智慧型動態非織物電腦整合製造系統之開發與研製(II)

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 □ 成 果 報 告

█期中進度報告 智慧型動態非織物電腦整合製造系統之開發與研製(2/3)

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 95-2212-E-011-113

執行期間： 95 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日

計畫主持人：郭中豐 教授 共同主持人：

計畫參與人員： 邱錦勳 林世偉 陳建良

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列 管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立台灣科技大學 高分子工程系

中 華 民 國 九 十 六 年 五 月 三 十 一 日

智慧型動態非織物電腦整合製造系統之開發與研製(2/3)

Theoretical development and experimental verification of an on-line nonwoven computer integrated manufacturing system

計畫編號 ：NSC-95-2212-E-011-113 執行期限 ：95/08/01 ~ 96/07/31

主 持 人 ：郭中豐 國立台灣科技大學 高分子工程研究所 一 、 中 文 摘 要

非織物製造技術中影響產品好壞最主要 之關鍵在於棉網品質之控制，成型機主要用 來摺疊出製造非織物產品時所需之棉網，為 摺疊出符合產品所需寬度與厚度之棉網，成 型機系統中滑動架在往復運動過程中需以穩 定之速度前進與後退以及在進行反向運動時 之瞬間能精確的停在折返點之位置。

本研究首先以牛頓第二運動定律推導水 平式成型機系統之動態方程式，轉換至狀態 空間表示式，以四階 Runge-Kutta＇s 來求解 非線性微分方程式，並求得水平式成型機在 平衡狀態下之系統平衡點，對非線性動態系 統以平衡點及泰勒級數展開式得到線性化方 程式，分別以步階函數及正弦函數為馬達扭 矩之輸入訊號，藉由輸入訊號的響應特性，

繪製水平式成型機系統非線性及線性狀態響 應圖，進而了解水平式成型機系統之動態特 性。

接著利用動態方程式與轉移函數之間的 轉換式求得水平式成型機系統之開迴路轉移 函數，利用根軌跡圖分析系統的控制效應，

設計 PID 類型之控制器，將所設計之控制器 參數帶回水平式成型機非線性系統，驗證控 制水平式成型機滑動架之響應速度。

本研究並以虛功原理推導水平式成型機 線性系統動態方程式，求得水平式成型機線 性系統之開迴路轉移函數，在控制器設計方 面，將原始高階系統轉換函數轉換為部分分 式表示式，並取反拉普拉氏轉換式，求得各 極點之餘數來表示各極點之重要性，以影響 系統最深之極點為系統授控體，使高階系統 得用低階系統來表示，並以固定系統主阻尼

比以及自然頻率，設計控制參數以符合系統 主極點需求，由系統響應圖可知所設計出之 控制參數確實能達到系統目標性能。

英文摘要

Control of the carriage steady at a speed is crucial when one wants to advance the state of the art with higher productivity and efficiency to fabric folding machine systems. Three steps are necessary. First, a good design based model of the plant needs to be developed. Second, a good realizable actuator, sensor, and controller must exist. Third, the system output should be modified using the knowledge of the system dynamic response. This dissertation presents a complete control strategy for a fabric folding machine system, and the system mathematical modeling, dynamic analysis, linearization, and controller design are illustrated. A very realizable actuator and a sensor, which uses a motor and an encoder, are applied to design the control system. The computer simulation results for linear and nonlinear system models indicate that the system steady-state errors for this designed controller can be eliminated and good tracking property can be achieved as well.

Traditional folding machine system is a

stable but sluggish with large steady state errors

according to the carriage unit step velocity

input. Therefore, it is valuable to develop a

realizable controller which can not only make

the closed-loop system efficient for good

tracking property but also can achieve the meaningful design objectives. In this dissertation, the modeling, stability, model reduction, dynamic analysis and controller design for a folding machine system are presented. The control system performance can be effectively seen from the computer simulation.

Proportional plus Integral control (PI) scheme was presented to show the control strategy and design effort of the folding machine system. Although the PI controller not only can eliminate the steady-state error, but also can get the specified damping ratio and undamped natural frequency for a pair of dominant closed loop poles, the response still exist overshoot. Due to a pair of dominant closed loop poles can be designed for a folding machine system, in this dissertation, corresponding with the regulated input command to obliterate the overshoot for achieving precise trajectory tracking and settling-time optimal control will be demonstrated. At the same time, the folding machine system drives frequently use microprocessors, developing a mathematical and computational tool that will ultimately lead to the design of real-time controllers for this system can be visible through this dissertation.

