恒張力牽伸控制系統(tǒng)的研究

張?zhí)稞垼字緜?，宮 哲，李玉霞

(河北省自動(dòng)化研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展越來越快，如冶金、造紙、塑料薄膜、金屬箔、紡織、印染、塑膠以及各種線材的生產(chǎn)行業(yè)，在生產(chǎn)和包裝過程中，產(chǎn)品需要保持恒定的張力，以避免在生產(chǎn)過程中的速度或張力突變導(dǎo)致線材忽緊忽松，降低產(chǎn)品的品質(zhì)。因此,如何更好地控制系統(tǒng)隨動(dòng)軸的平穩(wěn)運(yùn)行,使其對(duì)主動(dòng)軸的速度變化做出及時(shí)響應(yīng)，就成為保持恒張力控制功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。恒張力控制的方案主要包括力矩電機(jī)張力控制、磁粉制動(dòng)器/離合器張力控制、重力緩沖輥張力控制和直接張力閉環(huán)控制等。而直接張力閉環(huán)控制因其具備張力控制平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、控制精度高等優(yōu)勢(shì)，在一些特殊場(chǎng)合應(yīng)用較為廣泛。本文設(shè)計(jì)搭建了一套恒張力控制模型，并通過計(jì)算、優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了線材生產(chǎn)過程的恒張力和全自動(dòng)運(yùn)行。

1 張力控制

1.1 直接張力控制

直接張力控制，就是不借助任何輔助機(jī)構(gòu)(如重錘、彈簧、氣壓缸、液壓缸、浮動(dòng)輥、緩沖器等)建立的張力測(cè)量系統(tǒng)，而是直接通過張力傳感器檢測(cè)張力值，系統(tǒng)設(shè)置主動(dòng)軸的運(yùn)行速度，并實(shí)時(shí)采集張力傳感器的反饋值，通過控制器內(nèi)部的PID控制算法，計(jì)算并調(diào)整隨動(dòng)軸的運(yùn)行速度，從而使得主動(dòng)軸和隨動(dòng)軸之間的張力值始終保持恒定。

1.2 直接張力控制系統(tǒng)組成

直接張力控制系統(tǒng)主要由主動(dòng)軸、隨動(dòng)軸、輔助放卷軸、輔助收卷軸、張力傳感器和角度傳感器等部分組成，系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 直接張力控制系統(tǒng)組成示意圖

主動(dòng)軸：主動(dòng)軸的運(yùn)行速度為整套系統(tǒng)運(yùn)行的參考速度，其他各軸的運(yùn)行速度均以主動(dòng)軸速度為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

隨動(dòng)軸：根據(jù)主動(dòng)軸的運(yùn)行速度和位于主動(dòng)軸與隨動(dòng)軸之間張力傳感器的張力值，對(duì)隨動(dòng)軸進(jìn)行閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，最終保證張力傳感器的張力值恒定。

輔助放卷軸：根據(jù)設(shè)置在輔助放卷軸上的角度傳感器的位置值，調(diào)節(jié)輔助放卷軸的放卷速度，保證主動(dòng)軸上經(jīng)過的線材始終保持一定的張緊力。

輔助收卷軸：根據(jù)設(shè)置在輔助收卷軸上的角度傳感器的位置值，調(diào)節(jié)輔助收卷軸的收卷速度，保證線材在一定張力下均勻緊密地纏繞在收卷軸上，保持纏繞的花形。

2 恒張力控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)方案

該系統(tǒng)選用西門子S7-300系列的PLC(CPU 315-2DP)作為控制和運(yùn)算核心，執(zhí)行器選用臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器ECMA-C10807SS及臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)ASD-A2-0721-M，電機(jī)控制方式為速度模式；張力信號(hào)反饋部分選用金諾張力傳感器LZ-ZL-L1-50N，標(biāo)準(zhǔn)4 mA～20 mA輸出信號(hào)；輔助放卷軸和輔助收卷軸設(shè)計(jì)有角度傳感器LW128B-360，通過角度反饋值控制對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行；上述執(zhí)行器和檢測(cè)傳感器共同組成線材恒張力控制系統(tǒng)。恒張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，r(t)為給定值,e(t)為偏差值,u(t)為PID控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入,y(t)為實(shí)際輸出值。

