氣動張力控制系統在放卷裝置中的應用

張亞鋒

（常州工學院光電工程學院，江蘇常州213002）

0 引言

在紙張放卷過程中，都不同程度地存在著斷紙問題，一旦出現斷紙，需要立即停止生產，重新接紙，既降低了生產效率，又加大了生產成本。斷紙的根本原因是因為放卷裝置是通過手工操作進行調節，張力控制完全是憑經驗進行，通過配重塊進行張力估計，當原紙所受到的張力超過其本身抗拉強度的極限值而手工又沒有調節時，原紙就會發生斷裂，因此設備上通常需要配置恒張力控制系統。氣壓傳動具有防火、節能、高效、無污染等優點［1-2］，因此氣壓傳動是實現張力控制的理想方法之一，氣缸常被作為執行元件來使用。在目前的一些放卷或收卷系統中多采用“減壓閥+節流閥”，氣缸的排氣口徑極小，易使紙張被拉斷，為了解決這個問題，有的系統還配上張力傳感器，但在實際使用過程中，收效甚微，主要體現在：①增加了系統的復雜性；②傳感器所測壓力信號只是局部，不能真實反映全幅紙張壓力，不利于系統的穩定運行；③調試不方便，對不同的材料，壓力設定值不同，給調試帶來一定的難度。另外傳統系統的控制器算法不合理，對張力的調節只是通過對設定值進行簡單地比較獲取控制信號，而且控制信號為一定值，當紙卷直徑變化時，無法滿足剎車制動力相應變化的要求。而且又多以PLC為主控制器，控制參數調節復雜，系統調試費時。

因此，本研究以51單片機為核心，氣動控制為主要手段，采用變速積分PID控制算法，設計一套智能放卷氣動張力控制系統。

1 系統設計

1.1 系統工作原理

系統工作原理如圖1所示。由顯示器設定目標位置值傳輸給單片機，該值即為FESTO DNC氣缸4的中位，此時張力為氣缸中的恒壓力。當受到收卷裝置速度變化和放卷輥子速度變化二者的影響時，滾輪5 DNC氣缸4向左推離中位，此時位移傳感器的反饋信號大于設定的目標值，單片機系統會輸出信號，調節比例流量閥MPYE出口氣壓使氣動剎車制動力降低，放卷輥子轉速增加，從而滾輪5上紙張拉力降低，使DNC氣缸往右移向中位；同理如果張力變小，DNC氣缸4向右偏離中位，此時位移傳感器的反饋信號小于設定的目標值，單片機會輸出信號，調節比例流量閥MPYE出口氣壓使氣動剎車制動力增大，從而滾輪5上紙張拉力增加，使DNC氣缸向左方向移回中位。這樣，在紙張放卷過程中，DNC氣缸4根據外界的速度干擾在中位附近移動，保證了張力的恒定。系統原理實質是通過控制放卷的速度來間接控制紙張的張力。

圖1 放卷氣動張力控制系統原理

1.2 張力恒定

系統的目標張力通過DNC氣缸4和精密減壓閥2組合得到。系統工作前，應首先調節精密減壓閥2使DNC氣缸4的后腔中的壓力達到相應值，DNC氣缸4的前腔排空。一旦系統工作，由于外界的撓動，導致紙張或布匹的張力變化，就會打破初始狀態時的力學平衡，導致DNC氣缸移動。當DNC氣缸4后退時，為了確保后腔氣壓維持在設定壓力，后腔氣體必須快速排出；同樣，DNC氣缸1前進時，后腔中必須迅速充氣，以維持后腔中壓力恒定，即輸出張力恒定。因此，在選擇減壓閥2時，其通氣口徑要遠大于普通減壓閥，以保證快速充排氣，提高系統動態性能和響應頻率，使執行元件的壓力調節迅速，有效避免出現張力長時間過大或過小的不穩定現象。