二 、 計 畫 緣 由 與 目 的

非織物近年來蓬勃發展，成為繼機織 布，針織布之後的第三大領域，非織物之製 造技術可分為三部份，分別為棉網之製造 (web manufacturing) 、 棉 網 之 強 化 (web reinforcing)及棉網之整理(web finishing)，棉 網之製造主要利用梳棉機(card machine)梳理 成均勻之棉網，再利用成型機將棉網摺疊出 符合產品寬度與厚度之棉網，再將棉網送往 下一道工程作棉網之強化，棉網之強化主要

利 用 纖 維 間 之 抱 合 力 在 針 軋 機 (needle punched machine)中將纖維與纖維接合一起 製成非織物，最後之整理工作可以使用接合 劑(binding agent)並加以乾燥作為非織物產品 之定型，完成各種不同之非織物產品[1,2]。

當梳棉機將纖維梳理成棉網後，因梳棉機 梳理成的棉網單位重量較輕、幅寬也較窄，

不能滿足產品的要求，應用摺疊方式將棉網 逐層加高、加厚，當棉網達到所需之寬度與 厚度後，送往下一道工程作棉網之強化工 作。而成型機之型式雖可分為垂直式與水平 式兩類，皆為使用輸送帶輸送棉網，棉網穿 過由羅拉所組成之滑動架，藉由羅拉之旋轉 及滑動架之移動或擺動，使棉網成〝Z 字型〞

之方式逐層加高，圖 1 為水平式成型機機構 圖，本研究將以水平式成型機作為系統之動 態建模與分析。

三 、 水平式成型機系統動態模式推導

3.1 水平式成型機系統模式化

水平式成型機系統之機構如圖 2 所示，

分別為馬達驅動系統、滑動架、上輪軸及氣 壓缸。滑動架包含上羅拉(upper roller)、下羅 拉(lower roller)及輸送皮帶(conveyor belt)等 部份，上輪軸與滑動架之上羅拉相連接，而 下輪軸(lower pulley)與伺服馬達(servo-motor) 合成為動力單元，伺服馬達之上方另有兩組 氣壓缸，而傳動皮帶(driving belt)將氣壓缸、

上輪軸、下輪軸及滑動架連在一起，當梳棉 機將棉網(card web)送至滑動架上之輸送皮 帶，伺服馬達提供正向扭矩予下輪軸，經由 傳動皮帶帶動滑動架移動，棉網穿過滑動架 之羅拉，藉由羅拉之旋轉及滑動架移動至正 方向折返點之位置，此折返點即產品所需之 寬度，伺服馬達提供反向扭矩(reverse torque) 予下輪軸，而驅使滑動架往回程運動至另一 反方向之折返點。

因此水平式成型機之運轉模式為啟動－

等速運動、等速運動、折返點－反轉、等速

運動、至另一反方向之折返點位置，如此週

而復始運轉著，使滑動架產生來回之運動效

果，而棉網也穿過滑動架之下羅拉中間往下

擺動，使棉網成〝Z 字型〞之方式逐層加高 厚度，滑動架之下方另有一組輸送皮帶及驅 動馬達，將棉網送往下一道工程作棉網之針 軋工作。當馬達提供扭矩帶動下輪軸產生正 反轉效果時，也會帶動上輪軸產生正反轉，

會造成傳動皮帶產生拉緊或放鬆之現象，而 由氣壓缸活塞往返之運動產生合適之張力給 傳動皮帶。

本研究以牛頓法推導水平式成型機系統 動態方程式時，需先將系統模式化，如圖 2 所示，其中傳動皮帶部份以彈簧來表示其模 式[3]，分別為滑動架下羅拉與下輪軸間之拉 力以 f

_K1

表示，下輪軸與上輪軸間之拉力以

2

f

K

表示及上輪軸與氣壓缸間之拉力以 f

_K3

表 示。為避免傳動皮帶與輪軸間產生滑動現 象，一般採用鋸齒皮帶(toothed driving belt)。

將水平式成型機系統分為四個子系統，分別 為馬達驅動系統、滑動架、上輪軸及氣壓缸，

繪製其自由體圖(free body diagram)求其運動 方程式。

3.2. 馬達驅動系統

馬達驅動系統由伺服馬達與下輪軸相結 合，負責驅動下輪軸經由傳動皮帶而帶動滑 動架位移及產生速度[4,5]。

馬達驅動系統之運動方程式為 ( ) t

T

= T + b +

J

_eq

θ &&

_{1 eq}

θ &

_{1 L m}

(1)

