轧花机棉卷密度自动控制方法及其自动控制系统

摘要

本发明属于棉花加工机械的自动控制技术领域。本发明采用力传感器测量轧花机工作箱胸板所受的棉卷压力，转换成电信号去控制喂花电机转速，使棉卷密度保持一定状态的方法，其自动控制系统包括一个以上力传感器，密度控制仪，喂花调速电机及其调速控制器，减速器各部分。本发明的方法简单、控制效果显著、其装置操作简便、抗工作环境干扰强、工作稳定可靠，可使产品质量提高一个等级，可方便地装配在各类型号的轧花机上。

说明书

本发明属于棉花加工机械的自动控制技术领域，特别涉及对轧花机棉卷密度的自动控制方法及装置。

轧花机的棉卷密度是指轧花机中工作箱内棉卷的松紧程度，它是直接影响棉花加工质量和产量的重要因素。棉卷密度越大，轧花机的产量越高，但加工质量差，并且在棉卷密度大到一定程度时，棉卷会在工作箱内堵塞，从而停止转动，这在轧花过程中是一个经常会发生的故障，加工工人必须时刻监视着这种故障的发生，并需及时对其采取措施，打开工作箱，对棉卷进行整理后才能继续加工。如果处理不及时，会导致锯片在棉卷内剧烈摩擦产生高温引起火灾或者锯片轴电机由于负荷过大而烧坏等事故发生，当棉卷密度小时，加工质量好，但产量低，并且在棉卷密度小到一定程度时，工作箱内将无法形成棉卷而不能进行正常的加工。

因此，对棉卷密度的控制是必需的。只有将棉卷密度控制在适当的水平上，才能够既有比较好的加工质量，同时也能达到一定的产量。对轧花机棉卷密度的自动控制方法及实现装置的研究受到广泛的关注，并取得很大进展。

棉卷密度的大小取决于喂花速度，因为工作箱的形状、大小是固定的，所以喂花速度越高，棉卷密度将会越大;反之，棉卷密度会越小。喂花是靠两个喂花辊的相对转动来完成的，喂花速度又取决于喂花辊的转速。因此，采用什么方法去控制调整喂花辊转速，选取什么样的控制方法，有关棉卷密度的信号如何采集，是实现棉卷密度自动控制的技术关键及技术难点。

目前，已广泛用于轧花机上棉卷密度控制方法主要为锯片轴电机电流反馈法，这是美国、前苏联和我国某些轧花机上所采用的棉卷密度控制方法，其方法可见苏联专利（专利号SU1395701）。这种方法的依据是，棉卷密度越大，锯片的负荷越大，锯片轴电机的电枢电流也会越大;反之，锯片轴电机电流会越小。因此，该方法通过测量锯片轴电机电流的大小，就可以检测出棉卷密度的大小。再将这一检测值反馈去控制喂花速度，于是就完成了棉卷的自动控制。

但是，长期的实践表明，锯片轴电机电流的变化并不完全是由棉卷密度的变化引起，并且它对棉卷密度的反映只有在棉卷接近堵转时才明显，其它时候变化则不显著。因此，它并不能保证工作箱内的棉卷有一个稳定、合适的密度，而只能在棉卷接近堵转时作出大的反应，比如停止喂花，打开工作箱等。因此可以说，这种方法最大的作用并不是控制棉卷密度，而是保证工作箱内不堵塞，主要起保护作用。

本发明的目的在于克服上述已有轧花机棉卷密度的自动控制方法的不足之处，提出一种崭新的对棉卷密度的自动控制方法及其自动控制系统。使其具有控制效果显著、方法简单，操作简便，抗工作环境干扰强，工作稳定可靠等优点。

本发明人对轧花机的工作过程进行了实际调查及深入分析，认为，工作箱内不同密度的棉卷对工作箱胸板会产生不同的压力（称为“工作压力”），胸板的工作压力大小直接反映出工作箱内棉卷密度状态。为此，本发明提出一种崭新的轧花机棉卷密度的自动控制方法，即监测轧花机工作过程中工作箱胸板的工作压力，并将此压力信号转换成电信号，再反馈控制调整喂花辊电机的转速，达到调整喂花速度，控制棉卷密度的目的。