圖2 恒張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 控制系統(tǒng)框圖

恒張力控制系統(tǒng)就是在沒有人參與的情況下使執(zhí)行器的輸出值準(zhǔn)確地隨著給定值的預(yù)期規(guī)律變化而變化，在存在外部擾動(dòng)和內(nèi)部參數(shù)變化的條件下，也能使系統(tǒng)的輸出準(zhǔn)確地跟蹤參考輸入。根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，建立了恒張力控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，控制系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有內(nèi)環(huán)速度調(diào)節(jié)環(huán)和外環(huán)張力調(diào)節(jié)環(huán)兩個(gè)閉環(huán)，速度環(huán)保證執(zhí)行器按照給定的速度值準(zhǔn)確輸出并保持，張力環(huán)通過調(diào)節(jié)執(zhí)行器的運(yùn)行狀態(tài)，保證線材在拉伸過程中維持張力值準(zhǔn)確和恒定。

圖3 控制系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)采用PID控制算法。其中比例環(huán)節(jié)(P)的作用是使輸出量能夠無(wú)失真、無(wú)滯后地按一定的比例復(fù)現(xiàn)輸入量；積分環(huán)節(jié)(I)的作用是輸出量對(duì)輸入量在時(shí)間上的積分；微分環(huán)節(jié)(D)的作用是輸出量對(duì)輸入信號(hào)在時(shí)間上的微分，預(yù)示輸入信號(hào)的變化趨勢(shì)，監(jiān)視其動(dòng)態(tài)行為。

2.3 程序編寫

根據(jù)控制要求，使用TIA Portal V16軟件編寫系統(tǒng)的PLC控制程序。在OB35組織塊中，調(diào)用工藝對(duì)象CONT_C，并建立對(duì)應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊。根據(jù)CONT_C功能塊各引腳參數(shù)的定義，填寫各個(gè)實(shí)參，CONT_C功能塊如圖4所示。

圖4 CONT_C功能塊

CONT_C功能塊的引腳定義如下：MAN_ON為啟用/禁用手動(dòng)控制模式；P_SEL為啟用/禁用P參數(shù)的作用；I_SEL為啟用/禁用I參數(shù)的作用；D_SEL為啟用/禁用D參數(shù)的作用；CYCLE為PID功能塊的采樣時(shí)間；SP_INT為“內(nèi)部設(shè)定值”，輸入用于指定設(shè)定值；PV_IN為在“過程值輸入”處，可以將參數(shù)分配給調(diào)試值，或者互連浮點(diǎn)格式的外部過程值；GAIN為比例增益；TI為積分時(shí)間；TD為微分作用時(shí)間；DEADB_W為死區(qū)寬度，輸入用于確定死區(qū)的大小；LMN_PER為I/O格式的調(diào)節(jié)值在“調(diào)節(jié)值I/O”輸入中與控制器互連。

2.4 系統(tǒng)調(diào)試及PID參數(shù)整定

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。根據(jù)被控過程的特性，確定PID參數(shù)控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。

程序編制完畢后，啟動(dòng)系統(tǒng)并打開調(diào)試仿真功能，開始進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試及參數(shù)整定。PID參數(shù)的整定過程采用實(shí)驗(yàn)的方法，PID參數(shù)的確定需要反復(fù)進(jìn)行測(cè)試并調(diào)整，直至出現(xiàn)較為理想的曲線。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，經(jīng)過多次調(diào)整和修改控制器的PID參數(shù)，最終確定，當(dāng)比例因子Kp=0.55、積分時(shí)間常數(shù)TI=200 s、微分時(shí)間常數(shù)TD=0 s時(shí)，系統(tǒng)的張力反饋值曲線較為理想，仿真結(jié)果如圖5所示。圖5中，X軸為時(shí)間軸，單位ms；Y軸為SP_INT(給定值)、PV(過程值)、LMN(輸出值)的百分比值。

圖5 PID仿真曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有速度環(huán)和張力環(huán)兩個(gè)閉環(huán)，采用PID控制算法，通過計(jì)算、調(diào)整和優(yōu)化PID參數(shù)，提高了張力控制系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，從而保證了線材生產(chǎn)的穩(wěn)定性和一致性，提高了線材產(chǎn)品的質(zhì)量和品質(zhì)，提升了線材生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。