专利名称：磨毛机多轴传动张力控制系统及其张力控制方法
技术领域：
本发明涉及一种磨毛机，尤其涉及一种磨毛机多轴传动张力控制系统及其张力控
制方法。
背景技术：
高效多功能超柔软磨毛整理机，主要适用于纯棉及混纺织物和针织物的柔软、磨 毛加工，特别具有对高档薄型织物、凹凸花纹织物柔性加工能力。磨毛整理机的发展仅有几 十年的历史。以德国、意大利为主的一些高档超柔软磨毛整理机诞生于上世纪九十年代， 国内磨毛机的研发始于21世纪初，目前国内外磨毛机发展总的趋势是环保、绿色、节能、低 耗、高效、智能化。 织物的张力是织物与磨毛辊接触松紧度的表现。在磨毛过程中，根据面料对磨毛 的工艺要求不同，在布面与磨毛辊之间需要保证不同大小的均匀张力，而且张力的波动不 能过大，否则会使织物强力下降，影响织物性能，使磨毛效果变差，出现布面发花、绒毛不均 匀，导致磨柳等疵品。所以在高速运行的磨毛机上，实现织物的实际张力保持恒定非常关 键，张力控制的好坏直接影响着产品的质量。国内现有的磨毛机大多采用变频控制系统，存 在张力控制不稳定、线性不好、调试复杂、精度差、故障率高等技术问题，影响了纺织产品档 次的提高。
发明内容
本发明主要解决原有磨毛机存在张力控制不稳定、启停阶段张力无法控制，调整
线性度不好、调试复杂、精度差、故障率高的技术问题；提供一种根据即时张力，进行实时自
适应导布，保证织物在磨毛过程中张力恒定，张力控制稳定、线性好、调试简单、精度高、故
障率低的磨毛机多轴传动张力控制系统及其张力控制方法。 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决 本发明的磨毛机多轴传动张力控制系统，包括导布控制系统和磨毛控制系统，所 述的导布控制系统是基于恒张力控制的导布控制系统，该系统包括设于进布辊与前导辊之 间的进布张力传感器、设于前导辊与后导辊之间的磨毛张力传感器、设于后导辊与上导辊 之间的上导张力传感器、设于上导辊与出布辊之间的出布张力传感器以及与上述张力传感 器相连的PLC控制器，所述的PLC控制器通过进布伺服驱动器、前导伺服驱动器、后导伺服 驱动器、出布伺服驱动器和上导伺服驱动器分别与进布辊电机、前导辊电机、后导辊电机、 出布辊电机和上导辊电机相连；所述的PLC控制器也与所述的磨毛控制系统相连。基于恒 张力的导布系统由进布张力控制、磨毛张力控制、上导张力控制和出布张力控制四部分组 成。进布张力传感器检测进布辊与前导辊之间的织物张力，磨毛张力传感器检测前导辊与 后导辊之间的张力，上导张力传感器检测后导辊与上导辊之间的张力，出布张力传感器检 测上导辊与出布辊之间的张力。机器运行时，进布辊以设定速度运转，其他4根导辊以闭环 恒张力控制驱动。导布控制系统以PLC控制器为核心驱动多个电机，用伺服控制系统代替
3原导布控制系统中的变频控制系统，实现精确控制。基于恒张力控制的导布控制系统是单
轴闭环恒张力控制和五轴协同速度恒张力控制的组合控制系统，不同轴之间可改变不同的
张力。导布控制系统以PLC控制器为核心，五轴协同速度同步驱动，能适应不同原料布。 作为优选，所述的磨毛控制系统中的锡林电机、扩幅辊电机和左磨毛辊电机、右磨
毛辊电机分别与锡林变频器、扩幅变频器和左磨毛变频器、右磨毛变频器相连，上述变频器
再通过串口通信线与所述的PLC控制器相连。磨毛控制系统由锡林电机、左磨毛辊电机、右
磨毛辊电机和扩幅辊电机构成。锡林、左磨毛辊、右磨毛辊和可调速扩幅辊由变频器带动电
机控制。不可调速扩幅辊跟随可调速扩幅辊启动、停止。本发明以现场总线为通讯形式，使
PLC控制器能够同步访问变频器，保证磨毛机系统各部分之间电机的协同运作。 作为优选，所述的PLC控制器的输入输出设备为与其相连的触摸屏。操作方便，人
机界面好。 本发明的磨毛机多轴传动张力控制系统所用的张力控制方法为PLC控制器通过
模拟输入端口实时接收进布张力传感器、磨毛张力传感器、上导张力传感器和出布张力传
感器检测回来的张力值，判断磨毛机上织物各处的张力大小，根据张力设定值，运用PID控
制算法，计算出进布辊电机、出布辊电机、后导辊电机、前导辊电机及上导辊电机的转速变
化量，通过高速脉冲输出端口发送脉冲信号给与上述电机相连的伺服驱动器，从而驱动上
