線性自抗擾控制器在粗紗機(jī)卷繞速度控制中的應(yīng)用

　　摘  要：線性自抗擾控制器參數(shù)簡(jiǎn)化，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，符合實(shí)際工程應(yīng)用要求。本文把簡(jiǎn)化的線性自抗擾控制器應(yīng)用到粗紗機(jī)卷繞速度控制之中，實(shí)踐表明，該控制器能有效地保證卷繞線速度恒定，改善粗紗的卷繞質(zhì)量。
　　關(guān)鍵詞：線性自抗擾控制器（LADRC）；粗紗機(jī)；線速度控制
　　The Application of Linear Auto Disturbance Rejection Controller
　　For Flyer Frame
　　Abstract: The parameters of the simplified LADRC are easy to regulate and the needs of the projects are satisfied in practice. In this paper, the simplified LADRC is used to control the velocity of flyer frame and the results show that it is effective to keep the line velocity constant and to improve the quality of yarn.
　　Key words:  Linear Auto Disturbance Rejection Controller (LADRC); Flyer Frame; velocity control
　　1．引言
　　紡紗工程現(xiàn)代化的趨向是高速、高效、大牽伸、大卷裝、自動(dòng)化、連續(xù)化、機(jī)電一體化。粗紗機(jī)作為傳統(tǒng)紡紗體系中不可缺少的工序，傳統(tǒng)的單機(jī)傳動(dòng)方式是由一個(gè)主電機(jī)通過(guò)若干輪系分別傳動(dòng)牽伸機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。一方面機(jī)械傳動(dòng)效果并不精確，另一方面耗用較多的動(dòng)力。目前，新型粗紗機(jī)由電子計(jì)算機(jī)控制的四個(gè)變頻調(diào)速電機(jī)，分別傳動(dòng)牽伸系統(tǒng)、筒管系統(tǒng)、錠翼系統(tǒng)及龍筋升降系統(tǒng)，使粗紗的牽伸、卷繞成形完全受控于電子計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)根據(jù)粗紗工藝及卷繞成形的軟件指令控制各電機(jī)的速度，精確完成粗紗的卷繞。
　　為保證粗紗卷繞質(zhì)量，粗紗在卷繞過(guò)程中要保持一定張力。目前對(duì)粗紗卷繞張力控制最實(shí)用的方法就是控制筒管轉(zhuǎn)速隨著粗紗卷繞半徑不斷的變大而逐漸降低，從而保持粗紗卷繞線速度恒定。本文將簡(jiǎn)化的線性自抗擾控制器應(yīng)用在筒管轉(zhuǎn)速控制中，可以提高卷繞線速度的穩(wěn)定性，有效地減少斷紗，提高粗紗卷繞質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)果證明了簡(jiǎn)化的線性自抗擾控制在實(shí)際工程中的實(shí)用性。
　　2．粗紗機(jī)卷繞線速度控制
　　當(dāng)前粗紗機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是四單元傳動(dòng)取代傳統(tǒng)的單機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。四個(gè)電機(jī)由上位計(jì)算機(jī)控制，分別傳動(dòng)羅拉牽伸系統(tǒng)，筒管系統(tǒng)，錠翼系統(tǒng)以及龍筋升降系統(tǒng)，使粗紗的牽伸和卷繞成形完全受控于計(jì)算機(jī)。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，粗紗卷繞線速度保持恒定，并與前羅拉線速度保持一定關(guān)系，從而維持卷繞張力保持恒定。
　　錠翼轉(zhuǎn)速在紡紗過(guò)程中保持不變，并決定紡紗速度快慢，是其它三部分速度設(shè)定的依據(jù)；羅拉速度與捻度有關(guān)；龍筋速度與粗紗卷繞速度有關(guān)；筒管的回轉(zhuǎn)速度由恒速部分和變速部分組成，筒管的恒速部分跟錠速相等，筒管變速部分為卷繞速度，與筒管的卷繞直徑成反比。因此筒管的轉(zhuǎn)速控制是粗紗機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)控制的關(guān)鍵。
　　設(shè)筒管變速部分即筒管卷繞轉(zhuǎn)速為 ，卷繞線速度為 ，卷繞直徑為 ，同時(shí)考慮卷繞過(guò)程粗紗有一定程度伸長(zhǎng)，其牽伸倍數(shù)為 ，前羅拉轉(zhuǎn)速為 ，前羅拉直徑 ，須條輸出速度 ，根據(jù)粗紗卷繞時(shí)，任一時(shí)間段內(nèi)管紗的卷繞長(zhǎng)度必須跟前羅拉的輸出長(zhǎng)度相等的卷繞規(guī)律，可得：
　　( 1 )
　　即( 2 )
　　由此可得筒管卷繞速度為：
　　（3）
　　而筒管恒速部分等于錠翼轉(zhuǎn)速 ，所以筒管轉(zhuǎn)速為：
　　（4）

