將控制系統(tǒng)硬件組建在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，因此PLC和變頻器等控制設(shè)備必須具備網(wǎng)絡(luò)通訊接口，不同廠家的控制設(shè)備不同，所選用的軟件系統(tǒng)也有所不同。本系統(tǒng)選用的硬件設(shè)備為羅克韋爾Micro850系列PLC及PowerFlex525變頻器。PLC、變頻器及工控機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)口接入路由器，組成一個(gè)局域網(wǎng)。這樣生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的所有生產(chǎn)信息及控制信號(hào)便可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，管理者通過(guò)手機(jī)APP訪問(wèn)工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控操作，從而實(shí)現(xiàn)“企業(yè)互聯(lián)”。

在網(wǎng)絡(luò)地址分配過(guò)程中需要注意，所有的控制設(shè)備地址不能重疊，必須在同一個(gè)網(wǎng)段中。以圖4為例，硬件設(shè)備的具體分配地址如下：路由器的IP地址為192.168.1.1;PLC的IP地址為192.168.1.12;變頻器的IP地址為192.168.1.13（第一臺(tái)），192.168.1.23（第二臺(tái)）;工控機(jī)的IP地址為192.168.1.14。其中變頻器的具體參數(shù)如表1所示。

3 模糊自適應(yīng)PID控制算法設(shè)計(jì)

3.1 自調(diào)勻整控制算法分析

在生產(chǎn)過(guò)程中，由于棉條線密度實(shí)時(shí)變化及輸出檢測(cè)點(diǎn)與勻整點(diǎn)之間的時(shí)間延遲原因，自調(diào)勻整控制系統(tǒng)可以看作大延遲、強(qiáng)擾動(dòng)的定值（輸出棉條線密度為一定值）控制系統(tǒng)[6]。傳統(tǒng)PID控制算法對(duì)這種隨機(jī)性、大滯后的系統(tǒng)控制效果較差。經(jīng)典控制理論中對(duì)控制模型依賴性加大，梳棉系統(tǒng)生產(chǎn)對(duì)象的變化存在不確定性，如棉纖品種、長(zhǎng)短不均、直徑距離等參數(shù)的變化都會(huì)造成模型失真，所以需要引入自適應(yīng)控制系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)PID對(duì)時(shí)變性、非線性控制效果不佳的問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]提出運(yùn)用專家控制、智能分段PID，控制原理如圖6所示。此方案專家知識(shí)庫(kù)的建立較為復(fù)雜，因?yàn)椴捎脝纹瑱C(jī)作為核心控制器，抗干性相對(duì)較差，程序采用的是中斷控制，雖然能提高響應(yīng)速度，但精確度不夠。

傳統(tǒng)PID傳遞函數(shù)如式（13）所示。其單位階躍響應(yīng)曲線如圖7所示[7]。

在PID調(diào)節(jié)過(guò)程中需要注意：比例參數(shù)的設(shè)定值需要合適，數(shù)值過(guò)小偏差問(wèn)題不能及時(shí)響應(yīng)，較大則會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，使系統(tǒng)更加不穩(wěn)定。 積分時(shí)間太小，速度越快，但可能會(huì)引起超調(diào)。參數(shù)設(shè)置過(guò)大，會(huì)降低系統(tǒng)響應(yīng)速度，使調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)。圖8為PID控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程中系統(tǒng)變化曲線[8]。

3.2 模糊自適應(yīng)PID算法設(shè)計(jì)

PID控制與模糊控制理論相集合，能解決傳統(tǒng)PID控制器不能在線參數(shù)整定及對(duì)模型依賴較大的問(wèn)題。模糊自適應(yīng)PID控制運(yùn)用模糊推理，把計(jì)算機(jī)中知識(shí)庫(kù)存入的知識(shí)（用模糊集表示的規(guī)則條件及操作信息）進(jìn)行響應(yīng)分析，從而實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整。

自適應(yīng)模糊PID控制器根據(jù)模糊控制規(guī)則可以對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線修改，其結(jié)構(gòu)框如圖9所示[9]。為實(shí)現(xiàn)不同在線自整定的要求，控制器以誤差e和誤差變化ec作為輸入。

根據(jù)各參數(shù)模糊控制模型和模糊控制規(guī)則表，合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)模糊矩陣表，與查出的修正參數(shù)代入式（14）-式（16），從而實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自適應(yīng)校正，具體控制流程如圖11所示[9]。

