智能梳棉机自调匀整控制系统设计开发
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作者:姜磊
摘 要：为提高棉条均匀度及成纱质量、降低生条重量偏差率，对梳棉机自调匀整系统控制算法进行分析研究，运用模糊自适应PID解决传统PID的非线性及时变性较差的问题。通过对比分析开环控制模型、闭环控制模型和混合环控制模型的优缺点，提出智能匀整控制概念，运用“互联网+”技术对原控制系统进行改造升级，实现梳棉机远程可视化控制管理。模糊自适应PID的应用提高了系统的精确控制，加快了控制系统的响应速度，提高了产品质量。“互联网+”技术的应用使企业管理更加便捷，为企业转型升级提供保障。实际测试结果表明，改进后的控制系统降低了不合格產品的数量，有效地提高了企业的生产效率。
关键词：梳棉机;自调匀整控制系统;模糊自适应PID;互联网+;产品质量
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
国家的“中国制造2025”行动纲要目标指出[1]，到2020年，中国制造业基本实现工业化，制造业信息化水平大幅提升。纺织业是中国制造业的支柱之一，而梳棉环节又是纺织过程中的重要环节，现代纺纱系统普遍采用自调匀整装置以达到提高棉条均匀度的目的。随着智能控制技术的不断发展，梳棉自调匀整装置的设计也在不断革新。随着科技发展的不断进步，智能控制技术正在逐渐取代控制效果较差的传统控制方法，其可以更好地解决被控对象的非线性、复杂性及不确定性。
本研究提出运用模糊自适应PID控制算法对系统进行优化设计，满足自调匀整装置常见控制形式中对非线性及实时性要求较高的要求，提高企业生产效率，降低不合格产品的出现。提出运用“互联网+”技术实现企业的智能化管理，继而实现“中国制造2025”目标要求。
1 梳棉机的系统构成
1.1 梳棉机结构
梳棉机用于加工棉纤维和化学纤维，属于纺织机械。按照纺纱工艺流程，梳棉是一道重要的工序。梳棉机的前道工序是开清棉联合机，后道工序是并条机（普梳工艺流程）或条卷机（精梳工艺流程），梳棉机的简化机构模型如图1所示。
梳棉机的结构分为3个部分：
a）预梳部分，包括刺辊、给棉罗拉、给棉板、除尘刀和小漏底等部件。
b）主梳部分，包括锡林、盖板、道夫和大漏底等部件。
c）成条部分，包括剥棉罗拉、嗽叭口、大压辊和圈条器等部件。
给棉罗拉表面有轴向直型沟槽，两端设有加压装置。给棉板前端的弧面与给棉罗拉配合，形成压力拑口，以利于握持给棉。刺辊是预梳部分的主要部件，为中空滚筒，表面包嵌锯齿条，转速较高。刺辊下方的除尘刀和带有网眼或尘棒的弧形漏底，用以托持纤维并排除杂质和短绒。锡林和道夫均为中空滚筒，表面包覆针布。盖板外形狭长，截面呈T字形。盖板工作面包覆针布，同锡林相互作用的各盖板的进口隔距大，出口隔距小，使分梳作用逐渐增强。所有盖板通过链条连结传动，缓慢地自后向前回转循环，轮流起分梳作用。锡林、刺辊、盖板、道夫和剥棉罗拉表面包覆的针布或锯条的种类、针齿的密度和角度，以及针面之间的隔距则根据工艺要求决定。 1.2 自调匀整装置现状
目前，自调匀整装置有两个发展方向，一是并条机自调匀整装置，二是梳棉机自调匀整装置。随着高速并条机的发展，前罗拉的表面速度可达400 m/min以上。从控制原理和机械响应角度看，在这样高速下的频繁变速，机件振动必然很大，传动件磨损加重，使用寿命降低，因此，并条机自调匀整装置很难达到设定的目标。而梳棉机的给棉罗拉表面速度仅每分钟几米，所以梳棉机自调匀整装置的控制效果要优于并条机自调匀整装置。
2 自调匀整控制系统分析
常见的自调匀整装置控制形式有3种：开环系统、闭环系统及混合环系统[2]。
2.1 梳棉机控制系统模型分析
梳棉机单位时间喂入纤维质量（g/s）用qin表示，梳棉机单位时间输出纤维质量（g/s）用qout表示，Q为锡林-盖板工作区内的纤维量（g）。当α=1-η1（η1为刺棍落棉率）和β=1-η2（η2为盖板落棉率）时，单位时间输入与输出纤维量之差等于Q的变化，即：
2.2 开环式自调匀整系统分析
开环自调匀整系统检测梳棉机给棉罗拉处棉层厚度，根据棉层厚度调整给棉罗拉给棉速度。通过改变牵伸倍数实现输出棉条的定量调节[3]。图2为开环匀整控制系统原理[4]，由于系统是先检测后匀整，加之检测点与控制点距离较近，所以仅适用于短片段匀整控制。
