张力控制器

张力控制器（共12篇）

张力控制器 篇1

0 引 言

卷绕式镀膜机是真空镀膜设备中占重要地位的真空应用设备,用该设备可在卷材上镀制铝、SiO2、氧化铟锡等。由放卷辊放出的原材经放侧导辊、张力检测辊、在中间辊上进行处理,经收侧导辊、张力检测辊,由收辊收卷[1]。由于收、放卷的卷径在传动过程中一直是动态变化的,随着卷材的收取收卷卷径越来越大,而放卷卷径越来越小,加上速度调节、锥度控制等,张力控制具有一定的难度。国内某真空设备生产企业生产的高真空卷绕式镀膜机在传动启动过程中,特别是卷绕部分加速时,容易造成卷材的断裂,缠绕到其他辊子上,致使整机无法工作。对于张力要求波动较小的薄膜,如电容器膜无法加工。

1 系统硬件组成及控制原理

直流电机调速范围大、精度高、速度调节平滑等无可比拟的调速特性,在国外的卷绕式镀膜机设计中一般使用直流电机调速系统,国内的卷绕式镀膜机电气控制系统有用直流电机调速系统的,也有采用交流调速系统的。该公司生产的卷绕式镀膜机系统组成如下,在张力控制系统中电机的配置为:收、放辊电机为:Z4-132 15 kW 440 V/1 360 rpm;测速电机:CYT4.5/5.5-15 1 500 rpm/55 V,中间辊电机为:Z4-112 4 kW 440 V/980 rpm ;测速电机CYT4.5/5.5-10 1 000 rpm/55 V。其卷绕系统的指标为:跑膜速度v=(60 m～400 m)/分,张力连续可调,卷径最小为100 mm,最大为1 000 mm,卷径变化为(100～1 000) mm。由收、放侧的张力控制及中间辊的速度控制构成。其传动系统控制由收、放侧的张力控制及中间辊的速度控制构成,如图1所示。张力控制的好坏直接影响到成膜的质量,膜的跑偏量、暴筋的产生等与张力控制密切相关。张力传感器同张力控制器是张力控制中的最主要元器件。原系统选用的是国外某知名公司生产的张力控制器及张力传感器。该控制器主要用于开卷、送料、收卷等有关卷取的环节上,具有缓启动、防松卷、锥度给定等功能,是目前世界上比较先进的张力控制器。

在设备工作中,当张力给定较大且跑膜速度稳定时,控制系统能保证张力控制合适、收卷薄膜边缘齐整。当张力给定较小时,则引起膜的松弛,有可能将膜卷绕到其他辊子上。速度调节太快时,会引起张力的较大波动,造成薄膜断裂或缠绕到其他辊子上,此时设备无法正常工作。因此张力无法调小,致使无法加工张力要求很小的薄膜。张力控制的好坏直接关系到该机的正常使用。

2 前馈—PID控制原理

原系统中的张力控制器如图2所示,为常规的PID控制器。其工作原理为通过对中间辊转速的调节来实现整个传动过程的速度控制。当中间辊的速度变化时(如速度给定增大),引起收侧张力变化(张力减小),由收侧张力检测器测得张力信号的变化,通过收侧张力控制器输出信号控制收侧电机转矩变化(增加),使其张力保持在给定的范围内。同时引起放侧张力变化(增大),由放侧张力检测器测得张力信号的变化,通过放侧张力控制器输出信号控制放侧的电机转矩变化(减小),使放侧张力保持在给定的范围。在张力调节中转速变化是张力控制系统主要扰动,传动系统速度的调节引起张力的变化,通过检测张力的变化控制收、放侧拖动电机的转矩来控制张力,因此这种控制作用总是落后与扰动作用,是一种不及时的控制,造成系统响应时间慢,针对这一问题引入前馈控制[2],以补偿扰动的影响。

前馈控制的思路是根据进入系统的扰动量(设定值变化或外界干扰),产生合适的控制作用,使被控量不发生偏差。相对于反馈控制来说,前馈控制是基于扰动来消除扰动对被控量的影响,因此前馈控制是及时的。前馈控制作为开环控制,为了克服前馈控制的局限性,将前馈控制-反馈控制结合起来,即发挥了前馈控制作用及时克服对中间辊转速变化对张力控制的影响,又保持了反馈作用能消除其他扰动影响的特点,同时降低系统对前馈控制器的要求,因此控制系统选用前馈-反馈控制,将中间辊转速变化作为扰动来消除其对张力控制的影响,如图3所示[3],实现张力的控制。

工程上一般要求控制系统能在一定的准确度下获得近似补偿,令Wff(S)=-Kff,这是一个比例环节,是前馈控制中最简单的形式,称为静态前馈补偿。本系统采用精度较高的动态前馈控制系统,采用动态前馈后,能及时补偿扰动对被控量的影响,能极大的提高控制过程的动态品质。为了避免对扰动通道及控制通道数学模型的过分依赖性,且便于前馈模型的工程整定,采用如下式的控制规律,undefined,其中Kff为静态前馈系数, T1为控制通道时间常数, T2扰动通道时间常数。

3 控制系统设计

3.1 前向、后向通道信号调理电路设计

张力检测选用深圳亚特克电子有限公司产品,型号为CTS 105-17-500,量程为500 N,通过电桥将应变片感测的张力信号转换为与之成正比的电压信号,最大输出电压20 mV。原理如图4所示。

模数转换采用DSP芯片中的A/D转换器,其要求的模拟输入电压为0～3 V,信号调理电路将0～20 mV的张力电压信号和0～55 V的中间辊转速信号经隔离后处理为DSP芯片能够识别的输入电压。张力电压信号放大倍数为150倍,采用两级放大电路,电压放大器采用低噪声高精度运放OP07,其开环放大倍数高达4×105,共模抑制比为126 dB,单位增益带宽为1.2 MHz 。

D/A转换选用12位电流输出型转换器DAC1210,电流建立时间为1 μs,线性误差为0.05% VFS,通过电流-电压转换电路将输出电流转换为0～10 V的电压,输入到直流电机调速器,调节电机转矩的变化,实现张力控制的目的。如图5所示。

3.2 控制部分设计

张力控制器采用TMS320F2812型DSP芯片为控制核心[4]。实现对张力的检测、计算、闭环调节,锥度的控制、断膜的检测、控制及其他逻辑保护,人机界面等。TMS320F2812是TMS320F2407的升级产品,是TI公司专为工业控制应用提供的高性能控制器,采用32位的定点DSP核,最高速度可达400 MIPS,可以在单个指令周期内完成32×32位的乘法/累加运算,具有高性能的模数转换能力和改进的通信接口。广泛应用于工业控制,特别是用于处理速度、处理精度方面要求较高的领域。它集信号处理的高速性和丰富的片内外设于一体,可以实现各种复杂控制,丰富的片内外资源整个控制系统结构简单。

DSP根据检测输入的张力信号及中间辊转速信号对系统进行控制[5]。通过对输入的信号进行采样、滤波、电平转换和A/D转换处理后,与给定的张力信号比较,根据中间棍转速的变化,进行张力的前馈-反馈调节,给出控制信号。若系统发生故障时,检测到故障立即报警,给出故障指示。若发生断膜等严重事故,硬件电路会封锁电机调速器的输出,进行紧急停车。

4 控制系统软件设计

根据程序流程将按功能构成不同模块,由初始化模块、按键输入模块、显示模块、数据采集模块、算法模块等。

系统上电后,DSP首先进行初始化,初始化结束后,采集端口数据,通过按键可以调整当前的参数设置,如张力大小、锥度调节等。显示当前的给定值与实际值,采用前馈加闭环反馈PID控制算法的控制模式,送出当前的输出调节信号,输出信号给定到电机调速器,改变拖动电机的转矩,改变卷材张力的大小,实现张力的控制,主程序流程如图6所示。

5 结束语

通过前馈加闭环反馈PID控制方式控制卷绕式镀膜机张力的大小,与反馈方式相比,加入了动态前馈补偿,由于前馈控制调节时间短,以克服中间辊转速变化扰动对系统的影响,实现了可加工张力给定值小,要求张力扰动小的卷材,如电容器膜等。使整机性能得到了提升。

用DSP实现张力卷绕式镀膜机张力的控制,提高了调节的精度、改善了人机界面的性能、同时通过DSP的通讯口可在原有硬件的基础上开发通讯功能,这样还可以简化控制系统,降低成本,提高整个系统的性价比。经过实际运行,表明控制系统工作可靠、设备运行平稳。

摘要：研究了一种基于DSP的张力控制器,针对张力控制中速度变化的扰动,在反馈控制的基础上引入了前馈补偿,以克服速度变化对系统的影响。设计了以TMS320F2812型DSP为核心的控制电路。介绍了构成系统的控制原理、硬件控制系统与控制软件的设计。该控制器具有响应速度快、调节平滑、抗扰动能力强等优点。实际应用证明了设计的正确性和有效性。

关键词：DSP,张力控制器,卷绕镀膜机

参考文献

[1]周志文.卷绕式镀膜机中的张力控制[J].机械研究与应用,2003,16(1):48-49.

[2]马姝姝,陈夕松.前馈-内模控制在温度控制过程中的应用[J].电气自动化,2008,30(1):6-8.

[3]邵裕森.工程控制工程[M].北京:机械工业出版社,2003.

[4]孙丽明.TMS320F2812原理及其C语言程序开发[M].北京:清华大学出版社,2008.

[5]郝晓弘,周志文.斩控式交流调压在卷绕式镀膜机中的应用[J].工业仪表与自动化装置,2011,41(6):27-29.

张力控制器 篇2

综合实践课上，老师为我们每个小组准备了一盆水、两张纸巾、两枚回旋针和一个硬币。首先，老师让我们轻轻地将回旋针放入水中，我探着脑袋小心翼翼地把回旋针放入水中，老师问：“你们的回旋针漂起来了吗?”同学们有的说“我的沉下去了”，有的泄气地说“我的失败了”，有的同学焦急了地说过“怎么漂不起来呢?”……

老师淡定地说：“请同学们将回旋针放在纸巾上一并放入水中试试”。我们将回旋针和纸轻轻地放入水中，纸巾慢慢湿透往下沉，为了让纸巾更快下沉，我们用滴管将纸向下按，待纸巾沉入水底，发现了神奇的现象-----回旋针调皮地飘在了水面上，我们仔细观察发现，回旋针平稳地躺在水面上，在水面上形成线条柔和的小凹槽，而且看着老师神秘的表情，我们更加好奇了。

接着，老师让我们拿出硬币，用滴管往硬币上滴水，我们一滴、两滴、三滴……直到硬币上的小水滴变成水滴小胖子，它像晶莹的琥珀，随着桌子的抖动它又像淘气的小朋友轻轻地跳着舞蹈，好像在问我们：“嗨，你们知道为什么我的肚皮挺这么鼓不破裂吗?”我不由自主地将头贴在桌面上盯着，转着眼珠想，为什么水珠看起来像一颗有弹力的球，为什么水不会溜到硬币外，我要滴多少水，水会溢出硬币的表面呢?疑问像七彩的泡泡一样冒出了一串串…… 见证奇迹的时刻到了，老师说其魔力是水的表面有一股收缩、拉紧的力，让水面形成一层“薄膜”，它会托住物体跳跳，它就是水的表面张力，我们恍然大悟，原来是水的表面有张力!