　3．簡(jiǎn)化的線性自抗擾控制器（LADRC）
　　對(duì)二階被控對(duì)象：                  （5）
　　其二階ADRC方程為：
　　（6）
　　其中                                        （7）
　　（8）
　　自抗擾控制器三個(gè)組成部分均采用非線性函數(shù)，而實(shí)際上如果對(duì)其進(jìn)行線性簡(jiǎn)化同樣可以得到性能優(yōu)良的控制器，而且參數(shù)減少，計(jì)算簡(jiǎn)單。通過(guò)簡(jiǎn)化，我們得到線性自抗擾控制器形式如下：
　　TD為                                               （9）
　　其中，x1和x2為狀態(tài)變量，v為輸入信號(hào)，適當(dāng)選擇參數(shù)k1，k2就能安排對(duì)象可期望的過(guò)渡過(guò)程x1，并給出微分信號(hào)x2。
　　LESO為                                           （10）
　　擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（LESO）通過(guò)選擇合適的參數(shù) ， 和 獲得y及其微分的估計(jì)值z(mì)1，z2。同時(shí)z3作為擴(kuò)張狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)的未知擾動(dòng) 作出很好的估計(jì)。
　　PD控制器為                                   （11）
　　選擇適當(dāng)?shù)膋P，kD構(gòu)造控制輸入分量u0，從而獲得線性ADRC的控制量為：
　　（12）
　　簡(jiǎn)化的線性自抗擾控制器繼承了ADRC的優(yōu)點(diǎn)：
　　1）   不需要具體的數(shù)學(xué)模型；
　　2）   不需要積分環(huán)節(jié)就能實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差，避免了積分反饋的副作用；
　　3）   不存在魯棒性問(wèn)題。
　　除此之外，LADRC的參數(shù)大大減少，只需調(diào)節(jié)  ，    ， 和  幾個(gè)參數(shù)即可。而且  與  符合  =3～5  。
　

　　圖2(a) PID卷繞仿真（未加擾動(dòng)）
　　Fig.2(a) Simulation of the PID Controller
　　(Without Disturbance)

　　圖2(b)  LADRC卷繞仿真（未加擾動(dòng)）
　　Fig.2(b) Simulation of the LADRC Controller
　　(Without Disturbance)

　　圖2(c) PID卷繞仿真（加擾動(dòng)）
　　Fig.2(c) Simulation of the PID Controller
　　(With Disturbance)

　　圖2(d)  LADRC卷繞仿真（加擾動(dòng)）
　　Fig.2(d) Simulation of the LADRC Controller
　　(With Disturbance)
　　

         5．粗紗機(jī)卷繞速度控制

　　圖3 實(shí)測(cè)筒管轉(zhuǎn)速和直徑
　　Fig.3 the Actual Speed and Diameter of Bobbin
　　

         采用貝加萊Power Panel（ PP41）作為主控制系統(tǒng)，完成粗紗機(jī)的各項(xiàng)電氣控制功能和數(shù)據(jù)運(yùn)算，采用貝加萊伺服驅(qū)動(dòng)器（ACOPOS）作為調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)線性自抗擾控制器控制筒管轉(zhuǎn)速保證卷繞線速度恒定。
　　通過(guò)在上海二紡機(jī)有限公司EJK211型粗紗機(jī)上試驗(yàn)，系統(tǒng)在LADRC控制下成功消除了現(xiàn)場(chǎng)各種干擾，如圖3所示，筒管轉(zhuǎn)速在直徑不斷增大的情況下逐漸降低，線速度保持恒定。在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了三次升、降速過(guò)程，其中前兩次是人為停車，最后一次是由于斷紗而引起的故障停車。線性自抗擾控制器的應(yīng)用保證了粗紗的卷繞質(zhì)量，并且斷紗、壞紗情況有一定改善。
　　6．總結(jié)
　　實(shí)踐證明了簡(jiǎn)化的線性自抗擾控制器在粗紗卷繞速度控制項(xiàng)目中具有很好的控制效果，尤其在具有復(fù)雜干擾環(huán)境中，自抗擾控制器表現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性和魯棒性。盡管在試驗(yàn)中取得了良好的控制效果，但是簡(jiǎn)化的線性自抗擾控制器在粗紗機(jī)筒管轉(zhuǎn)速控制中的應(yīng)用還需要在實(shí)踐中進(jìn)一步驗(yàn)證。
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