新型短片段自调匀整装置的研究与纱条不匀及牵伸特性分析

摘要

在纺织品生产过程中，纱条均匀度在很大程度上决定纺织品的质量，同时还对纺织生产过程的稳定性有着重大影响。并条作为一道纺纱工序，主要承担着并合、牵伸和伸直纤维的作用，其目的是提高纱条均匀度，改善纤维平行度、伸直度和分离度，因此并条机性能的优劣直接对成纱质量产生重要影响。为了提高成纱质量，目前先进的并条机均采用自调匀整装置，自调匀整属于自动控制的一种形式，它是根据输入或输出棉条定量的偏差，通过改变喂入罗拉或输出罗拉速度的办法，相应地自动调节牵伸装置的牵伸倍数，使纺出纱条保持一个稳定的数值。我国自调匀整技术的研究起步较晚，与国外同类产品相比差距较大，由于该系统涉及机械工程、纺织工程、自动化控制三个学科，有其一定的特殊性，本课题以并条机自调匀整装置为研究对象，从控制方案和牵伸理论两个角度切入，进行了以下几个方面的研究，同时与纺织机械厂合作，开发出新型带自调匀整装置的并条机。
　　 机械部分，完成了新型自调匀整并条机的整体结构设计及零部件设计。为了提高零部件的通用性，保证出条速度的稳定以及克服前罗拉变速时系统惯性较大的不足，并条机传动系统输出部分，采用以前无自调匀整装置时的机构，而牵伸变速机构，检测罗拉及高架导条传动机构等则是两套独立的传动系统。在其传动机构中，省去了差动轮系速度合成机构而采用伺服电机直接拖动喂入罗拉的形式。
　　 在控制部分，提出了一套较为理想的适用性较强的新型控制方案。由于牵伸过程建模困难，目前只考虑牵伸区棉条的偏差的线性牵伸公式来实现自调匀整基本上仍被广泛采用，但同时考虑误差和误差变化以及牵伸稳定性要求的专家经验更能准确地反映了自调匀整过程，这为模糊控制在这方面的应用奠定了基础。同时由于完备的准确的控制经验难以获得，本文进一步根据实验的输出对基本模糊控制器的结构和参数结合了神经网络和遗传算法进行了多层次的优化，设计了一种新型的、性能良好的、实时性较强的模糊控制器，最后，结合电子齿轮这一伺服电机的新技术，利用定长周期脉冲信号完成延时的控制，在PLC、工控机、伺服控制器之间实现串行通讯的基础上，完成了整套的数字控制控制方案。并通过四种控制器的分析及试验比较，验证了优化后的模糊控制器在实际的生产中是一个较为理想的选择，它为自调匀整的控制方法提供了一个新途径。
　　 为了改善成纱条质量，许多学者一直致力于纱条不匀的分析和研究，提出了灰色理论，AR模型等多种方法对棉条的不匀特性进行分析和建模。混沌作为近几年的一个新学科，引起科学界和工程界广泛的关注，在许多领域得到了广泛的应用。本文应用混沌非线性时间序列方法，实现了纱条不匀时间序列辨识、分析与特征提取。通过G-P饱和关联维数法得到分数维的估计值，利用Rosenstein法计算最大Lyapunov指数，相空间的延迟时间采用了自相关函数法和互信息量法，嵌入维数采用了饱和关联维数法进行估计，计算结果表明，该序列存在正的Lyapunov指数和分数维，它表明该序列具有混沌特性。同时，进一步建立了整个序列的局域预测模型和全局预测模型，对其中一段纱条的不匀进行了预测估计，进一步证实了该方法的有效性。它为应用混沌理论对纱条不匀进行分析和建模奠定了理论基础，同时也为我们更好地认识纱条不匀的特性提供了一个新方法。
　　 在通过研究控制方法改善棉条质量的同时，其牵伸形式的优化是提高牵伸质量的另一个重要方面，如何有效地控制牵伸区中须条内浮游纤维的运动，使其变速点分布更为合理，条干不匀尽可能降低，一直是牵伸理论研究的基本问题。鉴于目前对于纤维的运动，仅限于实验分析和对变速点分布与变速曲线关系的讨论，对于变速点的分布，尤其是在压力棒牵伸形式下的分布，只作了感性上的解释，本文在总结前人经验的基础上，通过对牵伸区浮游纤维的受力分析，建立了纤维变速的数学模型，并结合计算机技术，通过计算机模拟的方法，作了在多种条件下的变速点分布仿真，从统计结果中，我们可以看出在牵伸区中的浮游纤维其变速点分布虽是随机的，但由于工艺参数的影响，呈一定的正偏态或负偏态分布。我们又进一步分析了摩擦力界、纤维长度、罗拉隔距、牵伸比等多种因素对变速点分布规律的影响，随后得出变细曲线方程，这为压力棒的位置、外形设计及新型的牵伸形式提供了理论帮助。
　　 本文中主要的三个部分紧紧围绕提高棉条均匀度这一主题，分别从传动方案、控制方法及牵伸形式三个方面进行了深入的研究，解决了FA306出条质量难以达到目前高质量纺织品要求的不足，研制出性能良好的短片段自调匀整并条机。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 并条机自调匀整装置的发展及现状