涂布机张力的检测与控制 篇3

包装印刷用涂布机主要由放料单元、储料单元、涂布单元、复合单元以及收料单元等部分组成（如图1所示）。其张力控制系统包括放料单元、放料储料架、涂胶单元、收料储料架和收料部。操作人员必须了解涂布机张力检测的原理、清楚涂布过程中保持张力稳定的方法，才能确保涂布过程的稳定和精确。笔者结合多年的工作经验，以陕西北人高端涂布机Y299D为例，对涂布机张力检测与控制系统进行简单分析，与同行共享。

涂布机的张力检测

涂布机张力检测机通过摆辊和电位器来实现张力的检测，摆辊和电位器通过齿轮来连接。定义电位器各个端头的线号分别为P+、U、P-和PG。其中，规定电位器P+和PG之间的电压为+10V，P-和PG之间的电压为-10V。当张力设定值和张力反馈值相同时，U和PG之间的电压为0V；当张力值发生变化时，即摆辊发生摆动，U和PG之间的电压也会随之变化，从而达到张力检测的目的，有效控制张力稳定。

放料单元的张力控制

涂布机一般设置两个放料单元，Y299D中第一放料单元为被动放料。被动放料系统由磁粉、张力控制器和张力检测传感器构成。第一放料单元的技术已经非常成熟，从放料单元到放料储料单元，张力可始终保持稳定。

第二放料单元为主动放料。在放料过程中，由于放卷卷径不断减小，所以放料摆辊会不断参与张力的控制，这一过程主要由PLC和PID控制器来实现。其中，PLC控制器可计算放卷卷径，并控制相应的电机不断加速，以保持张力稳定；PID控制器则在放料摆辊位置发生偏移时，根据采集的偏差信号，通过计算实现放料电机转速的微调，保证张力稳定。

放料储料架及放料过程的张力控制

放料储料架可实现放料时的零速接料。由于涂布基材的成本比较高，要求的张力较大，且涂布工艺比较特殊，采用普通搭接法无法满足生产要求，因此涂布机的放料储料架与其他设备较为不同。

在正常情况下，放料储料架应储满基材，以节省放料辊的换料时间。因此，在设备启动前应先检查放料储料架的状态，保证放料储料架储满基材，为放料做好准备。

当放料单元需要换料时，按下接料按钮，放料储料架电机开始加速，放料牵引电机开始减速。在这个过程中，放料牵引摆辊控制放料牵引电机，放料储料架电机跟随主机速度，当放料储料架的速度与主机速度相同时，放料牵引电机的速度降为零。此时，放料牵引摆辊由原本控制放料牵引电机切换为控制放料储料架电机，从而保证放料张力稳定，顺利进行零速接料。

完成放料工作后，按下接料完成按钮，放料储料架电机开始减速，放料牵引电机开始加速，同时放料牵引摆辊开始控制放料牵引电机，当放料储料架电机速度减为零时，放料牵引电机速度与主机速度相同。随后，放料储料架开始以零速上升储料，直到升至设定速度。此时，放料牵引电机的速度为主机速度加上放料储料架的上升速度，以满足该过程的张力稳定。当储料完成后，放料储料架电机开始匀速减速，直至速度为零。放料牵引电机也开始减速，并在放料储料架电机降为零时，降至与主机相同的速度。

上述为一个完整的放料过程，在这个过程中，张力从放料牵引到涂胶单元始终保持稳定，满足了涂布工艺的要求，实现了张力的时时稳定控制。

涂胶单元的张力控制

涂胶辊的周长固定不变，所以涂胶辊电机的转速为主机速度加上摆辊的调节速度。安川H1000变频器内部的PID控制器可满足涂胶单元到复合单元之间的张力微调控制。

收料储料架及收料过程的张力控制

涂布机工艺多样，要求收料时预驱轴处于静止状态，因此，涂布机应具备收料储料架机构。在设备启动前，应先检查收料储料架的位置，调整储料架使其以一定速度自动下降至储料机构下端，准备好接料。

当收料轴需要换料时，按下接料按钮，收料储料架从零开始加速，同时，收料牵引和收料当前轴开始减速。在此过程中，收料牵引摆辊控制收料牵引电机，收料储料架电机跟随主机速度，当收料储料架电机的速度与主机速度相同时，收料牵引和收料当前轴的速度减为零。此时，收料牵引摆辊由原本控制收料牵引电机切换为控制储料架电机，从而保证收料张力稳定。随后，收料刀架进行相应的动作，完成收料工作。

收料动作完成，收料大臂落下后，收料储料架电机开始减速，收料牵引和收料当前轴开始加速。在这个过程中，收料牵引摆辊控制收料牵引电机，当收料储料架电机速度减为零时，收料牵引电机和收料当前轴速度与主机速度相同。然后，收料储料架以零速向下加速，直到加速至设定速度。此时，收料牵引电机和收料当前轴的速度为主机速度加上收料储料架的下降速度，以满足复合单元到收料储料架、收料储料架到收料单元的张力稳定。当收料储料架下降至减速标志后，开始匀速减速，直至速度为零。收料牵引和收料当前轴也开始减速，并在收料储料架速度降为零时，速度降至与主机相同的速度。

上述是一次完整的收料过程，在这个过程中，张力从复合单元到收料牵引、从收料牵引到收料当前轴始终保持稳定。

张力控制器 篇4

冷轧处理线中,冷轧钢卷工艺流程一般是开卷、工艺段处理,最后再卷成钢卷。在整个过程中,带钢从机组一处运行到另一处时需保持一定的稳定张力才能顺利通过生产线。

实现张力控制的方法可分为转矩变量调节和速度变量调节。前者通过控制电机的输出转矩来间接控制负载的张力。后者通过把附加速度强加于两个通过带钢相连的传动点(组)中的一个,使之产生速度给定偏差,即让一个传动点的速度给定大于另一个,由于速度给定不同,因此运行时相应传动点的速度调节器就会按照各自给定的速度值进行调节,两点间的带钢就有互相拉拽的趋势,产生两点间的带钢张力。本文所描述的张力控制就是通过速度变量调节实现的。

1 通过速度变量调节张力的张力控制分析

通过速度变量调节张力的张力控制图如图1所示。张力控制的核心是张力调节器,它输出技术速度VTech。同时,张力控制产生技术张力TTech,它等于张力设定值减去相邻张力段的张力设定值。TTech通过计算转换成TQADD,PRE,然后加上摩擦补偿和转动惯量补偿叠加到传动装置的速度调节器之后。这种控制方法可平稳地渡过控制的过渡阶段。

1.1 控制的优点

通过速度变量调节张力的张力控制有以下优点。

(1)在无法精确地获得包角损失和摩擦转矩的情况下,张力测量装置可通过补偿消除这些不利因素的影响。

(2)通过调节器产生VTech,可很好地消除相邻段张力的影响,而通过转矩变量调节张力的效果较差。

(3)带有张力检测元件的直接张力控制可获得非常高的控制精度。

1.2 控制的缺点

通过速度变量调节张力的张力控制有以下缺点。

(1)该张力控制需要张力检测元件,故比不需要张力检测元件的通过转矩变量调节张力的张力控制工程成本高。

(2)由于该张力控制需要张力检测元件参与控制,因此为了保证检测元件测量精确,需要经常对张力检测元件进行校准(标定)。

(3)如果张力检测元件出现故障,且在张力控制的软件中又没有张力检测值的切换处理(通常可切换到通过电机电流计算出的张力或第二个张力检测元件检测值),那么机组的正常生产将受到严重影响。

(4)在本张力控制的张力段中,只有张力检测元件处的张力是准确可控的,在其它地方,张力会随着摩擦力和包角导致的张力损失而不同。这在工程实践中需充分考虑和进行适当的处理。

1.3 原理分析

胡克定律:

σ=ε×E

式中,σ为屈服力,N/m2;ε为变形量,%;E为杨氏模量,N/m2,钢(20℃)为2×1011 N/m2,钢(800℃)为7×1010 N/m2,铝(20℃)为7×1010 N/m2。

在极限情况下,有:

σRE=εLIM×E

式中,σRE为临界屈服力,N/m2,多数钢种的临界屈服力为150～450N/mm2;εLIM为在不产生永久变形情况下的变形量,%。

带钢张力与形变曲线如图2所示。只要带钢的张力小于带钢的临界屈服力,带钢张力和变形量便呈线性关系。其关系可表达为:

或

从物理学可知带钢的变形量(延伸率)也可表达为:

式中,VTcch为技术速度;VL为线速度。

通过式(1)、式(2)可得:

即:

由式(3)可知,技术速度和张力设定值呈线性关系。

通过以上分析可知技术速度可以实现控制,但实际计算得到的技术速度值很小。如:TSET为30kN,截面积为1 000mm2,VL为4m/s,E为200.000N/mm2时,计算得技术速度为0.000 6m/s。

1.4 控制功能描述

1.4.1 数据传送

处理线的基础自动化控制系统一般由PLC和HMI构成。由于处理线工艺复杂导致PLC程序架构较庞大,因此为了减轻PLC的单个CPU负荷,一般把程序按功能分配到多个CPU中去完成。实现带钢传送的程序一般分为线协调(LCO)和速度斜坡发生器(MRG)两部分,而张力控制(TCON)属于速度斜坡发生器部分,因此张力控制和线协调有大量数据要交换。通常,线协调发给张力控制的数据是与张力相关的控制字和张力设定值,而张力控制接收到数据后便进行相应的张力调节,并将相关的状态字和结果值发回线协调。

1.4.2 张力设定

从线协调传来的张力设定有绝对张力和相对张力两种,由控制字的一位信号来区分。

若为相对张力,则张力控制的设定值为:

若为绝对张力,则张力控制的设定值为:

张力控制的设定值设定逻辑如图3所示。

1.4.3 张力给定斜坡发生器

为保证调节过程的平滑性,在张力投入时要求张力按一定的斜坡递增,而在撤掉或减小张力时则要求张力按一定的斜坡递减。这个过程由张力给定斜坡发生器实现,同时为了保证生产安全,该发生器还需具有最大值、最小值限幅功能。张力给定斜坡发生器工作原理如图4所示。

1.4.4 张力实际值采集

张力控制过程中,张力实际值既可直接来自张力检测元件,也可通过执行电机的电流计算得到。该张力控制设计了4种张力实际值采集源,也预留了仿真通道。所有采集到的张力实际值都要经过一个一阶滤波器环节。张力实际值采集控制框图(部分)如图5所示。

1.4.5 相邻区域张力设定处理

理想情况下,张力段和张力段间的张力是互不影响的,但工程实践中却往往互相影响。如,碳钢连退机组工业中,工业炉分为多个张力段,而各张力段间又没有有效的设备将其隔开,因此导致各段张力间互相影响。为此,提出了相邻区域张力设定处理方法,即将本张力段张力设定值减去相邻段的张力设定值得到的差值通过适配处理产生TQTech,再加上摩擦和转动惯量的补偿附加到传动的速度调节器之后形成预控,同时进行张力级联。

张力级联是将多个互相影响的张力段的张力调节器输出叠加到本张力调节器的输出,因此,通常将需叠加的张力调节器的输出进行系数化,即给输出乘上一个系数。张力级联的叠加控制框图如图6所示。

1.4.6 张力初始投入

带钢从无张力状态到有张力控制状态时,一般要求张力不能变化太快,而是渐进地增加的。虽然在张力给定后有斜坡发生器来缓解张力的梯度变化,但张力的变化有时仍不能满足要求。为此通过速度变量调节张力的张力控制设置了一个张力控制的启动环节:张力投入最初时刻,设置一个VTech,Start值,一旦带钢绷紧便取消该值,投入正常张力设定值进行正常的张力控制。张力初始值投入的控制图如图7所示。

