引言
高速卷繞機是化纖長絲高速紡絲生產裝備的重要組成部分，卷繞機采用等角卷繞的方法，以很高的速度將化纖長絲卷繞成大容量的圓柱形卷裝[1]。隨著卷繞直徑的增加，卷裝上的絲層不可避免地會發(fā)生重疊，引起機器的振動。有多種控制系統可以避免重疊的發(fā)生[2~6] ，但都存在一定的不足和缺陷，最突出的間題是忽略了卷裝上絲層之間絲圈分布的位置穩(wěn)定性，而這正是在高速下卷繞大容量的卷裝和高速下從卷裝上順利退繞的重要間題。因為絲層之間絲圈位置走動的隨機性將達不到預期的防疊效果，難于獲得成形良好的大卷裝，而在高速退繞時絲圈容易相互糾纏，造成脫圈和斷頭。
為了克服上述不足和缺陷，筆者提出了一種自主創(chuàng)新的優(yōu)化變位卷繞方法及其相應的測控系統。
1優(yōu)化變位卷繞原理
卷繞時，卷繞參數之間關系如下式[1,7]
其中： 為卷繞角；H 為往復導絲動程；m 為每分鐘往復導絲的次數；dK為卷繞直徑；nK為卷裝轉速;i ＝nK/m，為卷繞比（即每往復導絲一次時的卷繞圈數）。等角卷繞時， 為常數，i 與dK之間成等軸雙曲線關系，如圖1 中的實線所示。當i 值變化到含有最簡分數部分為X/l , X/2，X/3，… ，X/MR，… ，等一系列數值時（如圖1 中的R 點，其中：卷繞周期MR表示每個可能發(fā)生一次重疊時間內往復導絲次數，X為與MR互質的任意整數），卷裝上前后卷繞周期的絲層的絲圈將繞在同一位置上，在卷裝上形成螺旋形的凸出的密集絲帶，即所謂重疊。等比卷繞時i 為定值，如圖l 中的點劃線，只要精心選取i 就不會有重疊發(fā)生，所以又稱其為精密卷繞，但因它自身固有的不足，不宜用在有高速、大卷裝要求的化纖紡絲卷繞機上。
圖i 一dK關系曲線圖
優(yōu)化變位卷繞方法把變卷繞比的等角卷繞轉換成若干級等卷繞比的精密卷繞，每一級的卷繞比都經過優(yōu)化選擇。優(yōu)化變位卷繞法將本來連續(xù)變化的卷繞比曲線變?yōu)橛梢幌盗袃?yōu)化選擇的恒定卷繞比組成的折線，具有沒有重疊、布絲均勻、絲圈穩(wěn)定、排列緊密和速度波動小等特點。卷裝的成形質量好、表觀密度高，有利于大卷裝的高速卷繞和高速退繞。圖2 有是優(yōu)化變位卷繞的i 一dK關系圖。
圖2 優(yōu)化變位卷繞的i 一dK關系圖
2優(yōu)化變位卷繞的數學模型
在卷繞比中，最簡分數部分X/MR，的分母MR表示一個卷繞周期中的絲層數量。MR愈大，可能出現重疊的時間間隔愈長，重疊的機會愈少。如MR = 5 ，則往復導絲5 次（形成5 個絲層），為一個卷繞周期。在圓柱形卷裝端面上，MR值是一個卷繞周期內的折返點數。X表示同一個卷繞周期中相鄰絲層的離散狀況。
圖3 為兩種優(yōu)化選擇的絲圈折返點分布圖例，它們的絲圈分布具有良好的離散性。為了提高卷裝表觀密度而又不出現重疊，繞絲間距需略大于繞在卷裝上的長絲最大極限寬度，取繞間距S=k1W（其中：k1為表觀密度影響系數；W為卷裝上的長絲的最大極限寬度）。
圖3 優(yōu)化選用的絲圈折返點分布圖
為了減少卷繞速度的波動量，因每分鐘往復導絲次數變化引起的卷繞角 的變化應限制在微小的范圍內。根據相對運動原理，在每一個卷繞周期內，每分鐘往復導絲次數變化而導絲器多移或少移過一段距離，可以看作卷裝多轉或少轉過的一段弧長，即有
其中：nR為一個卷繞周期的卷裝整轉數；nR/MR＝iR為發(fā)生重疊時的卷繞比。
由此可求得各個優(yōu)化的卷繞比iN( N＝0 , 1 , 2 , … ，n）為
其中：SiR／( 2HM S ) ＝△iR，即為避免重疊而保持一個繞絲間距S時，卷繞比中相對重疊卷繞比iR應增減的偏離值。由圖2 可見，△iR隨iR值的大小而有所不同。