本发明提出的轧花机棉卷密度自动控制方法，主要包括以下步骤（见权利1）

本方法的工作原理为：当工作箱内形成棉卷后，棉卷将对胸板产生压力，棉卷密度越大，压力也越大。力传感器将所测得的压力F转换为电信号U_F，与设定值U_R进行比较、处理后，再产生一个控制信号U_G，加在电机调速器上，控制调速电机的转速n_D，进而通过减速器驱动喂花辊控制喂花速度n_F。因此，在加工过程中，如果棉卷密度增加，则有如下的反馈过程;F↑→U_F↑→U_G↓→n_D↓→n_F↓→F↓，这一过程抑制了棉卷密度的增加。当然，也有一个与上述相反的过程抑制了棉卷密度的降低。这两种过程使得棉卷密度能够稳定在一定的水平上，并且，如果改变这种反馈过程的反馈比例，那么棉卷密度又能在一个新的水平上达到稳定，从而实现了棉卷密度的自动控制和调节。

本发明根据上述方法设计出一种轧花机棉卷自动控制系统，主要包括安装在工作箱胸板外不同位置的一个以上力传感器，密度控制仪，喂花调速电机及其调速控制器、减速器、等部件，如图1图示。力传感器的测头与工作箱胸板接触，该力传感器可测量出轧花机工作过程中棉卷对胸板的压力，并将压力信号转换成电信号输入到密度控制仪中，密度控制仪将力传感器输入的电信号与预先的设定值进行比较，处理后输出一控制信号去控制电机调速控制器，进而调整调速电机的转速，使喂花辊速度得到调整，从而保证棉卷密度保持在确定状态下。

本系统的关键部件为密度控制仪，它由信号调理电路，滤波电路，显示电路及参数可调PID调节器各电路所组成，如图2所示。

其中，1.信号调理电路主要完成对力传感器输出电信号的调整、放大，使其变化范围适合于电机调速器所需的范围，同时，它还可完成对多路信号输入的平均处理;2.滤波电路用于滤除输入信号中由于机器振动所引起的交流分量;3.显示电路可驱动模拟表头或数字表以显示实测的棉卷密度所对应的压力值;4.参数可调PID调节器，在这一PID控制校正环节中，特意将PI和PD环节分开，并能分别在较大的范围内单独调节，这样做使得控制仪能够适应于不同的机型、不同的工作环境和工作要求，在各种条件下，只要对该PID调节器作适当调整，就可使控制仪控制效果达到最佳。控制仪全部电路均安装在一个仪器箱体内，在仪器箱前面板安装显示及两个设定旋钮;①堵转设定旋钮，通过它，可以设置一个参考值，使得仪器输入在达到一定值时，输出电信号为零，也即是当工作箱内棉卷密度达到一定值而快要堵转时，控制仪可以控制喂花辊停转，完全停止喂花;②密度设定旋钮，该旋钮可以改变前面所提到的反馈过程的反馈比例，从而可以通过它设定工作箱内的棉卷密度。

本发明有如下特点：

（1）本方法所测量的对象准确地反映了棉卷密度，实践表明这种反映是十分灵敏的，因此不仅准确地实现了对棉卷密度的控制，而且还为棉卷密度的测量提供了崭新的途径。

（2）本发明的控制系统使轧花机的工作箱内完全不会发生堵塞现象，而这一点则是过去在棉花加工过程中一个经常要发生从而导致停机并带来极高劳动强度甚至危及人身安全的老问题。因此应用本系统大大地降低了工人的劳动强度，工人无需再象过去一样经常地去监视和处理堵转问题。使得生产效率得以提高;

（3）实践表明，本自动控制系统在保证机器加工能力的基础上使产品质量提高了半到一个等级，而且能够保证这一质量在加工全过程中保持稳定;

（4）本自动控制系统操作简单、明了，工作可靠;