1.4.7 张力调节器

一旦张力控制投入,张力调节器便被激活,使张力实际值在张力设定值附近小幅波动,直至设定值。张力调节器的核心是一个PI调节器,为了使调节更加精确,设置了比例常数KP、积分常数Tn可随某变量作线性调整的通道。当比例常数KP、积分常数Tn与某变量存在一定线性关系时可切换到该通道,否则可不用切换便直接设置比例常数和积分常数。张力调节器的最大值限幅(HiLim)和有最小值限幅(LoLim)输出的设置仍采用类似设置比例常数KP和积分常数T1可调整通道的方法。本张力调节器核心虽然是一个PI调节器,但它也可通过Enabe_P_Action(激活P调节)和Enabe_I_Action(激活I调节)参数设置变成一个单纯的P调节器或I调节器。张力调节器的控制框图如图8所示。

2 速度变量调节张力的张力控制应用范围

通过速度变量调节张力的张力控制有以下应用范围。

(1)工业炉段的张力一般分为多段,且每段的张力互相影响,同时控制精度要求较高,因此工业炉段的张力控制使用该张力控制较合适。

(2)很难通过计算获得张力实际值的(如处理线的活套,由于转动惯量、摩擦、包角导致的张力损失难以计算,因此很难算出张力实际值)适合采用该张力调节。

3 结束语

在冷轧处理线中,通过速度变量调节张力的张力控制已应用于武钢三冷轧碳钢连退机组和热镀锌机组,取得满意的效果。

参考文献

[1]周国盈.带钢卷取设备[M].北京:冶金工业出版社,1982

水的张力作文 篇5

一上课，老师先让一位同学打了满满一杯水，那位同学小心翼翼地把水端了进来。之后，又叫另一位同学打了半杯水。老师把那杯很满的水又续上一些新水，使整个杯子都装满水，就这样，这节课的实验才刚刚开始。

老师慢慢地把包提出来，从里面掏出一些硬币，然后对大家说：“这节课，我们做一个实验，我把硬币放进去，看看水会怎么样?”“当然会溢出来!”“我觉得得放5个硬币水才会溢出来!”“应该是放7个吧!”大家议论纷纷。不一会儿，老师把第一枚硬币放了进去，水并没有什么反应，教室里鸦雀无声，坐在一旁的同学们仿佛连气都不敢出了，生怕呼一口气会把水溢出来。

第二个、三个硬币放进去了，水面升高了成凸形可水一点儿也没变，但当放入第五个时，大家发现水面象吹气球一样很神奇，鼓出一个弧形，本来平静的水面好像被什么顶起来似的。硬币越来越多，6枚、7枚、8枚，水面越来越鼓，我们也越来期待，水到底什么时候溢出来呀?

第9枚、第10枚、第11枚，居然11枚都没有溢出来，我们十分惊讶，但当第12枚放进去时，从杯子侧面滴出许多滴小水珠。

原来是12枚硬币才能让一杯水溢出，可是大家又有疑惑了，这是什么原理呀?翻来覆去，想了半天，大家才恍然大悟，哦!原来是水的张力呀!普普通通的水，竟然有这种奇异的现象。

无溶剂复合张力控制的方式与选择 篇6

张力控制的基本方式

无溶剂复合的张力值可通过张力检测器进行实时检测和控制，较常见有气缸控制摆辊式张力传感器和轴承式张力传感器，可根据不同场合及控制要求进行适当选择。

1.气缸控制摆辊式张力传感器

气缸控制摆辊式张力传感器的工作原理是利用电位器检测当前浮辊的位置，并与标准设定位置进行比较，如果张力出现浮动，张力传感器就会得到张力偏差信号，随后发出信号通过气缸来对浮辊位置进行适当调节，直至浮辊回到标准设定位置，即表明张力达到稳定状态。

无溶剂复合过程中，张力的变化主要与膜卷的线速度和卷径大小相关。当张力平衡时，浮辊上的拉力等于其垂直方向上的分力和气缸的推力之和，浮辊处于中间的平衡位置。但当膜卷的卷径或线速度发生变化时，就会导致浮动辊偏离平衡位置，同时带动变位器旋转，使反馈信号偏离原平衡点电压值。该信号与给定电压信号之间有偏差，传感器经过一定算法进行运算后，进而调整电机速度，使膜卷的张力恢复到标准给定值，浮辊便会回到原来的平衡位置。

可见，气缸控制摆辊式张力控制系统工作时是一个不断调整的动态过程，机械摩擦阻力对张力信号检测精度有很大影响。从以上分析可看出，减轻摆辊装置的自重、减小机械摩擦阻力是提高张力信号检测精度的关键。

2.轴承式张力传感器

轴承式张力传感器是通过高精度差动变压器检测出由负载造成的弹簧片形变量，差动变压器将这种形变量转换为与之成比例的电信号并反馈给控制器，通过改变电机转速来保持张力的稳定。

张力控制系统的应用及收卷张力方式的选择

单工位无溶剂复合设备的张力一般分为四段，即第一放卷张力、第二放卷张力、通道张力和收卷张力。在卷径和生产速度的变化过程中，无溶剂复合张力有恒张力要求，在保证复合质量的基础上，对提高收卷质量也具有极其重要的作用。

单工位无溶剂复合设备由于存在频繁开机、停机、加速、减速等操作，因此保证张力的稳定和收卷的整齐度至关重要。

浮辊具有吸收动能的作用，在张力要求恒定的第一放卷张力、第二放卷张力、通道张力控制中采用气缸（低摩擦气缸）控制摆辊式张力控制形式能很好地保证无溶剂复合设备在加速、减速过程中的张力稳定，将张力波动引起的薄膜拉伸及松弛现象降到最低程度。如果第一放卷张力、第二放卷张力、通道张力采用轴承式张力传感器的控制形式，则要求第一放卷单元电机、第二放卷单元电机、涂布电机、复合电机的转速完全同步，才能保证加减速时张力的稳定。

另外，导辊转动灵活性是保证无溶剂复合设备加减速过程中张力稳定的重要因素。正常情况下，导辊的转动只有同步于薄膜的移动，才不会将薄膜表面的油墨刮花。这就要求薄膜与导辊表面的静摩擦力大于导辊转动的阻力，所以导辊必须转动灵活，可以选择重量轻、低摩擦轴承、装配精度高的导辊。判断导辊是否转动灵活的方法是，可用手轻轻拨动导辊，观察其停止转动所需时间，一般要求不低于15秒。

无溶剂复合设备的放卷张力及通道张力均是恒张力要求，收卷张力控制体系主要包括收卷张力、收卷方式和锥度。其中，收卷方式有直线收卷、双曲线收卷和抛物线收卷3种。

无溶剂胶黏剂的特点是100%固含量、低黏度以及初黏力较低，如果复合内层膜是易拉伸薄膜（如PE膜或CPP膜等）时，尽量使用双曲线收卷方式进行收卷，收大卷时，卷径内部收卷较松，复合膜不会产生褶皱；卷径表面收卷较紧，表层不会出现气泡。

另外，收卷压力也可起到辅助收卷的作用，将薄膜间的空气排出（有的兼有消除静电作用），可增加收卷紧度及整齐度。

收放卷张力控制机构的设计

早期的无溶剂复合设备采用锥顶式收放卷，虽然装料及卸料较为方便，但也存在料卷同心度差的缺点，这直接与纸芯端面的平整度、纸芯的同心度有关。软包装企业所用纸芯基本都要重复多次使用，而且需要根据长度进行自行切割，很难保证纸芯端面的平整度及纸芯的同心度，使用这样的纸芯在放卷时必然存在张力扰动，时紧时松，当采用轴承式张力传感器放卷时实际张力波动更明显，这也是目前无溶剂复合设备放卷机构采用气缸控制摆辊式张力控制形式的主要原因之一。

若采用气动锥顶收放卷方式，当纸芯端面不齐时，放卷张力就会出现时大时小的情况，收卷后如果再自然放卷时就不能保证同心度；纸芯一旦发生变形（不同心） ，料卷装上后也不能保证收放卷张力的稳定。此外，施加的锥顶力也会破坏纸芯端面的平整度，重复利用纸芯时很难保证收放卷同心度。如果收卷时料卷表面不同心，则收卷压辊便会上下跳动，在收卷压辊上跳的过程中收卷膜表面无收卷压力作用，而在收卷压辊下跳时就会有较大的压力压在收卷薄膜表面，而且收卷压辊的加压呈现周期性振动，极易将收卷复合膜压皱（横向皱纹），从而在固化成型后产生大量不合格品。

因此，应采用气涨轴收放卷方式，一方面可避免纸芯端面不齐对收卷同心度的影响；另一方面可将略有变形的纸芯撑圆，从而最大程度提高收卷同心度，这对于提高复合膜质量也非常关键。

张力控制器 篇7

在纺织、光纤及音频线圈行业,材料在高速卷绕时,需要对张力和速度进行高精度的控制。张力和速度的扰动会导致卷绕过程中的走偏、移位、变形和断裂[1,2]。目前,绕线机张力控制大多采用单环PID控制方式,该方式导致控制系统复杂、参数设计困难,对非线性、时变的负载扰动很难获得较好的控制效果。近年来出现的模糊控制、鲁棒控制及自适应控制等控制方案虽能改善负载转矩扰动抑制的效果,但也存在结构过于复杂、不能完全解耦控制等问题,因而控制系统的性价比偏低[3,4,5,6]。本文提出了一种将张力速度解耦算法与PID控制相结合的新型控制算法,该算法能较好地补偿负载转动力矩扰动,实现对张力和速度的高精度控制。

1 系统模型

卷绕系统由电机1、开卷辊、支撑轮1、张力检测单元、支撑轮2、复卷辊和电机2组成,其简化结构如图1所示。开卷辊和复卷辊通过传动机构与电机1和电机2相连,支撑轮1和支撑轮2用于固定绕线传输的方向,张力检测单元用于检测张力。

通过分析,可以将系统分解为4个区域(开卷辊到支撑轮1、支撑轮1到张力检测单元、张力检测单元到支撑轮2、支撑轮2到复卷辊)进行分析。下面将分别对这4个区域的张力进行数学建模。

1.1 绕线张力模型

图1所示卷绕系统两个节点之间的材料张力计算主要依据下面两个规律:

(1)胡克定理。根据弹性材料形变产生张力的原理可知,材料形变与张力的关系为

T=ES(L-L0)/L0 (1)

式中,T为绕线张力;E为材料的弹性模量;S为材料的横截面积;L、L0分别为材料拉伸后的长度和原始长度。

(2)张力-速度方程。将文献[7]提出的原理应用到绕线张力时,有

L0d Te=ES(ve-vs)+Tsvs-Teve (2)

式中,Te为出线端张力;Ts为进线端张力;vs为进线端线速度;ve为出线端线速度。

1.2 支撑轮动力学模型

由文献[8]可知,辊轮的转矩方程为

d(Jiωi)/d t=Ri(Ti1-Ti0)+Mi-μiωi (3)

式中,Ji为转动惯量;ωi为角速度;Ri为半径;Ti1为出线端张力;Ti0为进线端张力;Mi为电机驱动力矩;μi为摩擦因数;下标i=0,1,2,分别表示支撑轮1、支撑轮2和张力检测轮。

因支撑轮1、支撑轮2和张力检测轮不存在驱动电机,故

d(Jiωi)/d t=Ri(Ti1-Ti0)-μiωi (4)

又因支撑轮和张力检测轮均为轻质材料,并且与绕线接触面光滑,故可认为其转动速度恒定并且忽略其摩擦力矩,从而有

0=Ri(Ti1-Ti0) (5)

Ti1=Ti0=T (6)