此控制系统为使梳棉机单位时间内纤维输入和输出量相等，在保证输入量总量恒定的前提下，根据输入棉层质量（厚度）的变化控制其输入速度，原理如式（7）：
由式（8）可知，开环控制系统为双曲线控制，属于非线性系统。采用Xin（t）代替gin（t），两者之间存在一定函数关系，非线性误差会引起总流量计算误差，继而使gout（t）发生变化，所以非线性是开环控制最大弊端。
本控制方案可以对喂入棉层的波动进行无滞后的控制，由于没有对输出棉条进行检测，无法对系统内所有的扰动进行校正，系统稳定性较差，导致输出棉条的质量偏差较大，影响控制质量。目前，单纯的开环式自调匀整装置已很少应用。
2.3 闭环式自调匀整系统分析
闭环自调匀整系统检测输出棉条的质量，再根据输出棉条的质量调整给棉罗拉速度。图3为闭环匀整控制系统原理，由于系统是先匀整后检测，加之检测点与控制点距离较大，所以适用于长片段匀整控制。
闭环控制由于具有反馈回路，所以可以很好地解决系统静态偏差。但是，由于闭环控制系统中监测点与控制点较远，控制系统存在滞后性，即使优化控制参数，也无法完全消除滞后影响。
从匀整控制点到监测点之间的距离称为匀整死区，所需时间称为匀整死时[2]。由于匀整死区的存在，对长片段不匀控制系统而言，采用单纯的闭环控制效果較好，而对于小于死区长度的短片段控制效果较差。由于闭环控制系统可以抑制参数变化及环境干扰影响，稳定性较好，所以仍得到广泛使用。
2.4 混合环自调匀整系统分析
混合环自调匀整系统是开环系统与闭环系统相结合的匀整系统，此系统既能保持匀整效果，又能自动修正外界波动带来的系统偏差，从而提高匀整效果。它不仅能匀整中、短片段不匀，也能匀整长片段不匀，现在已成为新型梳棉机最常用控制装置。
混合环自调匀整系统多采用“两检两控”控制方式，系统原理如图4所示。此方式在给棉罗拉和棉条出口两处进行检测并控制给棉罗拉的速度和道夫的速度。增加了机前短闭环控制点，进一步降低了匀整死区并提高了响应速度，实现了棉条短、中、长片段自调匀整，有利于提高产品质量。
式中：Vb为闭环控制计算给棉电动机控制电压;Vk为开环控制计算给棉电动机变频器控制电压;V为给棉电动机变频器控制电压;k为分配系数，k=0～1。
根据控制要求和实际情况，可以对分配系数k进行自由选择，如FT021型自调匀整装置上k取0.8，在FT025型自调匀整装置上k取0.6[2]。混合环自调匀整系统的应用，使清梳联棉条的质量得到控制。
2.5 智能自调匀整系统控制系统构成
“互联网+”构成的远程可视化智能管理结构原理如图5所示。
为实现企业的智能化控制管理要求，首先要将控制系统硬件组建在一个网络内，因此PLC和变频器等控制设备必须具备网络通讯接口，不同厂家的控制设备不同，所选用的软件系统也有所不同。本系统选用的硬件设备为罗克韦尔Micro850系列PLC及PowerFlex525变频器。PLC、变频器及工控机通过以太网口接入路由器，组成一个局域网。这样生产现场的所有生产信息及控制信号便可以实现数据共享，管理者通过手机APP访问工控机，实现远程监控操作，从而实现“企业互联”。
在网络地址分配过程中需要注意，所有的控制设备地址不能重叠，必须在同一个网段中。以图4为例，硬件设备的具体分配地址如下：路由器的IP地址为192.168.1.1;PLC的IP地址为192.168.1.12;变频器的IP地址为192.168.1.13（第一台），192.168.1.23（第二台）;工控机的IP地址为192.168.1.14。其中变频器的具体参数如表1所示。
3 模糊自适应PID控制算法设计
3.1 自调匀整控制算法分析
在生产过程中，由于棉条线密度实时变化及输出检测点与匀整点之间的时间延迟原因，自调匀整控制系统可以看作大延迟、强扰动的定值（输出棉条线密度为一定值）控制系统[6]。传统PID控制算法对这种随机性、大滞后的系统控制效果较差。经典控制理论中对控制模型依赖性加大，梳棉系统生产对象的变化存在不确定性，如棉纤品种、长短不均、直径距离等参数的变化都会造成模型失真，所以需要引入自适应控制系统，解决传统PID对时变性、非线性控制效果不佳的问题。文献[6]提出运用专家控制、智能分段PID，控制原理如图6所示。此方案专家知识库的建立较为复杂，因为采用单片机作为核心控制器，抗干性相对较差，程序采用的是中断控制，虽然能提高响应速度，但精确度不够。 传统PID传递函数如式（13）所示。其单位阶跃响应曲线如图7所示[7]。