往復導絲機構的導絲電機轉速設定值nmG＝k2m （其中：k2為傳動比，取決于往復導絲機構的具體結構），于是
式（4 ）即為實現優(yōu)化變位卷繞的數學模型，結合圖2 ，可作出如圖4 所示的導絲電機轉速設定值nmG隨卷繞直徑dK變化的關系曲線圖。
圖4 優(yōu)化變位卷繞的nmG一dK關系曲線圖
3 優(yōu)化變位卷繞的PCC測控系統設計
3 . 1 優(yōu)化變位卷繞的實現方法
圖5 為實現優(yōu)化變位卷繞的機電一體化測控方案。其中，執(zhí)行機構所接受的指令為導絲電機轉速的實際給出值nms，它以式（4 ）確定的nms 為主要依據，同時利用轉速傳感器檢測出導絲電機實際轉速nm，并與nms進行比較，將兩者之間的本次偏差ei、上一次偏差ei-1、再上一次偏差ei-2通過比例積分微分（PD ）算法，對式（4 ）的nms進行輔助的調整和補充，使整個系統的靜動態(tài)特性都有所改善。因此，導絲電機轉速實時拄制時的實際給出值應為
其中：P為比例系數；I 為積分系數；D 為微分系數。
圖5 優(yōu)化變位卷繞系統的機電一體化測控方案
3 . 2 測控系統的硬件設計
在實施式（5 ）所要求的檢測計算和控制任務時，可應用可編程計算機控制器（PCC ）和變頻調速等測控技術進行如圖6 所示的優(yōu)化變位卷繞系統硬件設計。其中，PCC是整個測控系統的核心部分，它選用的是奧地利貝加萊工業(yè)自動化公司B&R 2000PCC系列中的B&R 2003PCC及其模塊化擴展手段，主要由B&R2003PCC子系列中的CP474CPU主模塊DI135 高速數字量輸入模塊、IF321 RS485 接口模塊和IF311 RS232 接口模塊等組成。
CP474CPU 主模塊內含2003 的處理器、100kB 的SRAM 、512kB的Flash PROM 、用于CPU編程和下載程序的RS232 接口、用于聯網設計的CAN 接口和4 個CP 插槽。它可固化系統程序，存儲設定的卷繞速度為v，最小卷繞角分別為 ，W，k1 , k2 ，空管直徑為d0，滿筒直徑dH和H 等生產現場工藝參數和機械參數，PD 調節(jié)的系數，中間變量等，完成有關計算等任務。插入CP474CPU主模塊CP 插槽的DI135 模塊，具有高速數字量輸入的功能，可充分利用其內部4MHZ 高頻脈沖信號高速計數器以及CP474 所特有的獨立時間處理器單元（TPU）功能，通過數字濾波法實時檢測nm，nK、和傳動輥轉速nT，從而有效地提高測速的精度。插入CP474CPU 主模塊CP 插槽的IF321 模塊，具有RS485 接口的功能，完成將實際應有的輸出信號nmS送至導絲電機變頻器FRENIC5000Gll 的RS485 接口，實現優(yōu)化變位卷繞的過程控制，使導絲電機轉速符合圖4 所示的非線性目標函數。插入CP474CPU主模塊CP 插槽的IF311 模塊，具有RS232 接口的功能，用于連接HITECH PWS - 700TSTN 型觸摸屏，以進行功能選擇、參數設定和狀態(tài)指示等有關鍵盤操作和信息顯示。一旦完成設置任務，觸摸屏亦可處于脫機狀態(tài)。
3 . 3 測控系統的軟件設計
圖6 優(yōu)化變位卷繞的PCC 測控系統硬件原理框圖
圖6 所示PCC 測控系統的軟件部分可分為若干個模塊，主要采用PCC編程軟件包PG2000 所提供的PL2000 高級語言和HITECHPWS編程軟件包ADP3 進行程序設計。其中的特色模塊部分包括系統運行前的數據準備處理程序和系統運行后的過程控制處理程序。
圖7 為準備命令處理程序流程圖。它