1.3 开卷辊数学模型

开卷辊结构如图2所示。令开卷辊绕线材料线直径为φ,密度为ρ;绕线截面积为A;芯模半径为Rτ,开卷辊由Nτ层绕线紧密缠绕,每层有Kτ匝绕线紧密缠绕,则开卷辊最大半径Rτ max=Rτ+Nτφ,最小半径Rτmin=Rτ。开卷辊轴向长度Wτ=Kτφ。在t时刻,开卷辊轴向长度由wτ(t)和Wτ-wτ(t)两部分组成,其中,wτ(t)表示径向长度为rτ(t)的部分。开卷辊径向半径分别为rτ(t)和rτ(t)+φ。

(a)开卷辊截面示意图 (b)开卷辊正面示意图

由图1可知,开卷辊绕线出线速度为v1(t),则在[t,t+d t]时间内,开卷辊转动惯量Jn(t)变化量为

d Jn(t)=-ρ Av1(t)(rτ(t)±φ)2d t (7)

其中,下标n表示开卷辊。式(7)中“±”的选取原则是:当wτ(t)<Wτ,取“+”;当wτ(t)=Wτ,取“-”。由于φ≪rτ(t),由式(7)可得

d Jn(t)=-ρ Av1(t)r2τ(t)dt (8)

只有求解出rτ(t),才能得到式(8)的精确表达式。在[0,t]时间内,开卷辊的出线长度l1(t)为

l1(t)=∫t0v1(τ)d τ (9)

由于rτ(t)=Rτ max-ψ(t)φ,其中,ψ(t)为t时刻开卷辊上绕线减少的层数,ψ(t)∈(1,2,…,Nτ)。半径为rτ(t)的单圈螺线长度s的计算公式为

$s=\sqrt{4\text{π}{}^{2}r{}_{\tau }^2(t)+\phi {}^2}(10)$

所以开卷辊上减少的绕线长度为

$l{}_1(t)={\rm K}{}_{\tau }{\displaystyle \sum _{n=0}^{\psi (t)}\sqrt{4\text{π}{}^2(R{}_{\tau \max }-n\phi ){}^2+\phi {}^2}}+\Delta {}_1(11)$

$\Delta {}_1={{\rm K}}^{\prime }\sqrt{4\text{π}{}^2[R{}_{\tau \max }-(\psi (t)+1)\phi ]{}^2+\phi {}^2}$

K′∈[0,Kτ]

式中,n为开卷辊t时刻绕线的层数。

所以有

$\begin{array}{l}{\rm K}{}_1{\displaystyle \sum _{n=0}^{k(t)}\sqrt{4\text{π}{}^2(R{}_{1\max }-n\phi ){}^2+\phi {}^2}}\le l(t)\le \\ {\rm K}{}_1{\displaystyle \sum _{n=0}^{k(t)+1}\sqrt{4\text{π}{}^2(R{}_{1\max }-n\phi ){}^2+\phi {}^2}}(12)\end{array}$

令

$f(\phi )=\sqrt{4\text{π}{}^2(R{}_{\tau \max }-n\phi ){}^2+\phi {}^2}(13)$

因为φ很小,所以

$f(\phi )=f(0)+\dot{f}(0)\phi =2\text{π}R{}_{\tau \max }-2n\text{π}\phi (14)$

将式(14)代入式(12)并整理得

πKτ(2Rτmax-φ ψ(t))ψ(t)≤l1(t)≤

πKτ(2Rτmax-φ ψ(t))(ψ(t)+1) (15)

因开卷棍的层数Nτ很大,所以ψ(t)+1≈ψ(t),则式(15)可近似为

l1(t)=πKτ(2Rτmax-φ ψ(t))ψ(t) (16)

将式(16)代入式(9)得

$\psi (t)=\frac{1}{\phi }(R{}_{\tau \max }-\sqrt{R{}_{\tau \max }^2-\frac{\phi }{\text{π}{\rm K}{}_{\tau }}{\displaystyle {\int }_0^{t}v}{}_1(\tau )\text{d}\tau })(17)$

$r{}_{\tau }(t)=\sqrt{R{}_{\tau \max }^2-C{}_1{\displaystyle {\int }_0^{t}v}{}_1(\tau )\text{d}\tau }(18)$

C1=φ/(π Kτ)

将式(18)代入式(8)并整理,可得

Jn(t)=JnRτmax-∫t0(C2v1(τ)-C3∫τ0v1(ζ)d ζ)d τ (19)

ωn(t)=v1(t)(R2τmax-C1∫t0v1(ζ)d ζ)-1/2 (20)

C2=ρ A R${}_{\tau \max }^2$,C3=ρ Aφ/(π Kτ)

式中,JnRτmax为开卷辊半径最大时对应的转动惯量。

将式(18)～式(20)代入式(3),并忽略缠绕在开卷棍上绕线的张力,可得

$\frac{\text{d}(J{}_{\text{n}}\omega {}_{\text{n}})}{\text{d}t}=$

$\frac{v{}_1(C{}_{1}C{}_2(2+v{}_1)l{}_1(t)+C{}_{4}v{}_1-1.5C{}_{1}C{}_{3}l{}_1^2(t))}{2(R{}_{\tau \max }^2-C{}_{1}l{}_1(t))){}^{3/2}}(21)$

C4=J1cC1-2C2R2τmax

联立式(3)、式(21)可得开卷辊上出线端绕线张力T1:

T1=(d(Jnωn)/d t+Mn+μnωn)(R2τmax-C1l1(t))-1/2 (22)

式中,Mn为开卷辊电机等效力矩;μn为开卷辊等效转动摩擦因数。

1.4 复卷辊数学模型

复卷棍的运动学规律和开卷棍具有相似性,其动力学方程也具有类似性。因而,可参照开卷棍的推导过程求解复卷棍的数学模型,具体的推导过程不再赘述,下面直接给出其推导结果:

rσ(t)=(R2σmin+C′1∫t0v5(τ)d τ)1/2 (23)

ωr(t)=v5(t)(R2σmin+C′1∫t0v5(τ)d τ)-1/2 (24)

d(Jrωr)/d t=Mr-

T4(R2σ min+C′1l2(t))1/2-μrωr (25)

C′1=φ/(π Kσ),l2(t)=∫t0v5(τ)d τ

式中,rσ(t)为t时刻复卷辊的半径;Rσ min为复卷辊芯的半径;Kσ为复卷辊上每层绕线的匝数;v5(t)为复卷辊线速度;ωr(t)为复卷辊角速度;Jr为复卷辊转动惯量;Mr为复卷辊电机等效力矩;T5为复卷辊进线张力;l2为复卷辊累计进线长度;μr为复卷辊电机等效转动摩擦因数。

由上述分析可知,卷绕系统数学模型是时变非线性模型;从式(16)～式(25)可知,系统的时变非线性由速度v(t)和长度∫t0v(τ)d τ决定,而这两个状态量既可观亦可控,从而为高性能的张力速度解耦分散控制提供了依据。

2 控制系统研究

本文控制算法的目标就是为了快速地调节每个区域传送的张力和速度,使其与相应的张力和速度参考值一致。由上面分析可知,卷绕系统存在着一个固有的特征:张力和速度存在耦合及时变非线性。该特性使控制系统的设计变得复杂。因而,控制系统必须解决以下两个问题:系统张力和速度的解耦,抑制时变非线性惯性力矩和半径的扰动。

张力速度分散解耦控制算法主要实现卷绕系统张力和速度的分散调节,使输出与相应参考值保持一致。除此之外,动态补偿转矩扰动和速度偏差,快速跟踪卷绕速度的变化。

将式(6)代入式(2),并令T=Te,可得

$L{}_j\dot{{\rm T}}=ES(v{}_{j+1}-v{}_i)-{\rm T}(v{}_{j+1}-v{}_j)(26)$

式中,Lj、vj分别为图1中所示绕线段长度和线速度,j=1,2,3,4。

令ΔT=Tref-T(Tref为设定参考值,T为实际值),Δvj=vj+1-vj,则整理式(26)可得

Ljd(Tref-ΔT)/d t=(ES-Tref)Δvj+ΔTΔvj (27)

忽略ΔTΔvj,可得

Ljd(ΔT)/dt=(Tref-ES)Δvj (28)

将j=1,2,3,4分别代入式(28),并整理得

$v{}_{1\text{r}\text{e}\text{f}}=v{}_5-L\dot{{\rm T}}{}_{\text{e}}/({\rm T}{}_{\text{r}\text{e}\text{f}}-ES)(29)$

L=L1+L2+L3+L4

式中,v1ref为开卷棍的参考转速。

开卷辊张力速度控制算法如图3所示,其主要包括3个控制环路:张力反馈控制、调节绕线张力输出;扰动补偿控制、抑制转矩扰动;速度补偿控制、快速跟踪转速变化。

由图3可得

UT=CT(s)Te+Cf f(s)C′(s)v1 (30)

Uv1=Cv1e(s)v1e (31)

式中,UT为张力控制器输出量;CT(s)为张力反馈控制器;Cf f(s)为扰动观测器;C′(s)为扰动前馈补偿;Uv1为开卷辊绕线线转速补偿量;Cv1e(s)为绕线速度控制器。

因而可得

U1=CT(s)Te+Cf f(s)C′(s)v1+Cv1e(s)v1e (32)

2.1 扰动补偿控制

令GJnωn(s)、Gμnωn(s)分别为开卷辊转动惯量d(Jnωn)/dt和摩擦μnωn引起的转矩扰动对应的传函;TJnωn、Tμnωn分别为d(Jnωn)/dt和μnωn在张力控制环路的扰动输出;Gm1(s)为执行机构传函。

由式(21)、式(22)可知,d(Jnωn)/dt和μnωn在控制环路中产生的扰动输出量为

$\begin{array}{l}\text{Δ}{\rm T}=\frac{G{}_{J{}_{\text{n}}\omega {}_{\text{n}}}(s)\text{d}(J{}_{\text{n}}\omega {}_{\text{n}})/\text{d}t}{1+C{}_{{\rm T}}(s)G{}_{J{}_{\text{n}}\omega {}_{\text{n}}}(s)G{}_{\text{m}1}(s)}+\\ \frac{G{}_{\mu {}_{\text{n}}\omega {}_{\text{n}}}(s)\mu {}_{\text{n}}\omega {}_{\text{n}}}{1+C{}_{{\rm T}}(s)G{}_{\mu {}_{\text{n}}\omega {}_{\text{n}}}(s)G{}_{\text{m}1}(s)}(33)\end{array}$

式中,ωn为开卷辊角速度,ωn=r1v1。

由于ΔT是非线性扰动量,因而,必须抑制张力的扰动。令Cf f(s)=[Cf f1(s) Cf f2(s)],Cf f1(s)、Cf f2(s)分别为d(Jnωn)/d t和摩擦μnωn扰动观测器;C′(s)=[C′v1Jω(s) C′μnωn(s)]T,C′v1Jω(s)、C′μnωn(s)分别用于实时补偿d(Jnωn)/dt和μnωn的值;Gf f(s)为ΔTf f作用在开卷辊的传函。由图3可得ΔTf f作用于张力控制环路的输出量:

ΔTf f,OUT=

$\frac{v{}_1\mathit{G}{}_{\text{f}\text{f}}(s)G{}_{\text{m}1}(s)[C{}_{\text{f}\text{f}1}(s)C^{\prime }{}_{v{}_{1J\omega }}(s)+C{}_{\text{f}\text{f}2}(s)C^{\prime }{}_{\mu {}_{\text{n}}\omega {}_{\text{n}}}(s)]}{\mathit{{\rm I}}+C{}_{{\rm T}}(s)\mathit{G}{}_{\text{f}\text{f}}(s)G{}_{\text{m}1}(s)}(34)$