（5）本系统测量误差≤1%，控制误差≤5%。

本自动控制系统可方便地装配在各种牌号，各种类型的轧花机上，经过安装调试均可达到上述性能及技术指标。

附图简要说明：

图1为本发明自动控制系统组成框图

图2为本发明自动控制系统的密度控制仪原理框图

图3为本发明的一种实施例控制仪电路原理图

本发明设计出一种装配在MRF160-10型轧花机上棉卷密度自动控制系统实施例，它由力传感器、棉卷密度控制仪、电机调速器、调速电机、减速器等部分组成。

各部分详细描述如下：

1、力传感器量程为50kg，测量精度为0.2%，以电压方式输出，输出电压范围0-5v，灵敏度0.1v/kg。系统中所用力传感器共两只，分别安装于工作箱两端的侧壁上。其测头与轧花机胸板上端固定，而胸板下端则与机架通过铰链连接。

2、棉卷密度自动控制仪，被要安装在轧花机的控制柜中，具有两个电压输入口及一个电压输出口。两个电压输入口分别接两个力传感器的输出U_F1U_F2并为力传感器供电;电压输出口接电机调速器，输出电压控制信号U_G并从后者获取仪器工作所需的电源。其输出、输入的静态关系为

$U_o\mathrm{=K}{}_{\mathrm{F>}}\mathrm{(U}{}_R-\frac{U_{\mathrm{F>}}{\mathrm{+U}}_{\mathrm{F>}}}{2}\mathrm{)>}$

其中K_F为可调节的常数，用于棉卷密度的设定，U_R为堵转压力对应的电压，用于设置堵转压力。

棉卷密度自动控制仪的电路原理如图3所示。电路以四个运算放大器A₁～A₄为核心构成，其中A₁完成信号调理，滤波及设定堵转压力的功能，即对力传感器的输出信号U_F1、U_F2进行平均、放大，以及与堵转压力对应电压U_R（该电压由电位器R₁调出）作相减运算，并滤除信号中由于机械振动等影响而产生的干扰;A₂用于驱动密度指示表头CS，其示值单位为kg，经过调节及标定可指示出工作箱内的工作压力，即密度情况;A₃、A₄则构成了参数可调的P1D调节器，可以通过调节双联电位器R₂或R₃调节其动态参数，以便于仪器适应于不同的机型、不同的工作环境及工作要求下的控制。在仪器的输出部分，通过调节电位器R₄可改变前面所提到的反馈系数K_F。所设置的选择开关K用于系统手动/自动工作状态的切换，当开关K处于图示位置时，系统工作为自动状态，当处于另一位置时，系统处于手动工作状态。

3、电机调速器具有两路电压输入，其中一路为控制电压输入，接棉卷密度控制仪的输出;另一路为反馈电压输入，接调速电机中的测速发电机电压输出。其输出接调速电机电磁离合器的电枢，运用可控硅直流调速方法对调速电机进行调整。

4、调速电机为电磁式调速电机，通过控制电磁离合器电枢电流调速。其功率为0.8KW，可调转速范围0～1400rpm。

5、减速器    减速比1∶70，输入轴通过1∶1.5皮带接调速电机，输出轴带动轧花机喂花辊。

整个系统工作过程可描述如下：

在机器的初期调整阶段，系统可通过图3中开关K置于手动工作状态，

喂花将由工人手动调节电位器R₄改变喂花电机转速完成，在这一过程中，密度表可以提供棉卷密度情况，并可由此测出机器的实际堵转压力和计算出相对应的设定电压值U_R。从而进一步调节电位器R₁设置堵转压力。

当系统调定后，可被置于自动工作状态。力传感器测出工作箱内工作压力F，转换成电压信号U_F1、U_F2送给棉卷密度控制仪，由其对电机调速器输出控制电压U_G，以使调速电机在转速n_D下运行，并通过减速器驱动喂花辊以转速n_F喂花，所喂下的籽棉将进入工作箱，产生工作压力F。这一动态过程最终将达到一个动态平衡，因为，如果工作压力F增加，将会有U_F1、U_F2↑→U_G↓→n_D↓→n_F↓→F↓，这样一个负馈过程抑制其增加;相反，工作压力的减小也会受到抑制。因而，这样的控制系统使得工作箱内工作压力稳定，也即是稳定了棉卷密度。如果调节电位器R₄，系统又会在新的棉卷密度状态下稳定工作。