1.1.2 纱条牵伸及其不匀特性的研究与发展

1.2 课题来源及本文的主要研究工作

1.2.1 问题的提出与课题来源

1.2.2 本文研究内容和章节安排

第二章 新型自调匀整并条机的结构设计

2.1 并条机功能及结构分析

2.1.1 并条工程简介

2.1.2 并条机结构的设计要求

2.2 自调匀整的原理及其形式

2.2.1 自调匀整的基本原理

2.2.2 自调匀整装置的常用形式及其特点

2.3 新型自调匀整并条机的机械方案设计

2.3.1 自调匀整并条机方案设计

2.3.2 自调匀整并条机结构设计

2.4 新型自调匀整并条机的控制系统方案设计

2.4.1 控制系统的设计基础

2.4.2 控制系统总体方案设计

2.5 控制系统的硬件组成及软件设计

2.5.1 控制系统硬件设计的基本原则

2.5.2 控制系统的硬件组成

2.5.3 控制系统软件设计的基本原则

2.5.4 控制系统的软件设计

2.6 本章小结

第三章 自调匀整控制器的研究

3.1 模糊控制器在自调匀整装置应用的必要性分析

3.2 新型自调匀整模糊控制器设计

3.2.1 模糊控制的基本原理

3.2.2 常规自调匀整模糊控制器设计

3.2.3 带有自调整因子的模糊控制器设计

3.2.4 带有量化曲线模糊控制器的设计

3.2.5 模糊控制器的量化曲线优化设计

3.3 自调匀整工艺参数的确定

3.3.1 延迟时间的确定

3.3.2 控制量的确定

3.4 本章小结

第四章 纱条不匀的混沌特性研究

4.1 混沌时间序列分析

4.1.1 混沌时间序列分析的发展阶段和特点

4.1.2 相空间重构

4.1.3 时间序列性质的鉴别

4.1.4 非线性时间序列的建模与预测

4.2 纱条不匀混沌特性研究使用方法

4.2.1 相空间重构

4.2.2 自相关函数法

4.2.3 互信息量法

4.2.4 关联维数

4.2.5 最大Lyapunov指数

4.2.6 主分量分析法(PCA分布)

4.3 纱条不匀混沌特性研究

4.4 纱条不匀混沌预测模型及方法研究

4.4.1 全局预测法

4.4.2 纱条不匀序列的全局预测

4.4.3 局域预测法

4.4.4 纱条不匀序列的局域预测

4.5 本章小结

第五章 牵伸区纤维变速点分布及变细曲线研究

5.1 牵伸区纤维变速点分布建模

5.2 纤维变速点分布仿真

5.2.1 不同摩擦力界,变速点分布曲线仿真

5.2.2 不同牵伸倍数,变速点分布曲线仿真

5.2.3 不同纤维长度,变速点分布曲线仿真

5.2.4 不同罗拉隔距,变速点分布曲线仿真

5.3 牵伸区变细曲线的仿真

5.3.1 等长纤维变细曲线方程建模

5.3.2 等长纤维变细曲线方程仿真

5.3.3 不等长纤维变细曲线方程建模

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

附录