因而有

$\begin{array}{l}|\text{Δ}\mathit{{\rm T}}{}_{\text{f}\text{f},\text{Ο}\text{U}\text{Τ}}-\text{Δ}\mathit{{\rm T}}|\le \parallel \frac{\mathit{G}{}_{\text{f}\text{f}}(s)}{\mathit{{\rm I}}+\mathit{C}{}_{{\rm T}}(s)G{}_{\text{m}1}(s)\mathit{G}{}_{\text{f}\text{f}}(s)}\parallel {}_{\infty }\cdot \\ (|v{}_{1}C{}_{\text{f}\text{f}1}(s)C^{\prime }{}_{v{}_{1J\omega }}(s)G{}_{\text{m}1}(s)-{\rm T}{}_{J{}_n\omega {}_n}|+\\ |v{}_{1}C{}_{\text{f}\text{f}2}(s)C^{\prime }{}_{\mu {}_{\text{n}}\omega {}_{\text{n}}}(s)G{}_{\text{m}1}(s)-\mu {}_{\text{n}}\omega {}_{\text{n}}|)(35)\end{array}$

由于CT(s)的设计受张力控制指标性能的约束,因而快速抑制扰动的途径有

|v1Cf f 1(s)C′v1J ω(s)Gm1(s)-TJnωn|→0 (36)

|v1Cf f 2(s)C′μnωn(s)Gm1(s)-μnωn|→0 (37)

在满足式(36)和式(37)约束条件下,我们可以应用文献[4]的H∞控制设计具有加权函数的Cf f(s)和C′(s),具体实现过程可参考文献[8]。

张力控制器CT(s)的设计可以使用成熟的PID控制算法实现。但$\parallel \frac{\mathit{G}{}_{\text{f}\text{f}}(s)}{\mathit{{\rm I}}+\mathit{C}{}_{{\rm T}}(s)G{}_{\text{m}1}(s)\mathit{G}{}_{\text{f}\text{f}}(s)}\parallel {}_{\infty }$必须处在一个合理的范围。

2.2 速度补偿控制

由式(2)和式(26)可知,当绕线速度有较大的变化时,张力控制不能及时跟踪绕线转速的变化,致使张力波动严重,导致绕线拉断或张力不足,最终导致产品不合格。因此,必须快速补偿速度变化时的扰动量。速度扰动补偿控制算法如图4所示。

因复卷辊的工作原理和基本结构类似,功能上的区别只在于一个开卷一个复卷。因而,复卷辊的数学模型与开卷辊的相近。故前面对开卷辊的建模和控制算法的实现方案均可以应用到复卷棍的建模和算法设计上,复卷棍的具体实现过程在此就不再赘述。但复卷辊的控制目标是调节速度,而前面开卷辊的控制目标是调节张力。

综上所述,本文提出的张力速度解耦控制算法的创新点在于将复杂的时变非线性强耦合的系统进行解耦控制,即开卷辊实现系统的张力调节,复卷辊实现绕线速度的控制,本文提出的算法实现过程如下:

(1)通过详细分析卷绕系统的动力学和材料力学方程,分别建立了开卷辊、支撑轮的动力学和弹性力学数学模型。

(2)提出了一种将张力和速度解耦单独控制的算法,即开卷辊实现卷绕系统的张力调节,复卷辊实现卷绕系统的速度控制。

(3)以开卷辊为对象,设计了张力控制算法,该算法由张力速度解耦算法与PID控制相结合实现。

(4)应用前馈补偿算法补偿d(Jnωn)/dt和μnωn对张力的扰动,并给出了相应的算法实现流程及相应的约束条件。

(5)给出了开卷棍参考速度vref的数学模型,并设计了速度补偿控制算法,实现快速跟踪绕线速度。

3 实验结果分析

为验证上述分析的模型和控制算法的正确性,本文以绕线机为实验平台,对绕线张力和速度的动态性能进行了实验。实验设备如下:控制器为高速高精度固高运动控制器GT-400-SV-PCI-G;采用三菱伺服驱动器MR-J2S-10A和伺服电机HC-KFS13。在以上述设备构建的平台上分别进行了传统PI控制和本文控制方案的对比性实验。

实验条件如下:φ=0.2mm,Wτ=220mm,A=0.031 42mm2,ρ=8.932×103kg/m3(材料为铜线),Rτmin=10mm,Nτ=500,Kτ=2000,L=1m,实验所得相关波形及数据如图5～图7所示。

由实验波形可以看出:与传统的PI控制相比,本文控制算法精度高、响应速度快,快速地抑制速度、转矩变化对张力的影响,验证了控制器算法的正确性。

4 结语

本文设计的高精度恒张力控制器通过将张力速度解耦算法与PID控制相结合,实现对卷绕材料的恒张力控制。通过将状态反馈控制、转速预测补偿控制及前馈控制相结合,实现张力和转速扰动的快速补偿,能普遍适应各种不同扰动情况下的张力控制。

从实验结果可以看出,本文提出的张力与速度解耦控制算法与常规分散PI控制相比,具有动态响应快、精度高等特点,同时该算法对张力和转速扰动具有很好的抑制能力和快速动态响应能力。

参考文献

[1]吴飞青,马修水,关宏伟,等.基于模糊专家控制的织机经纱恒张力控制研究[J].中国机械工程,2008,19(4):384-387.Wu Feiqing,Ma Xiushui,Guan Hongwei,et al.Re-search on Steady Tension Control System on a LoomBased on Fuzzy Expert Control[J].China Mechani-cal Engineering,2008,19(4):384-387.

[2]陈德传,程志林.力矩伺服式卷绕张力与速度协调控制系统[J].纺织学报,2009,30(6):118-121.Chen Dechuan,Chen Zhilin.Winding Tension andVelocity Coordinated System with Torque ServoControl Mode[J].Journal of Textile Research,2009,30(6):118-121.

[3]Ren Shengle,Lu Hua,Wang Yongzhang,et al.De-velopment of PLC-based Tension Control System[J].Chinese Journal of Aeronautics,2007,20(3):266-271.

[4]Park Cheol Jae,Hwang I Cheol.Tension Control inHot Strip Process Using Adaptive Receding Hori-zon Control[J].Journal of Materials ProcessingTechnology,2009,209(1):426-434.

[5]Yan Mu-Tian,Huang Pin-Hsum.Accuracy Im-provement of Wire-EDM by Real-time Wire Ten-sion Control[J].Journal of Machine Tools&Manu-facture,2004,44(7):807-814.

[6]Choi I S,Rossiter J A,Fleming P J.Looper andTension Control in Hot Rolling Mills:A Survey[J].Journal of Process Control,2007,17(6):509-521.

[7]Pagilla P R,Siraskar N B,Dwivedula R V.Decen-tralized Control of Web Processing Lines[J].IEEETransactions on Control System Technology,2007,15(1):106-117.

张力控制器 篇8

张力轧制是冷连轧带钢生产的主要特征。张力主要有以下几个方面的作用: 防止带钢在轧制过程中跑偏; 保证所轧带钢的平直度; 降低轧件的变形抗力,便于轧制更薄的产品; 适当调整冷轧主电动机负荷[1]。因此机架间带钢张力控制至关重要,决定着冷轧带钢厚度等产品质量指标。

冷连轧带钢宽展极小,根据秒流量方程[2]可知,带钢速度与前后滑系数、机架入出口带钢厚度相关; 又由机架间张力公式[2]可知,机架前后滑系数与轧机前后张力的变化有关; 带钢厚度又取决于轧制力和前后张力。综上分析可见,轧制力、张力、速度相互作用、相互耦合,这就使得张力控制变得非常复杂[3,4]。

在冷连轧控制系统中,通常采用直接张力控制方式,即通过安装在机架间的张力计测量带钢实际所受到的张力,作为控制系统的实际张力反馈值。机架间的张力控制手段通常有2种: 调整下游机架辊缝和调整上下游机架速度。

在自动化领域广泛应用的PID控制器,非常适用于单输入、单输出的系统。对于张力控制这样多变量、非线性、强耦合的系统而言,PID控制器编程和参数调整就变得复杂和困难。冷连轧机架间张力使用PID控制也有多种方式,通常需要2个控制器,分别用于调整速度和辊缝,并且2个控制器需要切换及协调工作,这无疑增加了编程的复杂性和难度[5,6,7,8,9]。

模糊控制方法具有人的思维特点,可以得到非线性的输出,恰好适应这种变工况、非线性的多输入多输出控制系统,因此,笔者用模糊控制器替代2个PID控制器,根据轧制力、张力及速度等各个变量的状态,运用知识库中的专家规则,推导出该状态下速度和辊缝的修正量,对张力进行快速精确的调节控制。该张力模糊控制器于2012年投入广 西柳州钢 铁公司新 建的1 250 mm酸洗冷连轧生产线使用,张力控制稳定,精度高; 相对于PID程序,模糊控制器程序结构简单,思路清晰,大大减少了调试时间和操作人员的人工干预,提高了生产的安全性和可靠性。

1控制系统组成

该酸洗冷连轧轧机入口带钢厚度2. 0 ~ 4. 0 mm,出口成品厚度0 . 2 ~ 1 . 8 mm,最大轧制力16 000 k N,出口最大速度1 300 m / min。酸洗段采用盐酸酸洗液,冷轧机采用五机架串列式轧机。轧机区主要设备有: 7号和8号张力辊,S1 ~ S5轧机,出口夹送辊、飞剪及回转式卷取机。S1和S5采用6辊轧机,配备中间辊工作辊弯辊及中间辊串辊功能,其他3架为4辊轧机,配备工作辊弯辊功能,S5机架配备精细冷却装置。仪表方面配置有: 在S1入口和出口及S5出口设置X射线测厚仪,在S2入口和出口及S5出口设置激光测速仪,在S5出口设置板形仪,每个机架设置位置传感器,机组入口、出口和机架间设置张力计。

该生产线的自动控制系统分为2级: L2过程自动化和L1基础自动化。L2系统由2台冗余服务器计算机组成; L1系统硬件由3台Ansaldo新一代多任 务多处理 器AMS控制器和ABB的DCS800主传动组成。L1控制器中央处理单元为6100CPU,系统支持的编程软件为ISa GRAF5. 3和标准C语言。通过高分辨率的模拟量输入模板和高速计数模板接收现场压力、张力和位置的实际值; 通过高速模拟量输出模板控制压下、弯辊和串辊等的伺服阀。L2系统通过以太网与L1控制器通信,L1控制器采用高速内存映像网实现控制器之间的通信,L1控制器和传动装置通过Profibus-DP现场总线进行通信。

L2轧制模型接收L3生产管理系统下发的来料带钢的物理和材质等参数以及目标产品的相关数据,计算出各机架的速度、压下量和各段张力等的设定值,下发到L1控制器。L1控制器根据设定值和现场检测的实际值,采用不同控制策略,调整速度、轧制力及弯辊、串辊和冷却系统,从而控制产品的厚度、板形等指标。L1张力控制的核心为自动张力控制( ATC) 程序,主要完成机架间张力控制功能,其根据实际张力和L2的设定张力,使用模糊控制器,结合规则库规则, 计算并输出轧机速度和辊缝修正量,并发送给压下控制和速度主令程序,通过相应的闭环控制实现张力控制。机架间张力控制通用结构如图1所示。

2张力模糊控制器

自动张力控制程序的张力模糊控制器子程序( ATF) 采用C语言编写,其结构如图2所示。

ATF控制器的输入信号有4个: 张力偏差、轧制力、出口轧机速度及上游机架速度修正量。输入信号进入控制器后,控制器首先对其进行模糊化处理,然后模糊推理机根据知识库中的相关规则进行模糊决策,再经解模糊处理,产生相应的输出。输出量主要有下游机架的辊缝修正量及上下游机架速度修正量,最终作用到带钢两端的速度上,从而达到控制张力的目的。

