分切機控制系統(tǒng)設(shè)計

杜海軍，錢治磊

（十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系湖北十堰442000）

1 引言

凹版印刷是目前我國最流行也最常見圖文印刷方法之一，它具有版筒耐印率高、印刷速度快等特點。凸版印刷機特別適用于大批量及批量印刷工藝，加工出來的印刷品層次豐富、墨色厚實、立體感強，可獲得色彩鮮麗及濃淡有致的圖文信息變化。分切機是凹版印刷系統(tǒng)的重要工藝設(shè)備，它在凹版印刷機產(chǎn)品的質(zhì)量及分切控制方面起著關(guān)鍵的作用，在整個生產(chǎn)流程中占有十分重要的地位。我國在分切機控制上與一些國際品牌存在著較大的差距，其中分切機的張力控制是難點，也是我國與世界先進國家技術(shù)差距最大的地方。本文重點對分切機控制系統(tǒng)中的張力控制進行研究。

2 分切機張力控制方法

一般來說，分切機的張力控制系統(tǒng)在整體結(jié)構(gòu)上由以下三部分組成：張力控制裝置；分切機速度／張力檢測裝置；張力控制驅(qū)動器及執(zhí)行機構(gòu)［1］。

在分切機張力控制系統(tǒng)的三個組成部分之中，核心是張力控制裝置。張力控制裝置首先利用張力傳感器和速度傳感器，對其張力控制裝置的相關(guān)信號進行采集，然后控制裝置對這些信號進行處理，通過對比實時測量值和設(shè)定值之間的關(guān)系和差值，再通過差值的大小并應(yīng)用一定的控制策略，對控制信號進行實時調(diào)整，然后將控制信號反饋給張力控制執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)進行相關(guān)動作之后，完成對分切機張力和速度的調(diào)整。

在實際的印刷加工生產(chǎn)之中，常有以下兩種張力控制方式：

（1）直接法：直接利用張力傳感器對所測量物料的張力進行測量，然后輔以執(zhí)行機構(gòu)進行控制，構(gòu)成整個張力閉環(huán)控制系統(tǒng)?；蚴侵苯永盟俣葌鞲衅?，對物料的線速度進行直接的檢查，并輔以速度控制系統(tǒng)，構(gòu)成線速度閉環(huán)。

（2）間接法：卷徑的變化是分切機的線速度或者張力發(fā)生變化的主要擾動量和影響因素，因此，通過補償分切機卷徑的變化實現(xiàn)擾動的補償，進而達到張力控制的目的。

在這些方法之中，直接法是最常用也是張力控制效果的一種方法，本文采用這種方法對分切機進行控制。

3 基于PLC的分切機控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

根據(jù)分切機控制系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，本文所研究的分切機控制系統(tǒng)的基本硬件構(gòu)成如下［2］：歐姆龍的C200可編程控制器，公選用CPU模塊；電源模塊；存儲器模塊；16點數(shù)字量輸入和輸出模塊各一個；8點數(shù)字量輸入和輸出模塊各一個；觸摸屏；LX－030TD型張力傳感器；LM－PC型張力顯示表；超聲波傳感器；變頻器；電氣比例閥；電機；編碼器。

3.2 分切機軟件控制設(shè)計

由于分切機生產(chǎn)線非常長，因此對整個分切機生產(chǎn)線的張力進行穩(wěn)定控制難度比較大。本文將整個分切機生產(chǎn)線，分成幾個可控制的部分分段進行相關(guān)的張力控制，分成的幾個部分分別是：放卷和放卷牽引之間、放卷牽引和主電機、收卷牽引和收卷之間、主電機和收卷牽引之間。在每一部分都采用一個浮輥檢測系統(tǒng)對各部分的張力進行測量，然后通過相關(guān)的控制策略進行張力的穩(wěn)定控制，具體的控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