式中

J ：馬達驅動系統之等效轉動慣量(moment

eq

of inertia)

b

eq

： 馬 達 驅 動 系 統 之 等 效 粘 性 摩 擦 係 數 (viscous-friction coefficient)

θ&& ：伺服馬達軸角加速度

1

θ& ：伺服馬達軸角速度

1

T

L

：下輪軸之輸出扭矩 )

t (

T

_m

：伺服馬達之輸出扭矩 其中

L m

eq

J J

J = + (2)

L m

eq

b b

b = + (3)

式中

J

m

：伺服馬達軸之轉動慣量

J

L

：下輪軸之轉動慣量

b

m

：伺服馬達軸之粘性摩擦係數 b

L

：下輪軸之粘性摩擦係數

(

_{k1 k2}

)

0

L

r f - f

T = (4)

(

_{0 1 1}

)

1 1 1

k

r - x

x - l

E

f = 2 θ (5)

(

_{0 2 0 1 1}

)

1 2

2

k

r - r 0 . 5 x

x 5 . 0 l

E

f 2 θ θ +

= + (6)

式中

1

f

k

：滑動架下羅拉與下輪軸間之拉力

2

f

k

：下輪軸與上輪軸間之拉力 E ：傳動皮帶之拉伸剛性 x

1

：滑動架之位移

θ

1

：伺服馬達軸之角位移 θ

2

：上輪軸之角位移 r ：輪軸之半徑

0

l

1

：滑動架下羅拉與下輪軸間傳動皮帶之初 始長度

l

2

：下輪軸與上輪軸間傳動皮帶之初始長度 將方程式(4)、(5)、(6)帶入式(1)中得到馬達驅 動系統之運動方程式為

( )

( )

( )

( ) T ( ) t

0.5x l

0.5x r

- r - 2E

x - l

x - r r 2E b

J

m 1

2

1 1

0 2 0

1 1

1 1 0 0

1 eq 1 eq

⎥ =

⎦

⎟⎟ ⎤

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

+ + θ θ

⎢ ⎣

⎡ ⎟⎟

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ θ

+ θ + θ && &

(7)

3.3 滑動架

滑動架主要用來輸送棉網與摺疊出均勻 厚度及所設定的寬度相符之棉網，設輸送皮 帶在靜態伸展(static stretched)且平穩循 環運轉之情況下不會產生彈性變形[6,7]。

滑動架之運動方程式為 0 f f f x

m

_Z

&&

₁

+

_k1

+

_k2

+

_k3

= (8) 式中

m

Z

：滑動架總質量 x &&

1

：滑動架加速度

3

f

k

：上輪軸與氣壓缸間之拉力

其中

2 4 1 2 3

1 2 1

Z

J

r 4 J 1 r m 1 4 m 1

m = + + +

(9) 式中

m

1

：下羅拉之質量 m

2

：上羅拉之質量

J ：輸送皮帶下導輪之轉動慣量

3

J

4

：輸送皮帶上導輪之轉動慣量 r

1

：輸送皮帶導輪之半徑

而

) 0.5x r

- x (x 0.5x l

f 2E

_{2 0 2 1}

2 1 2

k3

θ +

+

= +

(10) x

2

：氣壓缸活塞之位移

將方程式(5)、(6)及(10)帶入(8)中得到 滑動架之運動方程式為

( )

( )

( )

( )

( )

( l 0.5x x ) ⁰

0.5x r

- x 2E

0.5x l

0.5x r

- r 2E

x - l

x - r x 2E m

2 1 2

1 2

0 2

1 2

1 1

0 2 0

1 1

1 1 0 1

Z

+ = +

+ θ + +

+ θ θ

θ +

&& +

(11)

3.4 上輪軸

上輪軸之運動方程式[8-10]為 0

= T + b +

J

_r

θ &&

_{2 r}

θ &

₂

(12) 式中

J

r

：上輪軸轉動慣量 b

r

：上輪軸粘性摩擦係數 θ&

2

：上輪軸角速度

θ&&

2

：上輪軸角加速度 T ：上輪軸輸出扭矩 其中

(

_{k2 k3}

)