2 . 1输入模糊化和输出解模糊

2 . 1 . 1输入模糊化

输入信号模糊化采用三角形隶属度函数法。

( 1) 张力偏差。张力偏差输入的隶属度函数分为5级: NHigh、NSmall、Zero、PSmall、PHigh,分别表示张力偏差值为负向且数值大、负向且数值小、零、正向且数值小、正向且数值大。

( 2) 轧制力。实际单位宽度轧制力输入的隶属度函数分为3级: L、M、H,分别表示相对于正常轧制过程,轧制力偏小、适中和偏大。

( 3) 出口机架速度。实际出口机架速度输入的隶属度函数分为2级: ESL、ESN,分别表示连轧机组处于低速轧制和正常轧制过程。

( 4) 上游机架速度修正量。上游轧机的速度修正量输入的隶属度函数分为3级: NC、ZC、PC, 分别表示相对于初始速度,修正值为负数、零和正数。

2 . 1 . 2输出解模糊

输出信号的解模糊采用广泛应用的加权平均法( 重心法) 。

( 1) 辊缝修正量。辊缝修正量输出隶属度函数分为5级: CloseHigh、Close、Zero、Open、OpenHigh, 分别表示辊缝设定减小一大步距、减小一小步距、不变、增加一小步距、增加一大步距。步距可以通过调试画面进行修正。

( 2) 速度修正量。速度修正量( 分为上游机架和下游机架) 输出的隶属度函数分为5级: NH、NS、Zero、PS、PH,分别表示速度设定减小一大步距、减小一小步距、不变、增加一小步距、增加一大步距。步距可以通过调试画面进行修正。

2 . 2模糊控制器规则库

模糊控制系统中,最重要的是规则库,规则库一般根据轧钢工艺理论及专家经验总结而出。目前该酸洗冷连轧张力模糊控制系统中运行的规则库共有35条规则,如表1所示。在其他条件不变的情况下,若下游机架辊缝减小,带钢进入下游机架的速度会降低,则两个机架间的张力将减小,规则1、2就是利用这个原理制定; 反之, 则增大,规则3、4就是利用这个原理制定。同理,如果其他条件不变,而上游机架速度增加,则两个机架间的张力将减小,对应规则8、9; 反之, 则增大,对应规则6、7。当张力偏大,需要减小下游机架辊缝时,如果这时下游机架轧制力太大, 则模糊控制器会转而调整上游机架速度,对应规则8。PID控制器很难灵活处理这种多输入多输出的情况,而这正是模糊控制器的优势所在。

每一条规则都会按照4个输入分量产生3个输出分量,对辊缝、轧机速度进行调整。调整时,因为辊缝调节会引起压下率变化,速度调节会引起电动机转矩变化,相比之下,压下率变化比电动机转矩的波动小一些,所以优先使用辊缝调节。根据本系统L2模型的速度、厚度控制策略,对于S1和S5机架,由于其速度主要用于出口成品的厚度控制,所以通常情况下,张力控制对这两个机架的速度调整为零。同时,结合工艺情况,规则库中的规则分为3组,分别对应于正常轧制、低速轧制和毛辊轧制3种模式。

( 1) 正常轧制模式。正常生产阶段,当实际出口速度高于画面的设定值时使用该模式。在该模式下,ATC的控制规则为1 ~ 17条。实际运行中,张力控制分2种情况实现: 正常情况下主要通过调整下游机架辊缝实现; 其他极端情况, 如轧制力过大或过小时,通过改变上游机架速度实现,如图3所示。

( 2) 低速轧制模式。启车或穿带低速运行阶段,控制器使用该模式。在该模式下,ATC的控制规则为18 ~ 26条。张力控制通过调整下游机架辊缝和下游机架速度实现,如图4所示。

( 3) 毛辊轧制模式。在使用粗糙度比较高的轧辊时使用该模式,通常用于出口机架。这种情况下,轧制力会比较大。在该模式下,ATC的控制规则为27 ~ 35条。张力控制通过同时调整下游机架辊缝和上游机架速度共同实现。该模式与正常轧制模式的不同之处在于: 两个输出修正同时作用,但权重不同,辊缝修正量权重较小,而速度修正量权重较大。

3应用效果

本工程2012年7月进行全线热负荷试运行,10月17日第1卷厚度为0. 25 mm的钢卷顺利下线。投产至今,机架间张力控制系统运行正常,张力稳定、精确。图5是生产过程中的ATF程序变量跟踪曲线。图中,曲线1是S4 ~ S5机架间的实际张力偏差,曲线2是控制器输出的S5机架速度修正值,曲线3是控制器输出的S5机架辊缝修正值,当前出口速度处于低速区域。在图5曲线前半部分,当实际张力偏差负向小幅变大后,辊缝变小,同时S5机架的速度变小,这是规则19的作用结果; 在曲线后半部分,当实际张力偏差正向小幅变大后,辊缝变大,同时S5机架的速度变大,这是规则20的作用结果。从图5可以看到,辊缝和速度两个调整量对张力同时进行调节,使张力偏差重新回到稳定状态,系统响应快速、稳定,且没有超调。

4结束语

印刷机张力控制装置论述 篇9

印刷机是印刷文字和图像的机器,印刷机的发展印证着人类文明发展的步伐,承载着这种文明的扩大与传播。

当代,在承载这项使命各式各样的印刷设备中,胶印机以其印刷质量稳定、印刷速度快、操作简单、自动化程度高等优点被广泛地应用在新闻出版行业和教育出版行业。在胶印机的运行过程中,纸张张力的控制起着非常重要的作用却经常被忽视。

1 卷筒纸印刷机的张力控制系统

张力是卷筒纸胶印机使纸带前进时,对纸带形成的拉力。纸带的张力恒定是保证连续纸带能够顺利走纸印刷不发生断裂,保证套印精度的重要指标之一。

目前卷筒纸印刷机的张力控制系统,主要有速度控制和力拒控制两种方式。一种方法是通过改变制动装置的运行速度来实现纸张张力的控制,速度控制方式所进行的张力控制,可以在印刷机的给纸部分或印刷机各个功能单元进行。另一是通过调节纸卷制动装置的制动力大小来实现纸张张力控制。力拒控制方式则是在给纸部分进行张力控制,通过采用各种不同的制动器对纸卷运行进行制动。目前行业里被广泛采用的是力拒式张力控制方式。

力拒式张力控制方式主要分为气动式张力控制方式和电磁式闭环式张力控制方式这两种。气动式张力控制方式是通过张力检测装置对纸张张力进行检测,并将检测的信号传回到控制系统中。控制系统依据张力预设定值和张力检测反馈值进行比较后,输出信号控制张力辊起升汽缸气压进行张力调整处理。气动式张力控制方式具有控制精度高、稳定性强等特点,可适应高速度、厚纸路印刷状态下的张力要求,被广泛应用在高速卷筒纸印刷机组中。电磁式闭环张力控制方式也是通过张力检测装置对纸张张力信号进行检测,之后将检测的信号传回到张力控制系统中。控制系统依据张力设定值和张力检测反馈值进行比较后输出控制信号给电磁控制器进行磁力调整,达到目标张力值。电磁式闭环张力控制具有随机性强、控制精度高等特点,适应不同纸料(纸张厚度和纸张原材料)但受电磁吸盘长时间磨擦运行会是磁盘温度高的限制,电磁式闭环张力控制方式适用于中低速印刷状态下的张力要求。

2 力拒式张力控制装置的构件

力拒式张力控制装置由纸卷制动装置、纸带减振装置、送纸辊机构、张力检测装置和张力自动控制器等几个部分组成。

1)纸卷制动装置。该装置通过制动力大小调整纸带张力的状态。制动力大小在印刷过程中必须进行准确可靠的调整。避免纸带因为过载出现断纸或张力不够使纸带松垮套印不准。制动装置依据以上分类有电磁式制动和气动式制动两种方式。电磁制动器控制制动盘面大,制动力矩大,依据纸架结构多采用单磁面制动,导致电磁盘面磨损严重使用时间短。气动式制动盘面小,多采用双盘制动,制动效果好,刹车片磨损小使用时间长。

2)纸带减振装置。该装置用于吸收和减小纸带运行中由于机器和纸卷振动产生的张力和速度的波动。减振装置一般包括浮动辊机构和阻尼机构。浮动辊机构设置在机器走纸张力第一次校正位置。浮动辊可以消除纸卷不规则引起的张力变化,当纸带的两边松紧不一致时,可以通过浮动装置的弹簧压缩量的变化,调整这种不一致状态。阻尼机构主要是对由于速度急剧变化所产生的走纸张力的急剧变化施加阻尼,使这种突然剧烈的张力变化变得平缓、连续,稳定纸带的张力。

3)送纸辊机构。送纸辊又称为纸带驱动辊或续纸辊。送纸辊是给纸机的最后一个部分,纸带离开送纸辊之后就进入到印刷单元进行印刷。送纸辊机构用于对纸带进行强行驱动并控制纸带速度和张力,保证纸带能够顺利地向前运行并将纸带平稳送出。送纸辊机构一般由二到三个辊组成。其中一个是由电动机驱动的、速度可以调整的钢辊。送纸辊机构一般安装在电磁式制动纸架的输纸部分,在更换纸卷时协助新纸卷快速启动运行,减少纸卷的加速时间,确保印刷不间断的前提下顺利的更换纸卷。该机构多应用在不停车接纸的零速纸架上。

4)张力检测装置。该装置用于将纸带的张力大小进行检测并送到张力控制系统中。张力检测装置直接检测纸带的实际张力值,然后把张力数据变成张力信号送入到张力控制器中。张力控制系统将这个信号与预先设定的张力值比较,计算出控制信号,从而自动调整电磁制动器激磁电流、气动制动系统的汽缸气压或者调整控制电机的电压,实现张力大小的调整,使纸带的实际张力值与设定值相同。

5)张力自动控制器。张力自动控制器是接收张力变送器送来的生产过程被调变量变化的信号,并与设定的被调参数的进行比较得到差值经过控制器一定的调节运算进行处理,并将处理后的数据信号反送到张力控制调节机构中,实现调整张力大小的装置。张力自动控制器是印刷机张力控制系统的核心部分,直接决定着张力控制系统的控制效果和品质。

3 以DLP250卷筒纸输纸机为例剖析张力系统控制

以上海恩母易基的DLP250卷筒纸输纸机张力控制系统为例剖析张力系统的控制。DLP250的给纸机张力控制系统,采用气动盘式制动方式对输纸卷进行制动控制。利用浮动辊侧面的滑动变阻器检测纸带张力,将张力信号变为电信号。制动转盘随纸卷一起转动,制动刹车片通过两组气动压膜的压力控制,实现对转动盘的压力摩擦,进而实现对纸卷转速和印刷机转速的差值控制,实现印刷过程纸张张力的控制。

在纸卷半径尺寸发生变化或其他干扰因素造成的纸带张力大小偏离张力的设定值时,张力控制系统便通过改变制动盘刹车片压膜的气压压力调整制动力大小。纸张张力的控制实际上就是制动盘刹车片压膜压力的控制。检测装置将输纸线的张力信号送到给纸机的控制系统,控制系统依据张力设定的数值和实际张力大小,发出适当的电压信号,对制动压膜的气体压力进行控制。系统张力设定值是根据工艺和实际生产状态设定的,对应为直流电压0~10V。电压信号通过电气转换器E/P输出一个0~0.7MPa的气压信号给浮动辊的起升气缸,根据张力设定,基本给定了一个压力值,使浮动辊具有一个目标基准的位置。检测张力是一个旋转方式量程为1kΩ电位计,安装在浮动辊侧面的回转轴上。电位计根据浮动辊的起升位置输出一个电压为0~10V的压力信号。当系统工作时,浮动辊检测纸带的张力大小,并将张力大小对应的电压值送入EAE张力控制器中。EAE根据这个信号和张力设定的数值信号及时地进行判断,计算并输出控制电气转换器E/P电压值。

实际印刷过程中有很多因素会影响到张力控制系统的控制质量。有纸张本身质量问题、室内空间的湿度问题、纸路的路径问题等,其主要控制精髓是控制系统采用的控制规律,决定着控制系统的好坏和系统运行的稳定。因此要印刷出精品的报纸书刊,除调纸张选材和整外部环境因素外,控制系统的控制规律选择一定要保证系统反应快、超调小、误差小,又要保证控制系统稳定。卷筒纸印刷机的张力控制是卷筒纸印刷中必须进行的工作。单闭环的控制能满足一般的报纸印刷要求,在广告印刷中为了获得好的张力控制质量必须选择较高精度的张力检测装置,采用合适的控制规律。如果这些因素都考虑到了仍不能满足印刷条件对纸带张力的要求,那么就需要在印刷设备控制的基础上增加建立另外的控制系统。如:山西闻兴印务有限责任公司环球四五印刷机组中配套的二次张力稳定控制器、精品印刷烘干机等。

参考文献

[1]余节约,田培娟.印刷工艺原理[M].杭州:浙江大学出版社,2010.