述电机旋转，保证磨毛机运行过程中系统张力恒定；所述的PID控制算法采用基于人工干
预的PD控制算法。 对经典PID控制算法公式 u(t)=kp (e(t) i-1/ki f々)dt+kd*de(t)/dt) 进行离散化处理，得到AU = kpe(t)+kd(e(t)-e(t-l))，其中kp为比例系数，ki 为积分时间常数，kd为微分时间常数，Un+l = AU+Un， AU为每个采样周期要调整的布速， Un为当前布速，Un+l为本采样周期需要调整达到的布速，通过AU的补偿，张力也会相应发 生变化。 由于被控对象的结构和参数不能完全掌握，得不到精确的数学模型，必须依靠经 验和现场调试来确定，而且由于各个轴的转速差和各个轴之间的张力的关系比例与布速 的关系是非线性的，所以采用PID控制是比较适合的。每个采样周期读取一个张力的真 实值，与张力的设定值进行比较计算出e(t)，再由前一采样周期计算得到e(t)-e(t-l)。 e(t)-e(t-l)为当前采样周期内张力真实值与张力设定值的偏差减去上一个采样周期内张 力真实值与张力设定值的偏差，这反映了偏差的趋势，使得AU多加了一个偏差趋势的补 偿，使AU更为准确。通过Un+l二 AU+Un计算出本采样周期需要调整达到的布速。通过 AU的补偿，张力也会发生变化。张力变化的大小取决于e(t)的大小，也结合通过kp、kd来 调整。kp、kd参数的整定采用工程整定法，主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进 行。 本发明的有益效果是本发明磨毛机多轴传动张力控制系统是个闭环恒张力控制 系统，在导布控制系统中用伺服驱动器代替变频器后，由原来的单轴闭环控制改为整个系 统的多轴协同闭环控制，提高了控制精确，使磨毛机运行过程中各张力值更加稳定。本发明 导布控制系统中的张力控制方法，通过采用基于人工干预的PD控制算法，通过A U的补偿，
4实现张力补偿功能，即可得到实时的、准确的张力调整值，达到磨毛机各部分张力恒定的目 的，可在各张力变化过程中实时保持张力恒定。本发明系统可靠，软件、硬件设计简单实用， 能够反应实时变化的张力，保证织物在磨毛过程中张力恒定，张力控制稳定、线性好、调试 简单、精度高、故障率低。本发明提高了磨毛机的机电一体化、智能化程度，通过多电机传 动，增加了磨毛滚筒变速等功能，大大提高了生产效率和系统稳定性。
图1是本发明磨毛机多轴传动张力控制系统的一种电路连接原理框图。
图2是本发明磨毛机多轴传动张力控制系统的一种导布过程示意图。
图3是本发明中基于恒张力控制的导布控制系统的恒张力控制程序流程图。
图4是本发明磨毛机的多轴传动机械结构示意图。 图中1.进布辊电机，2.前导辊电机，3.后导辊电机，4.出布辊电机，5.上导辊 电机，6.锡林电机，7.左磨毛辊电机，8.右磨毛辊电机，9.扩幅辊电机，ll.进布伺服驱 动器，12.前导伺服驱动器，13.后导伺服驱动器，14.出布伺服驱动器，15.上导伺服驱动 器，16.锡林变频器，17.左磨毛变频器，18.右磨毛变频器，19.扩幅变频器，20.PLC控制 器，21.进布张力传感器，22.磨毛张力传感器，23.上导张力传感器，24.出布张力传感器， 25.触摸屏，26.进布辊，27.前导辊，28.后导辊，29.出布辊，30.上导辊，31.锡林，32.左 磨毛辊，33.右磨毛辊，34.可调速扩幅辊，35.不可调速扩幅辊。
具体实施例方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1 :本实施例的磨毛机多轴传动张力控制系统，如图1、图4所示，包括基于 恒张力控制的导布控制系统和磨毛控制系统。基于恒张力控制的导布控制系统包括安装于 磨毛机的进布辊26与前导辊27之间的进布张力传感器21、安装于前导辊27与后导辊28 之间的磨毛张力传感器22、安装于后导辊28与上导辊30之间的上导张力传感器23、安装 于上导辊30与出布辊29之间的出布张力传感器24以及与上述张力传感器相连的PLC控制 器20。 PLC控制器20又与进布伺服驱动器11、前导伺服驱动器12、后导伺服驱动器13、出 布伺服驱动器14和上导伺服驱动器15相连，上述伺服驱动器分别与磨毛机的多轴传动机 械结构上的进布辊电机1、前导辊电机2、后导辊电机3、出布辊电机4、上导辊电机5相连。 PLC控制器20上连接有触摸屏25。磨毛控制系统中的锡林电机6、扩幅辊电机9和左磨毛 辊电机7、右磨毛辊电机8分别与锡林变频器16、扩幅变频器19和左磨毛变频器17、右磨毛 变频器18相连，上述变频器再通过RS485串口通信线与PLC控制器20相连。
