基于自抗扰控制器的粗纱机张力控制系统研究与应用

摘要

粗纱机是纺纱工艺过程的重要组成部分，承担了由熟条到细纱之间的牵伸、加捻和卷绕的任务。粗纱机械的发展方向是高速、高效、大牵伸、大卷装、自动化、连续化、机电一体化，但我国棉纺粗纱机的技术进步在过去几十年中相对传统纺纱的其它设备显得较为滞后。传统粗纱机的单机传动方式是由一个主电机通过若干轮系分别传动牵伸机构、筒管、锭翼和龙筋升降系统，机构复杂，传动效果不精确。与此同时，国外纺织行业在粗纱机械研究上已经取得了巨大进步，德国青泽、日本丰田等公司都开发出了高速度、高质量、高产、高效的现代化粗纱机。我国是纺织大国，大力发展纺织机械已经成为十分迫切的要求，目前纺织机械行业已经列入“十一五”期间我国将大力振兴的十六个行业之一。 本文根据粗纱纺纱工艺的具体要求，重点分析了粗纱卷绕过程中的恒张力、恒线速度控制以及四电机同步传动等核心问题。同时在研究过程中注重理论与实践相结合，针对粗纱机筒管恒线速度控制中被控对象不断变化、干扰复杂等特点，将自抗扰控制器引入粗纱机筒管转速控制中。并对自抗扰控制器进行深入探讨，对二阶自抗扰控制器合理简化并进行大量的理论、仿真和试验研究，最后在上海二纺机股份有限公司的新型EJK211型粗纱机上成功应用。本文主要研究内容如下： (1)分析粗纱高速卷绕过程中的张力情况，从中总结粗纱卷绕张力变化规律，并根据粗纱卷绕情况设计粗纱机控制系统设计的关键部分，主要是粗纱机传动系统的速度同步控制和筒管卷绕转速控制。 (2)针对被控对象未知的复杂系统，引入自抗扰控制器(ADRC)算法并针对被控对象对其进行线性简化，通过仿真比较获得符合要求的优良控制器。 (3)以贝加莱可编程计算机控制器(PCC)及多功能控制器(ACOPOS)为平台设计粗纱机控制系统，将自抗扰控制器应用在筒管转速控制中，在实验中获得良好控制效果，为解决粗纱机在高速卷绕过程中的线速度恒定及其系统抗干扰问题提供了理论依据和有效方法。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

1引言

1.1课题背景及研究意义

1.2粗纱机的任务及工艺流程

1.3粗纱机的技术发展与现状

1.4课题研究内容

2粗纱机机械结构介绍与数学模型建立

2.1粗纱机的机械结构与工作原理

2.1.1粗纱机的喂入牵伸机构

2.1.2粗纱机的加捻机构

2.1.3粗纱机的卷绕机构

2.1.4粗纱机的升降机构

2.1.5 EJK211型粗纱机

2.2粗纱机四电机传动数学模型

2.2.1粗纱基本参数

2.2.2粗纱卷绕直径的数学模型

2.2.3四电机速度数学模型

2.2.4龙筋升降动程数学模型

2.3粗纱张力分析

2.3.1粗纱张力的形成与分布

2.3.2卷绕张力—功率检测法

2.4本章小结

3自抗扰控制器(ADRC)

3.1自抗扰控制器的发展

3.2 PID控制器

3.3自抗扰控制器

3.3.1跟踪微分器(Tracking Differentiator)

3.3.2扩张状态观测器(Extended State Observer)

3.3.3非线性函数

3.3.4自抗扰控制器的参数整定

3.4简化的线性自抗扰控制器

3.5 PID,ADRC和LADRC仿真比较

3.6本章小结

4粗纱机的贝加莱运动控制方案

4.1编程计算机控制器(PCC)

4.1.1 PCC硬件介绍

4.1.2 PCC软件介绍

4.2伺服驱动器(ACOPOS)

4.3贝加莱NC概念

4.4本章小结

5基于自抗扰控制器的粗纱张力间接控制

5.1四电机传动同步控制

5.1.1级联控制器

5.1.2凸轮结构和功能

5.1.3控制凸轮跟随

5.2掉电保护

5.3粗纱卷绕线速度计算

5.4仿真

5.5筒管速度试验结果

5.6本章小结

6全文总结

致谢

参考文献

附录

读研期间发表的论文和参与的科研项目