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纤维材料加工是材料加工的重要分支。梳棉机自调匀整是纤维材料加工的一个重要研究领域。梳棉机自调匀整控制是指对梳棉过程中输出棉条的重量不匀进行在线检测和自动调整。它对梳棉工序及后续工序的产品质量起着关键性作用。这是因为在梳棉过程中,经过梳理的棉条的粗细不匀的变化是一种随机过程,它包括着各种形式的不匀,波形复杂。如果对棉条的重不匀不加控制,那么所加工棉条的不匀将带入后续的各道工序,并影响成纱质量,导致成纱强力低、断头率高、均匀度差、品质指标下降,严重影响织物的质量,因此必须采取自调匀整控制。
目前只有少数几家国外企业掌握梳棉机自调匀整的关键技术,作为企业技术秘密不对外公开。在国内,尽管已有多家企业开发了自己的梳棉机自调匀整控制器,但是匀整效果和国外同类产品相比还是有一定差距。因此,对梳棉自调匀整控制系统进行分析与研究,然后在此基础之上,设计和开发具有自主知识产权的高性能梳棉机自调匀整控制器,对我国纺织机械国产化,以及棉纺织技术的提高都具有重要的理论意义和实用价值。本文的主要研究内容和结果如下:
本文在综合运用棉纺工艺学理论、动力学建模技术及计算机仿真技术,在对梳棉机匀整机理研究分析的基础上,结合实验辩识,以方块图的形式首次建立了梳棉机非线性仿真模型,并采用信号相关分析方法,通过实验验证了该模型的准确性。为梳棉机高性能控制策略的研究提供了一种性能可靠、使用方便的梳棉机仿真模型。
在对现有的梳棉机自调匀整控制结构分析的基础上,提出一种机后给棉罗拉和机前喇叭口位置两处同时检测,控制给棉罗拉和道夫转速的“两检两控”梳棉机自调匀整新型控制结构。这种前馈控制道夫+反馈控制喂棉罗拉的复合控制结构,不仅提高了控制的鲁棒性,而且避免了控制耦合问题。通过模拟仿真和实验证实了“两检两控”这个梳棉机自调匀整新型控制结构的可行性及效果。
从控制理论的角度分析,梳棉机系统是一个复杂的时变动态过程,具有很强的非线性、强干扰和大滞后,传统的PID控制算法很难使之达到理想的控制效果。针对梳棉机系统的这些特点,首次提出采用加权广义自适应预测控制算法来设计梳棉机自调匀整控制器的控制方案,并对其中的关键技术进行了研究。最后仿真和实验结果验证了这种控制器的适应性和鲁棒性。
在全面分析了梳棉机系统的特点及对比了各种控制方法优、缺点的基础上,创新性地提出了在梳棉机自调匀整系统中采用PID前馈+自适应预测控制+专家智能控制的复合智能控制策略。并针对梳棉机自调匀整的特点提出了喂棉厚度和喂棉罗拉速度设定值二自由度变化及变周期控制思想。在此基础之上,设计开发出了具有自主知识产权的梳棉机新型自调匀整智能控制器。工厂使用表明该自调匀整装置达到了棉条重量外不匀率(5米)<2.0％,内不匀(5米)<15％的目标,且生条重量能稳定在0.8/5m以内。该自调匀整控制器已经通过项目专家组鉴定,且投入批量生产。