0

f - f r

=

T (13)

將方程式(6)、(10)帶入方程式(12)中得 到上輪軸之運動方程式為

( )

( )

( )

( l 0.5x x ) ⁰

0.5x r

- x - 2E

0.5x l

0.5x r

- r r 2E b

J

2 1 2

1 2

0 2

1 2

1 1

0 2 0 0 2 r 2 r

⎥ =

⎦

⎤ +

+

+ θ

⎢ ⎣

⎡

+ + θ + θ

θ + θ && &

(14)

3.5 氣壓缸

氣壓缸為提供合適之張力給傳動皮帶，

本研究採用兩組單桿雙動氣壓缸，其假設條 件為氣壓缸內之溫度為定值常數[11-13]。

氣壓缸之運動方程式描述如下：

) t ( s

= f + x c + x

m

_pt

&&

₂

&

_{2 k3}

(15) 式中

) t (

s ：氣壓系統所提供之力量 m

pt

：活塞、活塞桿及活塞桿頂端質量之和 c ：活塞與氣壓缸間之粘性摩擦係數

x &

2

：活塞之速度 x &&

2

：活塞之加速度 而

( )

(

₃^{1 2}₂

)

^{2 3}

1

x + l

l A P - A P

= 2 s(t)

(16) 式中

P

1

：入口側氣壓值

A

1

： 入 口 側 活 塞 有 效 截 面 積 (effective cross section area)

P

2

：低壓側氣壓值

A

2

：低壓側活塞有效截面積 l ：活塞在氣壓缸之初始位置

3

將方程式(2-10)帶入(2-15)中得到氣壓缸之 運動方程式為

( )

( ) s ( ) t

x 0.5x l

0.5x r

- x x 2E c x m

2 1 2

1 2

0 2 2

2

pt

=

+ +

+ + θ

+ &

&&

(17) 綜合以上所推導之式(7)、(11)、(14)及(17) 等四條方程式，即為水平式成型機非線性系 統動態方程式。

3.6 狀態空間表示式

設狀態 X

₁

= x &

₁

， X

₂

= x

₁

， X

₃

= x

₂

，

2 4

= x

X & ， X

₅

= θ ，

₁

X

₆

= θ& ，

₁

X

₇

= θ ，

₂

2 8

=

X θ& ，則方程式(7)、(11)、(14)及(17)為

( )

( )

( )

( )

( )

( + + ) _⎭ ^{⎬ ⎫}

+ +

+

⎩ ⎨

= ⎧

3 2 2

2 7

0 3

2 2

2 5

0 7 0

2 1

2 5 0 Z

1

X 0.5X l

0.5X X

r - X - 2E

0.5X l

0.5X X

r - X r - 2E

X - l

X - X r - 2E m X & 1

(18)

1 2

= X

X & (19)

4 3

= X

X & (20)

{

( )

( + + ) _⎭ ^{⎬ ⎫}

+

=

3 2 2

2 7

0 3

4 pt

4

X 0.5X l

0.5X X

r - X - 2E

cX - m s(t) X & 1

(21)

6

5

= X

X & (22)

( )

( )

( )

( + ) _⎭ ^{⎬ ⎫}

+ +

⎩ ⎨

= ⎧

2 2

2 5

0 7 0 0

2 1

2 5 0 0 6 eq m

eq 6

0.5X l

0.5X X

r - X r r 2E

X - l

X - X r r 2E - X b - (t) J T

X & 1

(23)

8

7

= X

X & (24)

{

( )

( )

( )

( + + ) _⎭ ^{⎬ ⎫}

+ +

+ +

=

3 2 2

2 7

0 3 0

2 2

2 5

0 7 0 0

8 r r 8

X 0.5X l

0.5X X

r - X r 2E

0.5X l

0.5X X

r - X r r 2E -

X b J - X & 1

(25)

( ) x = X

₁

h

=

y (26)