磨毛机多轴传动机械结构包括导布机构和不可调速扩幅辊。如图4所示，导布机 构包括进布辊26、扩幅辊、前导辊27、锡林31、后导辊28、上导辊30、出布辊29。导布机构 设有专用吸边器或扩幅纠偏装置，使织物在进入加工区域前保持平整，不跑偏。进布辊26、 前导辊27、后导辊28、上导辊30和出布辊29是由伺服系统控制，锡林31、左、右磨毛辊32、 33和可调速扩幅辊34由变频系统控制。扩幅辊采用可调整式结构，由变频器调节扩幅辊转 速。同时采用独特的结构设计使扩幅辊与织物包覆角度也可调整，包覆角度可从O。变化到 180° ，适应范围大。不可调速扩幅辊35跟随可调速扩幅辊启动、停止。
本实施例磨毛机多轴传动张力控制系统所用的张力控制方法为基于人工干预的 PD控制算法，进布张力传感器21、磨毛张力传感器22、上导张力传感器23和出布张力传感 器24的采样周期设定为200ms，即每200ms读取一次张力的真实值，PLC控制器通过模拟输 入端口实时接收进布张力传感器21、磨毛张力传感器22、上导张力传感器23和出布张力传 感器24检测回来的张力值，与张力的设定值进行比较计算出e(t)，再由前一采样周期计算 得到e(t)e(t-l)。 e(t)-e(t-l)为当前采样周期内张力真实值与张力设定值的偏差减去上 一个采样周期内张力真实值与张力设定值的偏差，这反映了偏差的趋势，使得AU多加了 一个偏差趋势的补偿，使AU更为准确。通过Un+l二 AU+Un计算出本采样周期需要调整 达到的布速，获得进布辊电机1 、前导辊电机2、后导辊电机3、出布辊电机4及上导辊电机 5的转速变化量，通过高速脉冲输出端口发送脉冲信号给与上述电机相连的伺服驱动器，从 而驱动上述电机旋转，保证磨毛机运行过程中系统张力恒定。因为采样周期只有200ms，所 以必须在小于200ms的时间里加速或减速到Un+l，使张力的变化反映出来。下一个采样周 期再做同样的PD调整。如此调整下去，即可得到实时的张力调整值，达到各部分张力恒定 的目的。 工作过程如图2所示，磨毛机导布分为四个阶段挂布——自动引布——挂布完 成——正常运行磨毛。 挂布过程如下将布穿过进布辊和扩幅辊之后，进行自动引布，然后将布穿过前导 辊，再进行自动引布，然后将布穿过锡林，再进行自动引布，然后将布穿过后导辊，再进行自 动引布，然后将布穿过上导辊和出布辊，完成挂布过程。
正常运行磨毛过程如下如图1所示，四个张力传感器实时检测导布系统各段的
张力，PLC控制器通过模拟输入端口实时接收张力传感器检测回来的值，将张力信号经过
PLC控制器内部的A/D转换成数字量，然后与触摸屏上设定的张力值进行比较，通过基于
人工干预的PD控制算法调节，计算出调整后的张力值，通过公式转换计算出调整后的频率
值，从而得到伺服电机转速需要改变的量，然后通过PLC控制器的高速脉冲输出端口发送
脉冲信号给伺服驱动器驱动相应的伺服电机旋转，保证运行过程中系统张力恒定。PLC控制
器还要控制变频控制系统，PLC控制器通过RS485通讯发送频率、加减速时间等命令给各变
频器，各变频器对应地控制锡林、左磨毛辊、右磨毛辊和扩幅辊这四个电机运动。 如图3所示，首先四个张力传感器的值被传送到PLC控制器的模拟输入通道，通过
模拟量转换为数字量，之后可以先进行张力预紧，使运行前各张力达到设定值的70%左右，
以免全机启动后张力立即松掉。 全机启动后，伺服和变频控制系统由0开始加速运转，进行加速过程中张力的实 时控制。在加速15s后系统进入匀速运转阶段，此时，加速张力控制关闭，开启匀速状态张 力控制来实现匀速状态下张力的实时控制。在匀速状态改变设定值，就进入加速或减速状 态，时间为5s。张力控制采用基于人工干预的PD控制。全机停止时，开启减速张力控制，直 到机器停止。