模糊自適應(yīng)PID對(duì)時(shí)變性及大滯后性的被控對(duì)象單位階躍響應(yīng)如圖12所示。在線實(shí)時(shí)運(yùn)行中，控制系統(tǒng)運(yùn)用模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線自校正。

從仿真設(shè)計(jì)過(guò)程分析，自適應(yīng)校正過(guò)程的關(guān)鍵是建立誤差e和誤差變化率ec與PID參數(shù)模糊子集的隸屬度及各參數(shù)模糊控制模型。對(duì)比圖7與圖12的單位階躍仿真曲線，傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，波動(dòng)大;而模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短，速度快、波動(dòng)小，系統(tǒng)穩(wěn)定程度高。模糊自適應(yīng)PID控制策略取代傳統(tǒng)PID的控制方法勢(shì)在必行，智能控制技術(shù)在解決時(shí)變性，非線性及大滯后的系統(tǒng)具有更可靠的穩(wěn)定性，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié)果與分析

4.1 仿真結(jié)果分析

由式（7）可知，梳棉機(jī)的傳遞函數(shù)為帶滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。根據(jù)文獻(xiàn)[10]提出選取一個(gè)均值模擬喂入棉量的隨機(jī)變化量，波動(dòng)變化范圍為±20%以內(nèi)，如圖12所示。設(shè)定棉條標(biāo)準(zhǔn)值為2.80 mm，對(duì)混合環(huán)勻整控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，仿真曲線如圖16所示，根據(jù)圖形分析得，數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)顯示，模糊自適應(yīng)控制的上升時(shí)間、超調(diào)量及調(diào)節(jié)時(shí)間明顯優(yōu)于普通PID控制。系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定可靠。

棉層經(jīng)梳棉機(jī)的梳理、牽伸及轉(zhuǎn)移后輸出棉條，根據(jù)開(kāi)環(huán)控制方式的傳遞函數(shù)，建立仿真模型，得到圖13的仿真曲線數(shù)據(jù)，均值為2.854，方差為0.18，則輸出值得波動(dòng)系數(shù)為6.4%。根據(jù)閉環(huán)控制方式的傳遞函數(shù)，建立仿真模型，得到圖14的仿真曲線數(shù)據(jù)，均值為2.811，方差為0.12，則輸出值得波動(dòng)系數(shù)為4.3%。根據(jù)混合環(huán)控制方式的傳遞函數(shù)，建立仿真模型，得到圖15的仿真曲線數(shù)據(jù)，均值為2.796，方差為0.06，則輸出值得波動(dòng)系數(shù)為2.3%。

通過(guò)對(duì)比分析3種自調(diào)勻整仿真曲線，結(jié)合圖16的PID試驗(yàn)仿真曲線對(duì)比，得到運(yùn)用混合環(huán)控制方式優(yōu)于其他控制方式，運(yùn)用模糊自適應(yīng)PID可以得到平滑曲線，控制效果較為理想。

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

FA224型梳棉機(jī)運(yùn)用智能自勻整控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。FA224型梳棉機(jī)主要工藝參數(shù)為[11]：生條定量20.50 g/5 m，出條速度130 m/min，生產(chǎn)普梳棉14.6、18.5 tex 集聚紡品種。對(duì)CJ14.6 tex連續(xù)一周進(jìn)行跟蹤測(cè)試，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3的數(shù)據(jù)可以看出5 m片段平均不勻CV<1.90%，25 m片段平均不勻CV<1.23%，100長(zhǎng)片段平均不勻CV<1.00%，生產(chǎn)合格率>98%。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)梳棉機(jī)自調(diào)勻整控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，將先進(jìn)的控制理論應(yīng)用到控制系統(tǒng)中，解決原有系統(tǒng)控制精度不高，響應(yīng)時(shí)間過(guò)慢等問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前，智能控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用，其正逐步取代人工操作，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)不但降低了人為因素帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，同時(shí)可有效降低企業(yè)勞動(dòng)力成本。文中提出“互聯(lián)網(wǎng)+”智能控制，符合企業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展方向，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換與互聯(lián)，被控參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)管，極大地提高了企業(yè)生產(chǎn)效率和辦公效率。智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)符合國(guó)家2025的發(fā)展戰(zhàn)略，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供路徑。

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