由方程式(18)－(26)知水平式成型機之 運動方程式，為一組非線性聯立方程式，其 中 馬 達 驅 動 系 統 之 扭 矩 T

_m

( ) t 為 輸 入 變 數 (input variable)，氣壓系統 s ( t ) 為一已知之常 數值。

四、控制器設計

本研究以固定系統之主阻尼比以及自然 頻率，設計控制參數以符合系統主極點需 求，並以時域模擬端觀其響應變化情形來設 計 PI 控制器[14-16]，令

1 1

p

s +

= n ) s (

G α (27)

s k s ) k s (

G

_c ^p

+

ⁱ

= (28)

將方程式(27)及(28)帶入(29)中可得(30)

sE(s) lim

= e(t) lim

= e

→0

∞ s

→

ss t

(29)

i 1 p 1 1 2

i 1 p 1

k n + s k n + s + s

k n + s k n ) =

s ( R

) s ( C

α (30)

其中

i 1 p 1 1

2

+ ( + n k ) s + n k s

= ) s (

p α (31)

) s (

p ：加入控制器閉迴路極點之特徵方程式 而依據系統之性能參數阻尼比 ζ 以及自然頻 率 ω

_n

，可令系統目標特徵方程式為

2 n n

2

+ 2 s +

s

= ) s (

q ζω ω (32)

經由式(31)及式(32)兩特性方程式之係數比 較，可得 PI 控制器之控制參數為

1 1 n

p

n

k 2 ζω − α

= (33)

1 2 n i

= n k ω

(34)

五、結果與討論

當水平式成型機系統使用 PI 控制器，以 上述條件帶入方程式(33)及(34)中求得 PI 控 制器之增益參數值， k

_p

= 0 . 55 及 k

_i

= 10 . 62 。

將所設計之 PI 控制器控制水平式成型機 滑動架之速度，其系統響應圖如圖 3 所示，

虛線曲線為 PI 控制器控制水平式成型機一階 系統響應，實線曲線為 PI 控制器控制水平式 成型機原始系統響應，由響應圖可看出其響 應曲線從穩態值得 0 % 上升到 100 %之上 升 時 間 t

_r

= 1 . 64 sec ， 最 大 超 越 量

% 16

M

_p

= ， 發 生 最 大 超 越 量 之 時 間 sec

41 . 2

t

_p

= ，響應曲線達到穩態值並保持在 允 許 誤 差 範 圍 ( 取 2%) 所 需 的 安 定 時 間

sec 33 . 5

t

_s

= ，與一般標準二階系統響應之趨 勢 相 同 。 由 特 徵 方 程 式 之 根 為

j 32 . 1 78 . 0

s = − ± ， 主 極 點 的 阻 尼 比 為 51

.

= 0

ζ ，自然頻率 ω

_n

= 1 . 53 rad / sec 與原先 設定之 ζ = 0 . 5 及 ω

_n

= 1 . 5 rad / sec 相當接近，

可說明出應用降階後之系統所設計的控制 器，用來控制原始高階系統，當兩系統之響 應曲線相當接近時，證明所設計控制器之正 確性與實用性。

當參考輸入訊號為 step bang-bang 輸入

時，使滑動架產生來回之運動效果，圖 4 及

圖 5 分別為當系統以 step bang-bang 輸入並使

用 PI 控制器時，所得之滑動架速度響應圖。

六、結論與建議

成型機是不織布產業中，用來製造合適 寬度與厚度棉網之機械，能使滑動架以穩定 速度移動並在反向運動時之瞬間使之停留於 折返點位置，是研究成型機的重要課題。本 文研究水平式成型機系統之動態特性，首先 了解水平式成型機之運動模式及作動原理，

將其系統模式化，繪製成型機四個子系統機 構之自由體圖，瞭解子系統之受力情形，用 牛頓法推導水平式成型機之非線性運動方程 式，以平衡點及泰勒級數展開式得到線性化 方程式，再應用根軌跡法設計工業上實用之 I 控制器，將所設計之控制器帶回非線性系 統，因無法有效的消除系統之過衝量，另外 利用虛功原理來推導水平式成型機線性系統 動態方程式，利用降階模式將高階系統降為 低階系統，並以固定系統主阻尼比以及自然 頻率，設計控制參數以符合系統主極點需 求，將所設計之控制器參數帶回原始系統，

最後利用改變輸入訊號而避免最大超越量的 發生，並消除振盪的部分，進而獲得更快速 的安定時間。經由控制系統數值模擬之驗 證，確實能使系統達到目標性能之要求。可 得下列結論：

1.