在PID调节过程中需要注意：比例参数的设定值需要合适，数值过小偏差问题不能及时响应，较大则会产生超调，使系统更加不稳定。 积分时间太小，速度越快，但可能会引起超调。参数设置过大，会降低系统响应速度，使调节时间变长。图8为PID控制系统调节过程中系统变化曲线[8]。
3.2 模糊自适应PID算法设计
PID控制与模糊控制理论相集合，能解决传统PID控制器不能在线参数整定及对模型依赖较大的问题。模糊自适应PID控制运用模糊推理，把计算机中知识库存入的知识（用模糊集表示的规则条件及操作信息）进行响应分析，从而实现PID参数的自动优化调整。
自适应模糊PID控制器根据模糊控制规则可以对PID参数进行在线修改，其结构框如图9所示[9]。为实现不同在线自整定的要求，控制器以误差e和误差变化ec作为输入。
根据各参数模糊控制模型和模糊控制规则表，合成推理设计PID参数模糊矩阵表，与查出的修正参数代入式（14）-式（16），从而实现PID参数的自适应校正，具体控制流程如图11所示[9]。
模糊自适应PID对时变性及大滞后性的被控对象单位阶跃响应如图12所示。在线实时运行中，控制系统运用模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，实现PID参数的在线自校正。
从仿真设计过程分析，自适应校正过程的关键是建立误差e和误差变化率ec与PID参数模糊子集的隶属度及各参数模糊控制模型。对比图7与图12的单位阶跃仿真曲线，传统PID控制系统响应时间长，波动大;而模糊自适应PID控制系统响应时间短，速度快、波动小，系统稳定程度高。模糊自适应PID控制策略取代传统PID的控制方法势在必行，智能控制技术在解决时变性，非線性及大滞后的系统具有更可靠的稳定性，从而保证产品质量。
4 结果与分析
4.1 仿真结果分析
由式（7）可知，梳棉机的传递函数为带滞后的一阶惯性环节。根据文献[10]提出选取一个均值模拟喂入棉量的随机变化量，波动变化范围为±20%以内，如图12所示。设定棉条标准值为2.80 mm，对混合环匀整控制系统进行试验，仿真曲线如图16所示，根据图形分析得，数据如表2所示。
由表2数据显示，模糊自适应控制的上升时间、超调量及调节时间明显优于普通PID控制。系统性能更加稳定可靠。
棉层经梳棉机的梳理、牵伸及转移后输出棉条，根据开环控制方式的传递函数，建立仿真模型，得到图13的仿真曲线数据，均值为2.854，方差为0.18，则输出值得波动系数为6.4%。根据闭环控制方式的传递函数，建立仿真模型，得到图14的仿真曲线数据，均值为2.811，方差为0.12，则输出值得波动系数为4.3%。根据混合环控制方式的传递函数，建立仿真模型，得到图15的仿真曲线数据，均值为2.796，方差为0.06，则输出值得波动系数为2.3%。
通过对比分析3种自调匀整仿真曲线，结合图16的PID试验仿真曲线对比，得到运用混合环控制方式优于其他控制方式，运用模糊自适应PID可以得到平滑曲线，控制效果较为理想。
4.2 测试数据分析
FA224型梳棉机运用智能自匀整控制系统进行系统测试。FA224型梳棉机主要工艺参数为[11]：生条定量20.50 g/5 m，出条速度130 m/min，生产普梳棉14.6、18.5 tex 集聚纺品种。对CJ14.6 tex连续一周进行跟踪测试，具体数据如表3所示。
从表3的数据可以看出5 m片段平均不匀CV<1.90%，25 m片段平均不匀CV<1.23%，100长片段平均不匀CV<1.00%，生产合格率>98%。
5 结 语
对梳棉机自调匀整控制系统进行智能化的开发设计，将先进的控制理论应用到控制系统中，解决原有系统控制精度不高，响应时间过慢等问题，提高了系统的稳定性。目前，智能控制技术被广泛应用，其正逐步取代人工操作，本系统的设计开发不但降低了人为因素带来的系统误差，同时可有效降低企业劳动力成本。文中提出“互联网+”智能控制，符合企业现代化发展方向，系统可以实现数据实时交换与互联，被控参数远程监管，极大地提高了企业生产效率和办公效率。智能化控制系统的应用开发符合国家2025的发展战略，为企业的可持续发展提供路径。
参考文献：
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