1.3 硬件設計

放卷裝置在線原紙張力智能測控裝置的硬件框圖如圖2所示。它能對原紙所受到的張力進行自動調節，且安裝容易，使用方便。氣動剎車［3］系統現多用于軋鋼、造紙、紡織等行業，是針對卷繞軸實現制動的執行機構（調節張力的執行機構）。由電控氣動比例閥控制輸出氣壓的大小來控制調節制動氣剎的松緊程度，從而調節放卷輥軸的制動力，以實現對張力的自動控制。為了讓氣動剎車系統能夠快速動態響應變送器傳輸至MCS-51的浮輥中位的偏移量信號，應采用響應頻率高的比例流量閥，比例流量閥在方向、速度、流量及壓力控制中得到了廣泛的應用［4-5］。該設計采用了響應頻率達100 Hz的MPYE比例流量閥，其快速動態性能和單片機控制算法保證了不管外界干擾如何變化，DNC氣缸都能夠將浮輥控制在中位附近小范圍內活動。這就要求氣動方向比例流量閥能靈活控制氣剎的松緊度，防止控制過程中的過松或過緊的大波動現象。由于比例閥在其零位附近存在流量不敏感區域，導致系統反應滯后、動態響應過程長等問題，編程時常采用在輸出控制量上預加常值信號以避開不靈敏區，即對閥的輸入輸出特性進行補償［6］。

圖2 硬件框圖

根據Festo公司提供的MPYE-5-1/8HF-420-B流量特性的樣本，在閥中位（電流為12 mA）附近，流量出現不敏感區域，即不靈敏帶，大約為11.8 mA～12.2 mA；在實際應用時，研究者對閥的輸入/輸出特性要進行補償，即在程序中的比例閥輸入信號中加入相應的常值電流（氣缸左移加負0.2 mA，氣缸右移加0.2 mA），這樣閥的實際電流不會落入11.8 mA～12.2 mA之間，避開閥的不靈敏區。

單片機系統組成框圖如圖3所示，本研究采用了通用鍵盤/顯示器接口芯片8279，用于參數的整定和參數的顯示。A/D轉換器是12位逐次比較型AD574，用于轉換位移傳感器模擬量信號4 mA～20 mA，D/A轉換器是12位的DAC1208芯片，用于將數字量轉換成模擬量控制MPYE比例流量閥。

2 控制算法及程序設計

圖3 單片機系統組成框圖

當一卷原紙剛開始時（稱為上紙階段），由人工調節張力的大小，此時選擇開關位于手動檔，并相應打開減壓閥、比例閥和位移傳感器，在顯示器上設置減壓閥壓力值和比例閥輸出壓力值，控制系統只在其上檢測、顯示張力、比例閥流量及壓力和位移傳感器反饋電信號，系統并不放卷運行，也不調節張力。比例閥輸出壓力值由放卷速度決定，減壓閥壓力值由所需張力決定。這些初始設置值在程序中以指定的數據存儲單元保存，這是系統投入實際運行的一個重要條件。上紙結束后，人工按“自動/手動”轉換鍵和控制選擇鍵，系統控制方框圖模型如圖4所示。

圖4 系統控制框圖

由于系統啟動運行時或其他外界沖擊性干撓因素出現時，系統偏差往往較大，此時PID控制中的積分項應減弱甚至是不起作用，當偏差小時則加強積分作用。另外為了避免PID輸出的積分飽和作用，本研究采用變積分PID算法。盡管有很多的先進PID算法，如模糊自適應PID控制［7-9］得到了廣泛的應用，但考慮到采用了普通的51單片機及系統實際的運行特點，采用變積分PID算法完全滿足要求，其算法表達式［10］為：

式中：參數kP，kI，kD—PID比例項系數、積分項系數和微分項系數。

系數f[e(k)]在區間［0，1］內變化，其表達式為：

由于系統中部分未知的數學模型，本研究在參數整定時，將圖5中的控制選擇鍵選擇整定檔，脫離反饋系統，采用現場湊試法［11］確定PID比例項系數kP和積分項系數kI，微分項系數系統中設為0。