本研究以四階 Runge-Kutta 方法求解各 狀態變數之系統響應圖，可從狀態響應圖中 了解水平式成型機各子系統之作動模式。藉 由輸入訊號之響應特性，可由位移圖及速度 響應圖可知水平式成型機系統之運動模式均 能按照系統之輸入訊號之響應特性而作動。

2.

非線性系統以系統平衡點作線性化後所 設計之控制器，帶入原始非線性系統，經由 響應曲線圖證明其非線性系統在平衡點附近 之微量變化之動態行為可近似於線性系統的 動態行為，可作為非線性系統設計控制器使 用。

3.

利用動態方程式與轉移函數之間的轉換 式求得水平式成型機系統之開迴路轉移函 數，利用根軌跡圖分析系統的控制效應，並 探討單位步階輸入訊號的暫態響應特性，如 延遲時間、上升時間、峰值時間、最大過衝 量及到達穩定時間等各項性能指標。

4.

由於水平式成型機系統型式為 type 0，

具有穩態誤差，在控制器之選擇方面，考量 控制器之實用性，使用含有積分項之控制 器，以消除系統之穩態誤差，並以根軌跡法 分析其軌跡變化情形，進行時域上之數值模 擬分析。

5.

在控制器設計方面，將原始高階系統轉 換為部分分式表示式，並取反拉普拉氏轉換 式，求得各極點之餘數來表示各極點之重要 性，以影響系統最深之極點為系統受控體，

使高階系統用低階系統來近似表示，並以固 定系統之主阻尼比以及自然頻率，設計控制 參數以符合系統主極點需求，將控制器之參 數帶回原始高階系統作控制，由系統響應圖 可知所設計出之控制參數確實能達到系統目 標性能。

6.

利用改變輸入訊號消除系統之最大過衝 量，不論以系統響應圖之圖形直接求得最大 過衝量之大小及所發生之時間，再帶入公式 中求得及以系統之 ζ 及 ω

_n

帶入理論公式中 求得，兩者之模擬結果非常相近，亦可證明 理論推導之正確性，而原系統除獲得更穩定 之速度外，系統安定時間由原先之 5 秒改善 至 2 秒，可說明振盪消除理論之實用性。

7.

由伺服馬達扭矩的波形圖可知消除振盪 現象後，對於馬達供給之能量可減少許多、

能有效節約能源。在物理上，由於振盪現象 之消除，不僅降低系統控制力之輸出且可減 少振盪所產生之噪音值及延長機械之使用壽 命。

無論在工業界或是模擬控制系統中，控

制器最常用的控制規律是比例積分微分(PID)

控制，但未來在線上動態非織物製造系統成

型機之控制，可以考慮加入使用智慧型控制

器，如類神經網路、模糊控制器或模糊滑動

控制器，其具有模擬人類邏輯思考決策之方

式，或將智慧型控制和 PID 控制器兩者結合

起來，既具有智慧型控制靈活而適應性強的

優點，又具有 PID 控制精度高的特點。

七、參考文獻

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lower roller card web

upper pulley

driving belt down pulley

pneumatic cylinders s(t)

Tm(t)

conveyor belt conveyor belt

＋

－

＋

－ carriage

motor

accumulator upper roller

圖 1 水平式成型機機構圖

m1

J3

J4

m2

mpt

fK1

fK2

fK3

r0

r0

Jeq

Jr

θ2

θ1 Tm(t)

X1

0.5x1

x2

carriage

upper pulley

motor pneumatic cylinder

s(t)

conveyor belt

driving belt r1

r1

圖 2 梳棉單元系統的動態流程

Reference input Reduced order system Original system

圖 3 加入 PI 控制器降階系統與原始系統滑動 架速度響應圖

Reference input

圖 4 加入 PI 控制器及使用 step bang-bang 輸入時之速度響應

圖

Reference input

圖 5 加入 PI 控制器及使用連續 step

bang-bang 輸入時之速度響應圖

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果自評表

計畫編號：NSC-95-2212-E-011-113

計畫名稱：智慧型動態非織物電腦整合製造系統之開發與研製(2/3)

一、研究內容與原計畫相符程度說明( 如低於 50，請將不符處說明於後) 百分之九十五

二、本研究達成預期目標概要(請從報告中指出其最主要的項獻，複選) ( ∨ )創新之發現 ( ∨ )實驗原型或系統之建立 ( ∨ )理論之拴導或摸式建立 ( ∨ )人才培育