[2]张海燕.卷筒胶印机[M].北京:化学工业出版社,2006.

张力控制器 篇10

张力控制器是光纤缠绕系统的最重要的部分,其对绕纤过程中的张力进行控制对于保证光纤环的光纤应力稳定最为关键[1]。由于光纤材料本身及光纤环性能的要求,缠绕过程中光纤张力应稳定在10 g左右,且误差精度要求在达到±3 g以内。光纤张力要求稳定值较小,而对控制精度的要求又较高,在光纤绕制过程中轻微扰动的产生就会导致光纤张力值发生较大振动,因此,这就要求张力控制器光纤张力发生变化时能够迅速地调整光纤放线速度以实现光纤张力的稳定。光纤绕制过程中既有卷绕过程,又有光纤绕制平台的平移过程,传统的纤维缠绕工业中使用的张力控制系统虽然控制方法简单易于实现,但由于其算法过于简单无法实现对不同工艺过程的控制要求。而现代一些基于模型的控制方法,由于其难于实施、系统的鲁棒性难以保证而不适合在实际张力控制过程中使用[2]。

本研究中设计一种自整定模糊PID张力控制器,该控制器结合了模糊控制灵活而鲁棒性强和PID控制精度高的优点[3],并应用于实际光纤环生产过程中,效果良好。

1 光线缠绕张力控制系统结构

光纤缠绕数控系统分为控制光纤缠绕卷绕的运动控制系统和控制光纤缠绕张力的张力控制系统两个部分,两个部分相互独立。其中张力控制系统结构如图1所示。

该系统包括张力控制器、张力传感器、编码器、放线伺服电机、伺服驱动器以及其他机械结构构成。收线电机以及其他平台电机由PMAC运动控制卡作为独立的运动控制系统进行控制。绕线过程中,光纤从放线盘中导出经由导向辊、舞蹈轮、张力传感器、编码器缠绕到收线环盘中。舞蹈轮向光纤施加一定压力,使得光纤张力能够保持在稳定值。光纤缠绕过程中由于收线速度或其他原因导致光纤张力发生变化,张力控制器通过张力传感器采集到张力变化并通过软件算法处理产生控制信号输出给电机驱动器以控制放线电机的转速达到控制张力的目的。

2 张力控制器硬件设计

张力控制器的硬件结构主要由张力传感器信号放大模块电路、A/D转换模块、串口通信模块以及电机驱动模块组成。系统结构如图2所示。

(1)微控制器模块。

张力控制器以Silicon Labs 公司的C8051F310单片机作为微处理器芯片,C8051F系列单片机采用CIP-51 微控制器内核并与MCS-51指令集完全兼容。该芯片内部集成了包括A/D转换器、UART、定时器等功能部件能够提供张力控制系统所需要大部分的模拟和数字外设。

(2)张力数据采集电路。

张力传感器采用施密特公司生产的RFS150(E)张力传感器。张力传感器的输出信号为毫伏信号,在模数转换之前需要采用信号调理电路将毫伏信号经滤波放大转换为0 V～2.5 V的电压信号。模拟信号调理电路采用以AD620仪表放大器为核心的放大电路加以辅助低通滤波电路组成。传感器信号经滤波放大后输出至A/D转换电路,C8051F310单片机内部集成的10位逐次逼近型AD转换器同时完成对模拟信号的A/D转换。

(3)电机转速控制电路。

该张力控制系统的送线电机选用Maxon公司的直流伺服电机Maxon227681,并选采用苏州均和公司配套伺服电机驱动器,电机驱动器采用PID控制算法完成对电机转速的闭环控制。单片机只需要通过发送不同频率的脉冲信号至电机驱动器就可以控制送线电机的转速。

(4)光纤长度测量模块。

在光纤绕制过程中,需要对收线盘中的光纤长度进行测量,图2中的编码器就是用于对光纤长度的测量过程。编码器采用光洋电子增量式旋转编码器TRD-MX,光纤环绕过程带动编码器旋转,编码器同时产生脉冲信号输出,编码器每旋转一周就会信号都会输出1 000个脉冲。C8051F310单片机内部包含可编程计数器/定时器阵列(PCA),PCA由一个专用的16位计数器/定时器和5个16位捕获/比较模块组成。每个捕捉/比较模块有其自己的I/O线(CEXn)。编码器的输出信号连接至捕获/比较模块的输入引脚,同时配置PCA工作在捕获方式对编码器脉冲信号进行捕获计数。本研究通过对编码器输出脉冲信号的计数并且已知编码器旋转轮的周长,即可以通过计算获得光纤的线长值。

(5)通信模块。

在光纤缠绕过程中,张力控制器还需要根据上位机命令设置周期性的将实时张力值、线长值传输给上位机。普通工业控制计算机大都带有串行接口,C8051F310单片机内部集成了UART通信模块,整个张力控制系统张力控制器与上位机之间的距离较近,因此张力控制器与上位机之间可直接采用串行通信方式进行通信。由于工控机串口为RS-232标准电平而单片机输出UART信号为CMOS电平,必须实现标准信号间的电平转换。MAX232是MAXIM公司推出的符合RS-232C通信接口标准的电平转换芯片,使用MAX232完成电平转换以实现微处理器与标准RS-232接口之间的通信。

3 控制器软件算法设计

传统的工业张力控制普遍采用PID算法,但由于在光纤绕制过程中既有卷绕过程,又有光纤绕制平台的平移过程,而且由于绕制光纤环的的半径不同,在相同转速下的收线速度也不相同。因此,在一定工况下整定的PID参数无法适应整个绕制过程。模糊PID张力控制器在PID算法的基础之上,通过计算当前系统张力误差和误差变化率,利用模糊规则进行模糊推理,查询模糊矩阵表进行PID中3个参数Ki,Kp,Kd的调整[2]。对于该系统,模糊语言规则和合成推理决定着控制器性能的好坏。但由于控制器设计完成之后,其语言规则和合成推理往往是确定的、不可调整的。对于光纤张力的控制过程,由于张力的要求稳定值很小,引起张力变化的扰动多种多样,这就要求模糊推理过程具有自调整功能,以使其对不同的扰动引起的张力变化均具有良好的控制效果[4]。常规的二维模糊控制器中输出量取决于输入量E(误差)和EC(误差变化率),按照下式[5]所示的控制规则,加权系数取为0.5,即:

$\underset{˜}{U}=-(\underset{˜}{E}+\underset{~}{{\displaystyle EC}})/2(1)$

式中:$\underset{˜}{U}‚\underset{˜}{E}$和$\underset{~}{{\displaystyle EC}}$—相应模糊变量的等级值。

上述二维模糊控制器一旦设计完成,其模糊规则也就被固定了,不能改变。如果在上式中引入可调整因子α如下式所示:

$\underset{˜}{U}=-(\underset{~}{{\displaystyle \alpha E}}+(1-\alpha )\underset{~}{{\displaystyle EC}})/2(2)$

这样就可以通过调整α的值来调整E和EC对输出量的加权程度,从而调整了模糊规则。也就是说E论域和EC论域上的所有等级分别按照加权系数α和(1-α)来调整。对于常规的控制过程而言,控制过程的初始阶段系统误差较大,可以通过加大α的值来加大误差对于控制输出的贡献以尽快地消除误差。反之,控制过程后期,系统的误差减小,此时控制系统的控制目的就是减小系统的超调加快使系统稳定,这就要求在控制规则中增大误差变化率的权值。显然,单一的α值无法满足要求,因此,可以通过引入调整函数使得α的值按一定的规律变化以满足不同控制过程的要求。实际上调整函数反映的是调整因子与系统误差的关系,设误差E的设定论域为[-X,X],则调整函数可用下式表示[6]:

$\alpha (E)=\{\begin{array}{cc}(\left|E\right|/X){}^{{\rm N}}‚\left|E\right|<X& \\ 1‚\left|E\right|\ge X& \end{array}(3)$

式中:N—反映的是误差对调整因子的影响程度,为了简化计算量这里取N=1。

即:

$\alpha (E)=\{\begin{array}{cc}\left|E\right|/X‚\left|E\right|<X& \\ 1‚\left|E\right|\ge X& \end{array}(4)$

本研究采用这种方法产生控制规则,同时也体现了人脑推理过程的连续性、单值性等特点,可以克服单凭经验来选择控制规则的困难,并可避免在控制规则定义中出现的空档或跳变现象[7]。自调整模糊PID控制系统结构图如图3所示。

3.1 隶属函数的建立

张力误差E的变化范围一般为±20 g,取基本论域为[-20,20],误差变化EC的变化范围为±10 g,取基本论域为[-10,10],本研究将系统误差和误差变化定义为模糊集合上的论域{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}。同样设定△Kp,△Ki,△Kd的模糊集合论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},本研究取隶属度函数为均三角型隶属度函数,为了增加系统的抗干扰能力和稳定性,特别地减小了输入变量模糊语言值NS、ZO和PS的作用范围。输人/输出变量的隶属函数和模糊语言值如图4所示。

3.2 建立模糊控制表

根据PID控制过程的经验,当误差E较大时应加大Kp,减小Ki、Kd以加快系统响应速度,防止出现较大超调;当误差一般大小时应使Kp适当减小,Ki、Kd取适中大小;当误差较小时应减小Ki的值适当增加Kp的值以增加系统反应速度,并防止系统产生振荡;当误差变化较大时应适当减小微分作用,当误差变化较小时适当增加微分作用[8]。针对以上规则本研究分别建立△Kp,△Ki,△Kd的模糊规则表,如表1～3所示。

Kp,△Ki,△Kd的模糊规则表建立后这里采用Mandani极小运算模糊推理法,对模糊控制规则进行推理运算,得到模糊关系;然后依据隶属度函数和模糊关系,采用合成推理法[9]推出控制器的模糊控制量,由于光纤张力很容易受到运行状态的干扰,应考虑隶属度低的变量对输出的影响,本研究利用下式进行加权平均计算,得出模糊控制查询表[10]:

$u=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^{13}\mu }{}_u(X{}_i)\cdot X{}_i}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{13}\mu }{}_u(X{}_i)}(5)$

在运行过程中控制系统实时监测当前张力误差值,并通过对结果的处理,查表运算完成对PID参数的调整,进而通过PID算法得到控制输出完成对张力的调整。其工作流程如图5所示。

4 实验结果及分析

该系统已在正常生产过程中正常运行,运行过程稳定,控制效果良好。为验证说明该控制系统在现场运行过程的有效性,本研究选取常规的PID控制在不同状态下运行与自调整模糊PID的运行状况进行比较。自调整模糊PID控制在收线转速为1 r/s时及加速到10 r/s时从上位机截取的张力监控曲线图如图6、图7所示。常规PID控制在收线转速为1 r/s时经过优化PID参数后得到的张力监控曲线图如图8所示,当转速提高到10 r/s得到张力监控曲线图如图9所示。

从图6～9中可以看出,常规PID控制虽然在一定状态下经过人工调整PID参数可以使系统达到稳定,控制张力误差在较小范围内,但是当系统运行环境变化时其控制性能出现了明显的恶化,系统出现了振荡,光纤张力值在剧烈抖动。而自调整模糊PID控制能够使稳态张力误差稳定在2 g以内,具有较强的适应性和鲁棒性,在系统运行环境发生变化的情况下其控制性能也无明显变化。

5 结束语

该系统利用单片机基于自调整模糊PID算法实现了对光纤缠绕过程的张力控制。实际生产过程表明该控制器具有较快的反应速度和动态精度,且有较强的鲁棒性,使得在绕制光纤时的光纤张力得到了精确、有效的控制,这对于改善环的品质以及提高光纤光纤产品的性能有重要意义,同时表明自调整模糊PID算法在其他小张力控制过程中具有较强的工程实用性。

参考文献

[1]ANDRE S,STEPHEN L.Development of an aut-mated fiberoptic winding machine for gyro-scope production[J].Robot-ics and computer Integrated Manufactuing,2001(17):223-231.