軟件流程圖如圖5所示。手動設置比例閥輸出壓力值時，在顯示器上由人工按“加1”、“減1”標識對減壓閥進行微調，即微調張力。按上啟動按鈕，系統開始運行，并自動檢測、自動顯示浮輥在中位附近波動大小，開始自動調節張力的大小。當一卷原紙運行結束時，由人工按一下“自動/手動”轉換按鈕，又會回到“上紙”的階段。為了區別“上紙”和“運行”兩個不同的階段，在“運行”階段時顯示器上顯示一個特定的標志。程序中A D、D A轉換分別指減壓閥、比例閥反饋信號、位移傳感器反饋信號采集和減壓閥、比例閥壓力電信號數/模轉換。

3 結束語

圖5 程序流程圖

在紙張放卷過程中，只有保持紙張的張力恒定才能保證放卷的順利進行，而要張力恒定，就必須使得放卷裝置的放卷線速度和收卷裝置的收卷線速度等速匹配。但系統實際運行過程中，放卷輥和收卷輥都會因紙張卷徑的變化而導致載荷的變化，使得收放卷的線速度產生差異，或其他外界不可知因素造成線速度差異。傳統的測速、測張力難以控制，以氣動裝置、單片機、位移傳感器為硬件支撐，采用安裝于氣缸上面的浮動輥位移的變化來間接檢測紙張中的張力變化，則變得簡單易行。通過現場的運行及數據記錄，系統在反復啟動運行時，浮輥絕對值偏差達到12 mm，但系統很快平穩運行，在平穩運行的過程中，浮輥絕對值偏差穩定在4 mm之內。

系統的成功運行需要注意以下幾點：①減壓閥須采用通氣孔徑遠大于普通減壓閥的精密減壓閥；②電控氣動比例閥須采用比例流量閥，且線性度及靈敏度高；③氣缸往復回程靈敏，摩擦系數小；④紙張放卷過程中，在上紙階段和紙張放卷快結束時，張力波動較大，導致浮輥位移偏差較大，綜合考慮積分飽和現象，應采用變速積分PID控制算法。

系統現場運行結果表明，在對紙張放卷運行時，穩定可靠，張力易調試設定，動態性能好，張力穩定，克服了紙張放卷過程中的斷裂、跑偏等現象，尤其是氣剎能適時跟蹤浮輥位置偏移量信號，靈敏度高，控制性能好，浮輥的位置偏移量只在較小的范圍內波動，其控制過程表現為很好的智能性，可以在多種型號的接紙機上使用，大大提高了生產效益。

（

）：

［1］吳乘波，徐志農，周曉軍，等.智能P I D控制在超精密拋光機氣動系統中的應用［J］.機床與液壓，2005（10）：101-103.

［2］李建國.基于PLC的氣動分揀裝置控制系統設計［J］.液壓與氣動，2011（6）：83-85.

［3］岑耀東，陳林.熱鍍鋅張力輥電機氣動抱閘系統的改造［J］.軋鋼，2012，29（1）：50-52.

［4］張建成.氣動比例閥［J］.機床與液壓，1994（6）：325-327.

［5］宋非非，曲涵，董云峰.一種壓電式氣動比例閥的研究［J］.液壓與傳動，2010（8）：31-33.

［6］李志.消除氣動比例閥不靈敏區的方法探討及軟件補償方法的應用［J］.機床與液壓，2005（1）：212-214.

［7］沈斌，張憲，趙章風，等.基于模糊PID的雙閉環茶葉殺青控制系統研究［J］.機電工程，2013，30（10）：1218-1221.

［8］李聰，尹文慶，馮學斌，等.基于模糊自適應PI控制的無刷直流電機無級調速系統［J］.機電工程，2012，29（1）：49-52.

［9］丁鵬，姚平喜.基于Matlab的無刷直流電機Fuzzy-PID控制研究及其建模仿真［J］.機電工程技術，2012，41（2）：10-13.

［10］劉金琨.先進PID控制Matlab仿真［M］.北京：電子工業出版社，2004.

［11］孟飛，潘雪濤，張亞鋒.基于PLC和組態軟件的橡膠硫化設備控制系統開發［J］.電氣應用，2011，30（4）：28-30.