( ∨ )技術水準之提升 ( )其他(請說明)

( ∨ )新技術在國內之再現 ( )未獲具體結果，(請填下欄) 三、本研究如未獲具體結果，其主要原因為何？(必要時請用另紙書寫)

四、本研究成果之學術參考價值：

(∨ )極高 ( )高 ( ) 中 ( )普通 ( ) 低 請列示應送參考機構名稱：

紡織研究中心、紡拓會、台灣科大纖維系與台北科大紡織系、文化大學紡織系、逢甲大 學紡織系

五、本研究成果之應用推薦價值：

( )極高 (∨ )高 ( ) 中 ( )普通 ( ) 低 如可能。請建議送交那些單位或業者參考：

( )可立即推介 ( )尚需進一步研究 ( )不宜推介 紡織研究中心、紡拓會、棉紡公會與相關化纖與棉紡業界。

六、本研究成果可申請專利項目之說明：

可 ( ∨ )發明 ( )新型 ( )新式樣 不可，請說明:

七、本專題計畫應再進一步研究之需要性：

( )不需再研究

( ∨ )應再進一步研究，其研究之方向與目標：

對於新織物之組織及纖維特性，長期記錄實驗結果，並不斷擴充資料庫，以成為一 完整表面柔軟度資料庫系統。

八、本研究成果發表之建議：

( )否 ( )機密性 ( )成果層次尚需再加強 ( ∨ )是，且刊載於何種刊制物為宜？

( )本會 Proceedings 季刊 ( )本會科學發展月刊 ( ∨ )可發表於其他國內外期刊

九、綜評：(請就本研究之核定經費額度與報告之結果，成效，主要發現及其他有關價值等 作一綜合評估，本欄請務必填寫。若空間不夠，請書於背面或另紙書寫)

本研究若有較充裕的經費，當可在控制器的設計與磨毛機加工參數模式預估資料庫的建 構上將理論與實務作更高好的研究

※ 對本研究成果報告自評等第：( ˇ )極佳 ( )佳( )中( )可( )劣

可供推廣之研發成果資料表

□ 可申請專利 ■ 可技術移轉

日期：96 年 5 月 31 日

國科會補助計畫

計畫名稱：智慧型動態非織物電腦整合製造系統之開發與研製(2/3) 計畫主持人：郭中豐 教授

計畫編號：NSC-95-2212-E-011-113 學門領域：自動化學門

技術/創作名稱

非織物棉網成型機之系統控制

發明人/創作人

^郭中豐

中文：非織物製造技術中影響產品好壞最主要之關鍵在於棉網品質 之控制，成型機主要用來摺疊出製造非織物產品時所需之棉網，為 摺疊出符合產品所需寬度與厚度之棉網，成型機系統中滑動架在往 復運動過程中需以穩定之速度前進與後退以及在進行反向運動時 之瞬間能精確的停在折返點之位置。

技術說明

英文：Control of the carriage steady at a speed is crucial when one wants to advance the state of the art with higher productivity and efficiency to fabric folding machine systems. Three steps are necessary.

First, a good design based model of the plant needs to be developed.

Second, a good realizable actuator, sensor, and controller must exist.

Third, the system output should be modified using the knowledge of the system dynamic response.

可利用之產業 及 可開發之產品

紡織產業之非織物相關產品，如紙巾、口罩與尿布等等。

技術特點

將各種不同材質密度分佈均勻之棉網送往摺疊機作棉網之摺疊工 作，摺疊機之功能在於得到符合非織物產品所需之寬度與厚度之棉 網，將推導摺疊機系統之動態方程式，藉由輸入訊號的響應特性，

繪製摺疊機系統滑動架在非線性及線性狀態響應圖，進而了解摺疊 機系統之動態特性，以PID 控制理論設計控制器，進行電腦模擬分 析與比較，並架設感測器裝置，測量其棉網摺疊後之厚度及寬度，

進行所設計之控制系統之實務驗證。

推廣及運用的價值

當梳棉機將纖維梳理成棉網後，因梳棉機梳理成的棉網單位重量較

輕，幅寬也較窄，不能滿足產品的要求，應用摺疊方式將棉網混合

均勻逐層加高、加厚，當棉網達到所需之寬度與厚度後，送往下一

道工程作棉網之強化工作。