[2]王志明,龚振邦,袁晶,等.基于模糊PID位置控制的气伺服系统[J].机电工程,2009,26(10):93-95.

[3]HUNG J Y,WHITE H V.Presscision wining of fiber opticfilament[J].IEEE Transaction on Industrial Electronics,1992,39(3):258-267.

[4]董千里,史耀耀,周云端,等.基于模糊自整定PID的布带缠绕机张力控制算法的研究[J].现代制造工程,2006(12):103-105.

[5]陶永华,新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,2006.

[6]张巍.在线自调整模糊PID控制器的设计[J].自动化仪表,2000,9(3):5-9.

[7]DRIANKOV D,HELLENDOORN H,REINFRANK M.AnIntroduction to Fuzzy Control[M].New York:SpringerVer-lag,2006.

[8]YUAN You-xin,YANG Jie,GAN Wei,et al.Rewinder’stension cont rol system based on fuzzy logic control algorithm[J].China Pulp&Paper,2006(25):212-234.

[9]赵庆海,贾中华.模糊自适应PID控制在张力控制中的应用[J].包装工程,2008,1(5):11-15.

张力控制器 篇11

1 传统张力控制系统框图（见图1）

TP：张力传感器或者摆辊，检测张力用

IMP：电机驱动辊处的压辊，隔断张力用

TEN，SET：张力设定，一般在人机界面中设定

LS：电机的主速度给定

INV：变频器

M：变频电机

PLC：可编程控制器，计算电机速度

2 原理

传统的张力控制系统主要的控制部分在PLC中实现：通过触摸屏设定需要的张力值，TP反馈实际的张力，在PLC中，比较两个张力的差值，再进行PlD运算，计算出一个速度调整量，与电机的主速度LS进行叠加，输出一个最终的速度给变频器，并通过变频器驱动电机运动，达到控制张力的目的。

1 住友张力控制系统框图（见图2）

TP：张力传感器或者摆辊，检测张力用

IMP：电机驱动辊处的压辊，隔断张力用

TEN，SET：张力设定，一般在人机界面中设定

LS：电机的主速度给定

PAU：住友专用的电机驱动器

M：变频电机

MC550：住友控制器，每个控制器最多可带8个驱动器，并且有PLC的功能。

2 原理

该系统由4部分组成，张力给定、张力检测（反馈）、驱动器、执行器（电机）。

在该控制系统中，首先整机各驱动部件都按照同一线速度给定信号LS进行同步控制，在人机界面中设定需要的张力值TEN，SET，通过TP检测，反馈实际的张力，在MC550中与设定张力值进行比较计算后，得到一个张力调整量，张力调整量与主速度信号LS进行叠加，形成总控制量，输出到PAU，并实现控制矢量电机的转速，达到速度稳定，张力稳定的目的。该控制系统检测单元为张力传感器或者摆辊，能准确地反映出实际张力的大小，以矢量电机作为驱动元件，具有响应迅速、適应范围广、控制精度高等特点。

1 加减速的处理

我们知道所有的物体均有惯性，当要改变相应物体的物理状态时，就必须施加外力，使物体从一种状态变化到另一种状态。在张力控制时，当速度产生了变化，通过电机驱动来克服传动，执行元件的惯性，并拉动材料来克服各个导向辊的惯性，使系统张力变得不稳定，所以住友控制系统在加减速时作了S曲线加减速的处理。

V₀：目标线速度

t₀：一般加速时到达目标速度的时间

b₀：S曲线加速时到达目标速度的时间

t₁：开始减速时间

t₂：一般减速时到达零速时的时间

t₂：S曲线减速时到达零速时的时间

从上面的曲线图能看出来，系统在开始加速或开始减速时，作了一个S曲线处理，使系统从稳态到动态变化时，先缓慢变化，再匀加速变化减少突然变化给系统带来的冲击，同时也减少系统转动惯量对张力的影响；加速完成和减速完成时具有同样的功能。

2 信号的精度及抗干扰的处理

张力控制系统是一个多轴联动的系统，内部包含有很强的干扰源，对检测信号的抗干扰处理是必要的也是必须的。

检测信号的精度直接影响着控制精度，试想张力的波动不能实时可靠地反映出来，再好的控制系统也无能为力，只有实时、可靠的检测信号才能保证控制的高精度。

住友对检测信号的抗干扰措施：从机身到电气柜的信号尽可能采用电流型，有效减少在信号传递过程中的信号衰减。信号进MC550之前，都需要经过信号转换器，有效进行信号隔离，减少信号干扰。同时要求高低压、交直流分隔走线及布线，所有信号线均采用屏蔽线；在软件上，对检测信号进行滤波，消除错误的检测信号对系统产生的冲击。

3 住友控制器位置控制的应用

由于涂布机的材料一般比较厚，为保证裁切的可靠性，所以在收料部采用的是零速接料，这就需要在收料牵引前面加上一个储料架。在储料过程中，根据储料架电机的转动，随时记忆储料架上升的位置，根据主机速度，在不同的位置，储料架的加速度不同。

4 回转架转动多段速的应用

回转架转动的过程对张力的影响也是很大的，尤其是回转架启动和停止的一瞬间，是一个动态、静态转化的过程，这个和整机加减速有着同样的特性，此时要求回转架的转动采用变频器的多段速指令，进行高低速的切换，并且延长变频器的加减速时间，最大程度地减少回转架转动对张力稳定性的影响。

5 压辊离合压时单独PID的应用

压辊离合压时，由于料长发生了变化，此时的张力平衡被打破，而要建立新的稳定的张力，就需要一个可靠的PlD来实现，如果离合压和稳态时共用一套PlD，将会延长系统建立张力的时间，为此，住友系统在离合压时，选择单独PlD控制，大大缩短了系统建立张力的时间。

以上的方法是笔者在住友系统调试中总结出来的，通过以上措施的实施，有效地控制了张力的稳定性，大大减小了张力波动，保证了涂布的精度，明显地改善了整合设备的张力状况，升降速废品率，接换料废品率大大减小。

镀锌线炉区张力速度控制 篇12

1 张力速度控制原理

酒钢镀锌机组采用新日铁设计的立式退火炉, 炉区的传动电机均为变频电机。电机采用了速度转矩双环控制, 电机的转速和转矩通过减速箱后转化为传动辊的转速和转矩, 使各个区段的带钢按照一定的速度、张力运行。

对于生产线上某一张力区域, 区域内所有参与张力调整的传动辊提供的总张力值等于该区域的张力设定值减去后一张力区域的张力设定值。具体到该张力区域的某一参与张力控制的传动辊在按照特定算法进行张力分配后, 把张力转换为转矩值, 传送到变频器控制电机转矩。

此外, 实际生产运行时还需要进行转矩补偿。转矩补偿包括空载转矩和加减速时的动态力矩 (Forcing) 。在调整生产线速度时, 就需要给出一个加减速补偿转矩。机械损耗作为一个固定参数在变频器中设定, PLC程序中不进行机械损耗计算。

为保证退火炉区域内带钢张力的稳定性, 在电机的速度转矩双环控制系统基础上, 增加了张力闭环控制。张力计作为检测带钢实际张力的检测仪器, 实时地将张力实际值反馈到控制系统中, 与张力设定值进行比较。它们的差值信号输入到张力调节器中。张力调节器的输出量经过变化转换为电机的附近速度值, 与主速度设定值相加后传送到变频器控制电机转速。

各区域可提供张力段差如表1所示。

2 关键参数计算

PLC计算出的设定值通过接口送到变频器执行, 从而实现对生产线速度和张力的控制。主要设定数据有速度设定值 (N) 、加减速补偿转矩τH、张力转矩τS。

2.1 辊径补偿常数K d

镀锌线控制系统常数 (Ktia、FTCC) 计算使用的辊径为理论最大辊径 (电机参数表中的Dmax值) 。因此, 在计算出速度、转矩等设定值后、再传送到变频器控制执行前, 需要进行辊径补偿计算。Kd就是辊径补偿常数, 其计算公式为:

公式中D为传动辊实际辊径, Dmax为理论最大辊径。

2.2 电机负荷转矩计算

驱动辊张力到转矩的转换公式为:

公式中T为张力值, N;τ为转矩, N﹒m;i为传动系统减速比;Te为电机额定转矩, N﹒m。

引入常量Ktia, 程序计算中简化为:

2.3 负荷分配

上述计算出的转矩τS为张力区域内总转矩, 由该张力区域内参与张力控制的传动辊共同提供, 需要分配到各个传动辊电机。

酒钢镀锌线负荷分配方式有两种:一种是按照传动辊电机额定功率占区域内电机额定功率之和的比率比例进行分配;另一种是按照带钢包角进行分配。实际中除炉区热张紧辊按带钢在辊身上的包角分配外, 其余都采用第一种方式进行转矩分配。

2.4 加减速转矩补偿计算

电力拖动系统的运动规律可以用运动方程来描述。电力拖动系统的运动方程为:

引入常量FTCC (Forcing Torque Convent Constant) 后, 计算电机转矩的公式转化为:

2.5 AT R (张力调节器) 计算

为了保证生产线稳定运行, 在转矩调节器、速度调节器双环外, 设计了张力调节器。转矩调节器、速度调节器控制单台电机, 张力调节器面向张力段内所有参与张力调整设定控制的电机。

张力调节器的输入为张力偏差值ΔT, 等于该区域的张力设定值Tset与张力计辊检测实际值Td之差。

张力调节器使用PI调节器, 在PLC中的计算模型为:

公式中Kp为比例放大系数, T为采样周期, Ti为积分时间常数

2.6 AT R输出值转化为速度值

张力调整通过速度的改变来实现。计算出张力调节器ATR的输出值后, 还需按照算法进一步转化为速度值, ATR的输出值到速度值的转化公式如下:

3 结语

今后, 在条件允许的情况下, 技术人员将进一步做一些调整尝试, 更深入地了解镀锌生产线运行状况, 积累数据经验, 更好地解决今后遇到的各种速度、张力问题。

参考文献

[1]徐秀飞带钢热镀锌技术问答[M].北京:化学工业出版社, 2007.

[2]李九岭.钢带连续热镀锌[M].北京:冶金工业出版社, 1995.

[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社, 2004.