权利要求
一种磨毛机多轴传动张力控制系统，包括导布控制系统和磨毛控制系统，其特征在于所述的导布控制系统是基于恒张力控制的导布控制系统，该系统包括设于进布辊(26)与前导辊(27)之间的进布张力传感器(21)、设于前导辊(27)与后导辊(28)之间的磨毛张力传感器(22)、设于后导辊(28)与上导辊(30)之间的上导张力传感器(23)、设于上导辊(30)与出布辊(29)之间的出布张力传感器(24)以及与上述张力传感器相连的PLC控制器(20)，所述的PLC控制器(20)通过进布伺服驱动器(11)、前导伺服驱动器(12)、后导伺服驱动器(13)、出布伺服驱动器(14)和上导伺服驱动器(15)分别与进布辊电机(1)、前导辊电机(2)、后导辊电机(3)、出布辊电机(4)和上导辊电机(5)相连；所述的PLC控制器(20)也与所述的磨毛控制系统相连。
2. 根据权利要求1所述的磨毛机多轴传动张力控制系统，其特征在于所述的磨毛控制系统中的锡林电机(6)、扩幅辊电机(9)和左磨毛辊电机(7)、右磨毛辊电机(8)分别与锡林变频器(16)、扩幅变频器(19)和左磨毛变频器(17)、右磨毛变频器(18)相连，上述变频器再通过串口通信线与所述的PLC控制器(20)相连。
3. 根据权利要求1或2所述的磨毛机多轴传动张力控制系统，其特征在于所述的PLC控制器(20)的输入输出设备为与其相连的触摸屏(25)。
4. 一种如权利要求1所述的磨毛机多轴传动张力控制系统所用的张力控制方法，其特征在于所述的PLC控制器(20)通过模拟输入端口实时接收所述的进布张力传感器(21)、磨毛张力传感器(22)、上导张力传感器(23)和出布张力传感器(24)检测回来的张力值，判断磨毛机上织物各处张力大小，根据张力设定值，运用PID控制算法，计算出进布辊电机(1)、前导辊电机(2)、后导辊电机(3)、出布辊电机(4)及上导辊电机(5)的转速变化量，通过高速脉冲输出端口发送脉冲信号给与上述电机相连的伺服驱动器，从而驱动上述电机旋转，保证磨毛机运行过程中系统张力恒定；所述的PID控制算法采用基于人工干预的PD控制算法，所述的基于人工干预的PD控制算法为对经典PID控制算法公式<formula>formula see original document page 2</formula>进行离散化处理，得到AU = kpe(t)+kd(e(t)-e(t-l))，其中kp为比例系数，ki为积分时间常数，kd为微分时间常数，Un+l = AU+Un， AU为每个采样周期要调整的布速，Un为当前布速，Un+l为本采样周期需要调整达到的布速，通过AU的补偿，张力也会相应发生变化；每个采样周期读取一个张力的真实值，与张力的设定值进行比较计算出e(t)，再由前一采样周期计算得到e(t)-e(t-l)， e(t)-e(t-l)为当前采样周期内张力真实值与张力设定值的偏差减去上一个采样周期内张力真实值与张力设定值的偏差；通过Un+l = AU+Un计算出本采样周期需要调整达到的布速。
全文摘要
本发明涉及一种磨毛机多轴传动张力控制系统及其张力控制方法。张力控制系统中的基于恒张力控制的导布控制系统包括设于磨毛机上的进布张力传感器、磨毛张力传感器、上导张力传感器、出布张力传感器以及与上述张力传感器相连的PLC控制器，PLC控制器与分别驱动进布辊电机、前导辊电机、后导辊电机、出布辊电机和上导辊电机的各伺服驱动器相连。PLC控制器还通过各变频器控制磨毛控制系统。张力控制方法为PLC控制器实时接收上述张力传感器送来的张力值，根据张力设定值，运用基于人工干预的PD控制算法，计算出各辊电机的转速变化量，发送给伺服驱动器驱动各辊电机旋转。本发明提高了张力控制精确，确保磨毛机运行过程中张力恒定，使各张力值更加稳定。
文档编号D06C11/00GK101694045SQ200910307019
公开日2010年4月14日 申请日期2009年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者倪祖鑫, 史伟民, 彭来湖, 杨薇, 沈加海, 赵虹 申请人:浙江理工大学;