例如，在放卷牽引和放卷之間，裝一個分切機浮輥檢測系統(tǒng)在靠近放卷一側(cè)的位置之上，這樣如果這段系統(tǒng)的實際測量的張力偏離了設(shè)定值，只要對分切機的放卷電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，就可實現(xiàn)對于張力進行控制，在整個張力浮輥檢測系統(tǒng)分布布置在以下三個位置之中，分別是：靠近放卷牽引處、收卷牽引處和收卷處。這樣當(dāng)這三處傳感器的張力實測值偏離了張力的控制值，只要根據(jù)相關(guān)算法對這三處的相關(guān)電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，就可以使整個系統(tǒng)的張力得到很好的控制。具體的控制方法如圖1所示［3］。

圖1 張力控制系統(tǒng)

3.3 PID控制器參數(shù)的整定

本文用湊試法對張力控制系統(tǒng)的PID相關(guān)參數(shù)進行了整定，所謂的參數(shù)整定，就是對PID控制系統(tǒng)之中的比例部分、積分部分、微分部分的相關(guān)系統(tǒng)進行整定分析，具體這三個參數(shù)對于系統(tǒng)的控制性能的影響作用如下：

比例系數(shù)KP的作用是對系統(tǒng)的偏差作出即時響應(yīng)，通過相關(guān)的設(shè)定產(chǎn)生與實際偏差成正比的調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)的偏差迅速減少，一般來說，KP越大，比例調(diào)節(jié)作用越強，系統(tǒng)的瞬時響應(yīng)性會更大，但是KP過大會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩的傾向。

積分系數(shù)K1的作用是對系統(tǒng)的靜差，即系統(tǒng)長時間積累的誤差進行消除，積分系數(shù)K1越大，系統(tǒng)的靜差越小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也越強，但是過大的積分系數(shù)K1會使系統(tǒng)實時響應(yīng)性變差，影響系統(tǒng)的控制精度。

微分系統(tǒng)KD的作用是對于將要產(chǎn)生的誤差提前進行消除，主要是對系統(tǒng)偏差變動的趨勢進行消除。將系統(tǒng)偏差提前予以消除，可以對系統(tǒng)偏差變化率進行控制，以實現(xiàn)系統(tǒng)偏差的預(yù)測。加大KD可以減小系統(tǒng)的超調(diào)，有利于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是過大的KD會影響動態(tài)穩(wěn)定性，但對擾動的抑制能力降低。

明確KP，K1，KD的作用后，可以確定湊試法應(yīng)用步驟：

（1）首先只對比例系數(shù)KP進行整定。將比例系數(shù)按一定的范圍由小到大逐漸調(diào)節(jié)，觀察系統(tǒng)的控制響應(yīng)曲線，直到調(diào)整到系統(tǒng)響應(yīng)速度比較快，且性能曲線的形狀比較合理。

（2）然后加入積分環(huán)節(jié)，對積分系數(shù)K1進行調(diào)節(jié)，構(gòu)成PI控制。按一定的范圍由小到大地對積分系數(shù)K1進行調(diào)節(jié)，同時將比例系數(shù)KP進行微弱地減小，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，看系統(tǒng)靜差是否得到消除。如果需要更精確的控制，則需要對系統(tǒng)的微分環(huán)節(jié)進行控制。

（3）加入微分環(huán)節(jié)，對微分系數(shù)KD進行調(diào)節(jié)，構(gòu)成PID控制。從零開始由小到大地增加KD，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)KP和微分系數(shù)K1，逐步試湊，直到獲得滿意的控制效果。本文采用的PID參數(shù)如表1所示：

表1 PID參數(shù)整定結(jié)果

［1］李 勤.高速分切機控制部分研究［D］.同濟大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009：76.

［2］朱小兵.高速數(shù)字分切機的現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.塑料包裝，2010（3）：54.

［3］翟光亞.國產(chǎn)分切機的賦能設(shè)計與設(shè)備改造［J］.電子元件與材料，2010（6）：145.